鈦合金TC4線性摩擦焊的工藝探索

1、鈦合金TC4線性摩擦焊的工藝探索來源:數(shù)控機(jī)床網(wǎng)作者:數(shù)控車床欄目:行業(yè)動態(tài)摘要:本文對鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)的線性摩擦焊進(jìn)行了初步研究，分析了焊接工藝參數(shù)對熱輸入和焊接質(zhì)量的影響，指出了線性摩擦焊飛邊的特點及其形成原因；對典型焊件的顯微組織進(jìn)行了觀察分析；指出按照焊合界面附近的變形程度可以將其分為完全變形區(qū)、部分變形區(qū)和未變形區(qū)。關(guān)鍵詞:鈦合金TC 線性摩擦焊 焊接工藝參數(shù) 顯微組織序言鈦合金作為一種新材料,在航空、航天、電力、汽車和海洋等許多部門得到廣泛應(yīng)用，其中尤以TC4(Ti-6Al-4V)用途最廣泛。TC4屬于典型的+兩相鈦合金，由于其具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的綜合機(jī)械性能

2、、塑性和沖擊韌性,已經(jīng)成為制造航空發(fā)動機(jī)制造中不可或缺的重要材料。在TC4焊接方面，采用傳統(tǒng)焊接方法容易產(chǎn)生氣孔、氧化等焊接缺陷。線性摩擦焊是20世紀(jì)90年代中期興起的一種新型固態(tài)焊接技術(shù)，它突破了旋轉(zhuǎn)式摩擦焊對被焊工件外形軸對稱的限制，大大的擴(kuò)展了摩擦焊接的應(yīng)用領(lǐng)域1。線性摩擦焊具有自清理、自保護(hù)的作用。目前，國內(nèi)還未見到關(guān)于鈦合金TC4線性摩擦焊的報道。本文主要研究探討了在鈦合金TC4線性摩擦焊過程中，有關(guān)工藝參數(shù)對接頭質(zhì)量和顯微組織的影響。1試驗材料采用鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）軋制板材。試樣尺寸為13mm8mm45mm的長方體，焊接面(13mm8mm)為線切割面。試驗采用設(shè)備是

3、西北工業(yè)大學(xué)自制的線性摩擦焊機(jī)。采用的工藝參數(shù)為：振動頻率43Hz，摩擦壓力3.2 atm(壓力表指示值)，頂鍛力3.4 atm(壓力表指示值)，摩擦?xí)r間1020s，振幅2mm。金相分析在NEOPHOT-型顯微鏡下進(jìn)行。焊后試件沿面、面(如圖1所示)剖開，通過剖面、面可以分別觀察到摩擦橫截面（與試件往復(fù)運(yùn)動方向垂直）和縱截面（與試件往復(fù)運(yùn)動方向平行）這兩個方向上的焊縫形狀。2 結(jié)果分析討論工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響通過對焊接過程和接頭質(zhì)量的觀察分析，可以發(fā)現(xiàn)：摩擦壓力和往復(fù)運(yùn)動頻率是焊接熱輸入的主要影響因素。當(dāng)摩擦壓力和往復(fù)運(yùn)動頻率增加時，焊接熱量輸入也隨之顯著增加。圖1 試件剖面示意圖 由于材

4、料變形的局部性和不均勻性，壓力過大則會影響試件往復(fù)運(yùn)動的穩(wěn)定性，同時也會增加塑性金屬的流出量，使飛邊增大，因此，不能采用太大的壓力值。在保證運(yùn)動平穩(wěn)的條件下，提高往復(fù)運(yùn)動的頻率是增加熱輸入和提高焊縫質(zhì)量最有效的方法。 摩擦?xí)r間也是線性摩擦焊接過程中的一個重要參數(shù)，但延長摩擦?xí)r間不是增加熱量輸入的最有效方法。因為熱傳導(dǎo)、對流及高溫塑性金屬的擠出等因素的存在，使得焊接過程中存在一熱輸入熱輸出的平衡點。在熱平衡之前，增加摩擦?xí)r間對增加熱輸入有效，而在熱平衡點之后，增加摩擦?xí)r間對熱輸入作用不大。 頂鍛是摩擦焊接的最后一個環(huán)節(jié)，頂鍛力也是影響焊縫成型的重要因素。在摩擦過程中，金屬摩擦副之間形成一層高溫粘

