摩擦焊接工艺新发展 (二)

2 超塑性摩擦焊接工艺 [2～ 4] 超塑性摩擦焊接工艺是前苏联学者在 20世纪 80年代末、 90年代初提出来的。其核心是通过严格控制摩擦焊接过程,使得焊合区金属处于超塑性状态,利用金属在超塑性状态下的优异性能,实现低温高质量焊接的摩擦焊接方法。 在采用摩擦焊接方法连接异种金属 (如高速钢－ 45 钢、 Al－ Cu 等 ) 或者焊前已经过最终热处理的材料或部件 (如高温合金 结构钢涡轮盘轴、高温合金－耐热钢双金属排气阀、 DAIN718或 Rene95粉末合金材料飞机发动机涡轮盘的焊接 )时,焊接过程中产生的高温会促使焊合区形成硬脆的金属间化合物相,或者破坏被连续材料的热处理状态,使接头性能降低。如高速钢 45钢摩擦焊接时,摩擦过程中的高温会促使碳化物在摩擦界面上聚集,从而在结合面上形成“光亮圆环”缺陷。焊接及热处理过程中的高温还会在结构钢一侧形成脱碳区。     

高速钢相变温度以下的摩擦焊

利用高速钢的超塑性及控制摩擦焊的刹车过程对高速钢与４５号钢进行了高速钢相变温度以下摩擦焊的可行性研究，通过对不同温度接头的金相检验证明：在８００℃时高速钢－侧组织梯度较小，通过对不同温度的摩擦焊接头性能松检验表明；在８００℃时接头性能达到了母材水平，硬度分布较均匀，未出现相变温度以上时的硬度高峰。     

异种合金惯性摩擦焊的研究现状

文中针对钢与其他合金、铝合金与其他合金、钛合金与其他合金、高温合金与其他合金的惯性摩擦焊的研究现状进行了阐述。主要对惯性摩擦焊的工艺参数选取、端面设计、焊前预热、焊后热处理等研究内容进行了综述。并对异种合金惯性摩擦焊存在的问题进行了分析总结。结果表明,采用合理选择工艺参数、设计不同形状的端面、添加中间过渡层、焊前预热处理、焊后热处理等方法获得强度与母材相当、焊接质量较好的接头。建议在后续的研究中,结合数值模拟对异种合金惯性摩擦焊的工艺参数及端面设计进行优化,对接头的元素分布及新相形成的种类与数量进行调控,对焊接界面金属的流动行为进行深入研究,以获得具有综合性能较好的异种合金惯性摩擦焊接头。     

电场热处理的铜与不锈钢摩擦焊接头扩散行为

运用电子探针线扫描研究了经焊后电场退火热处理的T2紫铜和1 Cr18 Ni9Ti不锈钢摩擦焊接头焊合区主要合金元素的扩散行为，采用Boltzman-Matano法求解了外加电场对摩擦焊接头Fe元素的扩散系数和扩散激活能的影响。结果表明，紫铜与不锈钢摩擦焊接头焊后电场退火热处理过程中，主要合金元素Fe在焊合区的扩散区比常规热处理时要宽，扩散区宽度随电场强度数值的增大而增大。此外，静电场使热处理过程中摩擦焊接界面Fe元素在600℃时的扩散系数高于常规焊后热处理的摩擦焊接头，使Fe元素在焊接界面处的扩散激活能降低。随电场强度的增加，Fe元素的扩散系数增大，扩散激活能下降。其中，负电场的影响较为明显。     

钛合金/纯铝异种金属摩擦焊接工艺

进行了TC4钛合金与L5纯铝异种金属的摩擦焊接工艺及其焊后回火热处理工艺研究,利用光学金相分析、扫描电镜EDX线扫描、拉伸性能及硬度的测试,探讨了TC4钛合金与L5纯铝异种焊接接头焊合区的微观组织及其力学性能.研究表明,T℃4钛合金与L5纯铝间具有良好的摩擦焊接性,焊合区无金属间化合物相生成,焊接接头强度等于或高于铝基材.经焊后回火热处理,摩擦焊接头两侧主要合金元素的扩散区宽度增大,焊合区钛合金侧的硬度值因时效作用而有所提高.     

GH4169高温合金惯性摩擦焊接头晶粒分布特征

GH4169镍基高温合金的显微硬度、组织和性能对热加工工艺很敏感,工艺控制不当,将会产生粗晶、混晶现象,影响持久缺口敏感性、冲击韧性等性能。试验发现在GH4169高温合金惯性摩擦焊管接头中,沿轴向焊合区附近具有超细晶一细晶的晶粒分布特征。根据GH4169合金动态再结晶的特点,结合惯性磨擦焊过程的特有热变形条件,本文对上述现象进行了分析,研究结果表明,GH4169合金惯性摩擦焊接过程中温度、应变、应变速率是造成焊接区细晶和超细晶组织的根本原因。GH4169合金惯性摩擦焊接头焊合区中热变形金属的动态再结晶过程进行的相当剧烈充分,其晶粒组织呈细小均匀的等轴晶特征,尽管存在着晶粒组织的不均匀性,但未发现粗晶和混晶现象。     

GH4169合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测

以高性能航空发动机涡轮盘和压气机盘为背景，采用有限元数值模拟方法，对GH4169合金模拟件的惯性摩擦焊接过程进行了分析与计算，基于金属塑性变形的物理基础，建立了GH4169合金惯性摩擦焊接过程显微组织的演化模型；通过高温合金在热成形过程中的再结晶发生条件，再结晶体积分数、晶粒尺寸与热力参数（应变速率、应变程度、成形温度）之间的映像关系，对惯性摩擦焊接热力影响区的再结晶组织进行了模拟计算。从而为合理地制定焊接热力规范，提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了参考。     

FGH98合金惯性摩擦焊接头显微组织与力学性能

采用惯性摩擦焊连接FGH98合金,研究了热处理对FGH98合金惯性摩擦焊接头显微组织以及力学性能的影响。结果表明,原始态焊接接头焊合区主要由γ 和 γ′ 两相组成,γ′相在焊接过程中发生了回溶,残余γ′相尺寸和数量均明显降低,经过热处理后,焊合区晶粒尺寸、残余γ′ 相的尺寸和数量未发生明显变化;原始态焊接接头的焊合区的硬度值最高,在焊合区的中心区域存在硬度降低的现象,热处理态焊接接头显微硬度整体分布相比原始态硬度值未发生较大变化;焊接接头室温拉伸的断裂位置在母材区,屈服强度大于1 130 MPa,达到母材的93%以上;抗拉强度大于1 616 MPa,达到母材的99%以上;750 ℃拉伸的断裂位置在焊缝区,屈服强度大于1 025 MPa,达到母材的99%以上;抗拉强度大于1 197 MPa,达到母材同等水平。 创新点：(1)采用惯性摩擦焊焊接FGH98镍基粉末高温合金,研究了热处理前后的焊接接头微观组织形貌。 (2)结合微观组织分析,对力学性能进行了研究。     

异种金属摩擦焊后电场热处理组织与扩散行为

采用电子探针线扫描等试验技术研究了强电场对T2紫铜和1Crl8Ni9Ti不锈钢摩擦焊接头焊后退火显微组织及其主要合金元素扩散行为的影响。结果表明：外加电场加快了焊合区金属的再结晶进程，提高了晶粒长大速度，增大了晶粒尺寸，且使退火孪晶数量增多，其中负电场(试件接电源负极)的作用最为明显；此外，紫铜与不锈钢摩擦焊接头焊后电场退火过程中，主要合金元素Cu与Fe在焊合区的扩散区比常规热处理时要宽，且扩散区宽度随电场强度数值的增大而增大。其中，负电场使摩擦焊接界面扩散区宽度增大更为明显。     

耗材摩擦焊敷试验研究

采用20钢耗材在45钢母材表面上进行耗材摩擦焊工艺试验,探讨了摩擦界面的摩擦行为,阐述了耗材金属过渡及焊敷层形成机理,分析了焊敷层的形貌和微观组织。研究表明,摩擦系统的热物理不对称性是耗材金属过渡的驱动力;耗材金属通过真实接触面向母材表面过渡,其行为遵循金属摩擦的焊合－剪切－犁削理论;焊敷层由细晶的显微组织构成。     