5、塑性層，它是摩擦表面的“粘結(jié)”介質(zhì)2，通過頂鍛使金屬摩擦副牢固結(jié)合。若頂鍛力過大，使粘結(jié)介質(zhì)大量被擠出，焊接效果反而下降。 2.2 焊縫成型與飛邊的形成 摩擦界面橫截面和縱截面的形狀分別如圖2 (a)、(b)所示，圖3是部分放大的縱向飛邊。(a)摩擦界面橫截面的形貌(b) 摩擦界面縱截面的形貌圖2 TC4摩擦焊焊縫形狀圖3 部分放大的飛邊 從圖2(a)和(b)可以看出，截面上的焊縫成型均勻一致，沒有裂紋和未焊合缺陷。但無論橫截面還是縱截面，其邊緣均有明顯的變形，并產(chǎn)生飛邊,且飛邊大小不同，橫向飛邊比縱向飛邊小。從部分放大的縱向飛邊圖3可以看出，飛邊氧化后呈彩色，并有明顯的橫向條紋。 飛邊的形成

6、主要受摩擦面溫度場和粘塑性應(yīng)變兩個因素的影響3，在摩擦初始階段摩擦表面的微凸體發(fā)生粘著、剪切，產(chǎn)生摩擦熱，表面局部的溫度開始升高；隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦面達(dá)到一定溫度時就形成一層高溫塑性金屬2。由于溫度場分布不均勻，塑性層厚度不均勻，相對而言，摩擦面內(nèi)部較厚，而邊緣較薄(邊緣熱散失的緣故)。在摩擦壓力和試件往復(fù)運(yùn)動的作用下，部分塑性金屬被推出摩擦面。在平行試件運(yùn)動的方向，有類似于機(jī)械加工中的“刨削”作用。由于往復(fù)運(yùn)動周期進(jìn)行，縱向飛邊不斷向前推進(jìn)，并呈現(xiàn)明顯的橫向條紋。隨著摩擦的繼續(xù)進(jìn)行，溫度進(jìn)一步升高，塑性層的厚度也增加，在摩擦壓力的作用下，橫向邊緣的部分塑性金屬則沿橫向被擠出，形成橫向(垂直

7、試件運(yùn)動方向)飛邊。無論是被縱向擠出的塑性金屬或是被橫向擠出的塑性金屬，由于被擠出摩擦面時溫度較高，而鈦在600時可以與氧發(fā)生強(qiáng)烈作用，因而飛邊被氧化變色。 2.3 接頭的微觀組織 圖4為鈦合金TC4線性摩擦焊界面縱向截面的低倍放大圖。從圖可以看出，焊合界面附近有不同程度的變形，按照其變形程度，可以分為完全變形區(qū)、部分變形區(qū)和未變形區(qū)。完全變形區(qū)和部分變形區(qū)在光學(xué)顯微鏡下的微觀組織結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示，母材的微觀組織如圖7所示。 從圖4、圖5、圖6和圖7可以看出： 完全變形區(qū)的晶粒細(xì)小且明顯被拉長，這說明TC4鈦合金在線性摩擦焊接過程中，不僅有塑性流動的過程，而且存在動態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶的過程

8、。圖4 摩擦焊界面縱向截面的低倍放大圖圖5 完全變形區(qū)組織部分變形區(qū)的微觀組織也有塑性流動趨勢，晶粒比完全變形區(qū)粗大，但仍比母材的晶粒細(xì)?。晃醋冃螀^(qū)微觀組織與母材類似，不存在塑性流動的趨勢。在部分變形區(qū)和未變形區(qū)之間有明顯的界線。 由于TC4鈦合金熱傳導(dǎo)率較低，室溫下的熱傳導(dǎo)率約為7W/mk，即使在1000下其熱傳導(dǎo)率也只有20 W/mk。因此，部分變形區(qū)的溫度較低，這 造成該區(qū)塑性變形的難度增大；又由于TC4鈦合金的屈服應(yīng)力在低溫下較高而在800以上迅速降低，從而該區(qū)和未變形區(qū)之間產(chǎn)生了明顯界線。圖6 部分變形區(qū)組織圖7母材組織3結(jié)論 (1)利用線性摩擦焊方法成功地實現(xiàn)了鈦合金TC4的焊接,

9、獲得了高質(zhì)量的焊接接頭。 (2)在線性摩擦過程中，摩擦壓力、振動頻率、摩擦?xí)r間和頂鍛壓力對焊接質(zhì)量均有重要影響；在一定的范圍內(nèi),提高振動頻率是增加熱量輸入和提高接頭質(zhì)量的有效途徑。 (3)線性摩擦焊的飛邊獨特。由于往復(fù)運(yùn)動、正壓力和摩擦力的共同作用，使縱向飛邊和橫向飛邊上均呈現(xiàn)有清晰的橫向條紋。(4)鈦合金TC4線性摩擦焊焊合界面附近有不同程度的變形，按照其變形程度，可以分為完全變形區(qū)、部分變形區(qū)和未變形區(qū)。完全變形區(qū)微觀組織細(xì)小致密，有明顯的塑性流動趨勢。部分變形區(qū)的微觀組織也有塑性流動趨勢，晶粒比完全變形區(qū)粗大，但仍比母材的晶粒細(xì)?。晃醋冃螀^(qū)微觀組織與母材類似，不存在塑性流動的趨勢。在部分