电场对LY12CZ合金摩擦焊缝组织微观结构与力学性能的影响

采用透射电镜和扭转试验研究了外加静电场对LYl2CZ合金摩擦焊接头焊合区显微结构和力学性能的影响。结果表明，静电场提高了摩擦焊接头焊合区的合金元素固溶程度，使s′相析出数量增多，并以小尺寸弥散分布；同时，电场的激活作用降低了焊合区晶粒内的位错密度，减少了位错缠结程度，增加了位错的可动性。因而，合适的静电场可以加强摩擦焊接过程中晶界运动在协调焊合区金属塑性变形方面的作用，提高焊接接头的塑性。     

搅拌摩擦焊待焊界面消失模型

提出了一种搅拌摩擦焊接过程中待焊界面消失并形成焊缝的二维模型,阐述了搅拌摩擦焊接过程中待焊界面在焊接热、焊接作用力及搅拌作用下形成焊缝的过程,并把焊缝划分成晶粒长大区、界面氧化区、待焊界面消失区、塑性金属流动区、S线等区域,同时描述了待焊界面冶金熔合后在搅拌摩擦焊缝内部的分布形态.该模型对晶粒长大区、待焊界面消失区、S线3个特定区域进行了试验验证和说明.结果表明,待焊界面在搅拌针后退侧的前方区域已经达到冶金熔合状态,并在搅拌针的搅拌作用下扭曲并进入焊缝形成S线特征.     

钛合金线性摩擦焊接头动态再结晶规律研究

针对TC4/TC17异种钛合金进行了线性摩擦焊试验,利用光学显微镜与扫描电镜对焊接接头各区域的微观组织进行了分析,并采用透射电镜分析了钛合金线性摩擦焊接头焊合区的动态再结晶规律。结果表明:在焊接升温的过程中,TC4/TC17钛合金线性摩擦焊焊缝区已经达到β转变温度。在热和力的作用下,焊缝中心处金属发生动态再结晶,生成了细小的等轴晶粒。由于焊合区在共生晶粒形成之后又经历了强塑性变形,焊合区的晶粒内部产生了高密度的位错。位错运动形成亚晶界,焊合区形成亚晶粒,并以亚晶粒为形核核心,发生动态再结晶过程。     

工艺参数对碳钢摩擦焊接头塑性金属流动的影响

采用添加标识材料的方法研究45钢摩擦焊接头焊缝塑性金属的流动规律.结果表明,摩擦焊接过程中,变形层首先在距圆心2/3半径处的摩擦表面上形成,它是由塑性变形和机械挖掘的表面金属组成的环状摩擦面.随着焊接时间的延长,摩擦焊接表面的热量输入会逐渐增加,从而增大了焊缝塑性金属的变形量增加摩擦压力和顶锻压力,焊缝表面金属变形明显增大,且在摩擦压力的作用下标识材料会随着旋转方向变化,并 且标识材料会发生整体扭转,扭转角度随着顶锻压力增大而增加.     

搅拌摩擦焊接焊缝金属的超塑性行为

通过对防锈铝搅拌摩擦焊接头焊缝金属的高温拉伸试验,探讨搅拌摩擦焊接头焊缝金属的超塑性行为,以期优化焊接参数来使材料达到超塑性状态,形成良好的接头.结果表明:在450℃,夹头速度为0.6 mm/min的情况下得到的焊缝金属的最高延伸率为91%.从应力应变曲线初步计算得到m值为0.534.可以初步判定,在450℃附近,有超塑性现象.     

铝/钢异种金属旋转摩擦焊接研究现状

根据铝/钢异种金属焊接冶金特点及旋转摩擦焊接工艺特点，分析认为旋转摩擦焊最适合铝/钢异种金属轴对称件焊接的工艺。分别介绍了连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊接工艺对铝/钢异种金属焊接接头的组织和性能的影响。总结了铝/钢异种金属摩擦焊接技术研发中亟待解决的主要科学问题，铝/钢旋转摩擦焊过程中摩擦界面及其附近剧烈的塑性流变对IMCs生成的影响规律和机制需要进一步的研究；需要开发相应的工艺措施促进铝/钢接头界面上形成以Fe-Al IMCs为标志的冶金结合，并使IMCs层厚度均匀化。最终指明，研究揭示铝/钢摩擦界面IMCs生成机理、相的组成、形态、分布等冶金行为，对铝/钢旋转摩擦焊接头的组织性能调控具有重要意义，也是铝/钢异种金属焊接结构性能保证的理论基础。     

LY12搅拌摩擦焊接过程中搅拌针摩擦行为的研究

搅拌摩擦焊是一种依靠搅拌头与被焊金属之间的摩擦来实现焊接的焊接方法,二者之间的摩擦系数直接影响到最终的焊接效果。本试验对LY12铝合金摩擦系数随温度等因素的变化情况进行了研究,试验结果表明:由于温度对铝合金的表面状态的影响非常大,所以铝合金的摩擦系数在高温下的变化也很大。通过试验数据建立了LY12铝合金与高速钢的摩擦系数与温度之间的关系曲线,发现二者之间的摩擦系数随温度的增加先增大,达到金属的熔点下限后开始减小。并且对LY12铝合金搅拌摩擦焊焊接过程中的摩擦行为进行了分析。     

LY12搅拌摩擦焊接过程中搅拌针摩擦行为的研究

搅拌摩擦焊是一种依靠搅拌头与被焊金属之间的摩擦来实现焊接的焊接方法，二者之间的摩擦系数直接影响到最终的焊接效果。本试验对LY12铝合金摩擦系数随温度等因素的变化情况进行了研究，试验结果表明：由于温度对铝合金的表面状态的影响非常大，所以铝合金的摩擦系数在高温下的变化也很大。通过试验数据建立了LY12铝合金与高速钢的摩擦系数与温度之间的关系曲线，发现二者之间的摩擦系数随温度的增加先增大．达到金属的熔点下限后开始减小。并且对LY12铝合金搅拌摩擦焊焊接过程中的摩擦行为进行了分析。     

TiAl合金与异种材料的摩擦焊接

TiAl合金与42CrMo直接摩擦焊接性较差,为此分别引入高温合金GH3039、K418、N80A和纯镍N6作为中间材料,对TiAl-GH3039/K418/N80A/N6-42CrMo异种材料的摩擦焊接工艺进行了研究。采用硬度计、扫描电镜和电子万能试验机对焊后接头区域的硬度、组织和焊合区成分变化以及接头力学性能进行了分析。研究表明,TiAl合金与异种材料焊后接头中形成了复杂的多层状金属间化合物;TiAl合金与GH3039、N80A的摩擦焊接性较好,与K418、N6的摩擦焊接性较差;根据不同材料线膨胀系数随温度的变化规律、与TiAl合金摩擦焊接后接头的性能及其与42CrMo的摩擦焊接性,最终选择GH3039作为中间材料。通过引入中间材料,摩擦焊制备了TiAl合金涡轮-42CrMo转轴的异种材料整体转子,使得TiAl合金在涡轮增压器领域的应用成为可能。     

连续驱动摩擦焊制备钛合金管件

采用连续驱动摩擦焊制备了Ti6246钛合金、TA2纯钛管材及TC4钛合金盲孔管，分析了焊接工艺参数对飞边形貌的影响，着重分析了焊接接头在热处理条件下的组织特征与力学性能。研究结果表明，在该研究试验的焊接工艺参数范围内，焊接工艺参数对焊接接头的性能影响很小；Ti6246管材及TA2管材的摩擦焊系数可达0.99；，摩擦焊可以破碎焊合区组织，焊合区组织明显比母材细小；摩擦焊后TC4盲孔管焊合区的组织类型发生改变，从魏氏体组织变为网篮组织，抗拉强度降低60 MPa，但焊接系数仍可达0.94，塑性和韧性优于母材。