10、變形區(qū)和未變形區(qū)之間有明顯的界線。網(wǎng)頁查看：鈦合金TC4線性摩擦焊的工藝探索發(fā)表評論相關(guān)資訊：鈦合金1鈦合金TC4高速銑削表面完整性的研究2鈦合金加工之決竅3鈦合金薄壁件車削加工的研究4鈦合金的超高速切削加工5鈦合金T型接頭激光深熔焊溫度場數(shù)值模擬摩擦1川崎重工業(yè)將摩擦攪拌接合應(yīng)用于鋼材工藝1GH783合金氬弧焊工藝及性能2不同焊接工藝下電磁攪拌力對熔池的影響3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電阻點焊工藝設(shè)計中的應(yīng)用4內(nèi)錐面刃磨麻花鉆工藝試驗研究5鋁合金MIG焊接工藝研究及應(yīng)用探索1刀具管理的探索和發(fā)展數(shù)控機(jī)床網(wǎng)提供機(jī)床產(chǎn)品列表：數(shù)控機(jī)床|蘇州寶瑪|數(shù)控車床|線切割機(jī)床|數(shù)控切割機(jī)|電火花數(shù)控快走絲線切割機(jī)床|

11、電火花數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床|電火花機(jī)|電火花成型機(jī)|電火花高速小孔加工機(jī)|數(shù)控銑床|加工中心，歡迎咨詢訂購！_金相拋光劑的作用主要是 除某些非金屬夾雜物、鑄鐵中的石墨相、粉末冶金材料中的孔隙等特殊組織外，經(jīng)拋光后的試樣磨面，必須用浸蝕劑進(jìn)行“浸蝕”，以獲得（或加強(qiáng)）圖象襯度后才能在顯微鏡下進(jìn)行觀察。獲得襯度的方法很多， 據(jù)獲得襯度過程是否改變試樣表面，可分為不改變表面方法，如光學(xué)法，和改變試樣表面方法，如電化學(xué)浸 蝕法、物理浸蝕法兩大類。 最常用的浸蝕方法是化學(xué)浸蝕法。純金屬或單相金屬的浸蝕是一個化學(xué)溶解過程。晶界處由于原子排列混亂，能量較高，所以易受浸蝕而呈現(xiàn)凹溝。各個晶粒由于原子排列位向不

12、同，受浸蝕程度也不同。因此，在垂直光線照射下，各部位反射進(jìn)入物鏡的光線不同，從而顯示出晶界及明暗不同的晶粒。兩相或兩相以上合金的浸蝕則是一個電化學(xué)腐蝕過程。由于各相的組織成分不同，其電極電位亦不同，當(dāng)表面覆蓋一層具有電解質(zhì)作用的浸蝕劑時，兩相之間就形成許多“微電池”。具有負(fù)電位的陽極相被迅速溶解而凹下；具有正電位的陰極相則保持原來的光滑平面。試樣表面的這種微觀凹凸不平對光線的反射程度不同，在顯微鏡下就能觀察到各種不同的組織及組成相。 浸蝕時可將試樣磨面浸入浸蝕劑中，也可用棉花粘取浸蝕劑擦拭試樣表面。根據(jù)組織特點和觀察時的放大倍數(shù)，確定浸蝕的深淺，一般浸蝕到試樣磨面稍發(fā)暗時即可。浸蝕后立即用清水

13、沖洗，必要時再用酒精清洗。最后用吸水紙吸干，或用吹風(fēng)機(jī)吹干。 某些貴金屬及其合金，化學(xué)穩(wěn)定性很高，難以用化學(xué)浸蝕法顯示出組織，可采用電解浸蝕法。如純鉑，純 銀，金及其合金，不銹鋼，耐熱鋼，高溫合金，鈦合金等。此外還有其他的顯示法如陰極真空浸蝕法、恒電 位顯示法、薄膜干涉顯示法等。對不同的材料，需選用不同的浸蝕 常用浸蝕劑可參考下表： 成 分 工 作 條 件 用 途 硝酸 15mL ，酒精 100mL 幾秒-1min 碳鋼、合金鋼、鑄鐵 苦味酸 4g ，酒精 100mL 幾秒-幾分鐘 顯示細(xì)微組織 鹽酸 5mL ，苦味酸 1g ，酒精 100mL 幾秒-1min ， 15min 奧氏體晶粒，回火馬氏體 鹽酸 15mL ，酒精 100mL 幾分鐘 氧化法晶粒度 硫酸銅 4g ，鹽酸 20mL ，水 20mL 浸入法 不銹鋼，氮化層 苦味酸 2g ，氫氧化鈉 25g ，水 100mL 煮沸 15min 滲碳體染色，鐵素體不染色