钛合金搅拌摩擦焊接最新研究进展

钛合金具有密度低、比强度高,耐蚀性好,加工性能优异等优点,主要应用于航空航天、交通运输和石油化工等领域。当钛合金作为结构材料应用在不同领域时,传统的熔融焊接方法会产生较大残余应力,组织粗化,变形大,裂纹和孔隙等缺陷;而采用搅拌摩擦焊接技术可以避免传统熔融焊接方法产生的缺陷,从而大幅度提高钛合金焊接接头质量。目前,钛合金的搅拌摩擦焊接技术已成为国内外研究热点。主要介绍搅拌摩擦焊接的原理、工艺特点,国内外关于钛合金FSW焊接接头的宏观形貌、微观组织(晶粒大小、织构)和力学性能等方面的最新研究进展,最后展望了钛合金FSW未来的研究方向。     

钛合金搅拌磨擦焊的研究

钛合金具有优异的性能,在航卒、航天、军工以及生物医学等领域被广泛应用.采用搅拌摩擦焊方法焊接钛合金,可以避免熔焊方法带来的焊接缺陷,因而具有潜在的应用前景.文中从焊具设计、微观组织、力学性能及焊接温度场等儿个方面,系统地介绍了钛合金搅拌摩擦焊的研究现状,以便为相关研究提供有益的参考.     

TC4/T2连续驱动摩擦焊工艺及接头组织与性能

采用连续驱动摩擦焊实现了TC4/T2异种金属之间的焊接. 结果表明,热物理性能差异显著的TC4和T2异种金属之间连续驱动摩擦焊,宜采用强规范工艺条件,即采用较大的焊接压力,较短的焊接时间;TC4/T2连续驱动摩擦焊头形成非对称飞边,摩擦压力过小,焊接热输入不足,难以形成规则的飞边形态;采用较短的I级摩擦焊接时间,可以形成紧密的TC4/T2冶金结合界面,并形成一定程度的机械咬合. TC4/T2连续驱动摩擦焊最佳工艺参数为:Ⅰ级加压、Ⅱ级加压和顶锻压力在试样表面产生的压强分别为1.4,1.8和2.1 MPa,Ⅰ级摩擦焊接时间为5 s. 采用最佳焊接工艺参数,TC4/T2连续驱动摩擦焊接头抗拉强度达到母材T2的96.7%.     

异质钛合金线性摩擦焊接头微观组织

为了探明TC11与TC17异质钛合金线性摩擦焊接头微观组织形成机制,采用光学显微镜和扫描电镜研究接头不同区域的微观组织.结果表明,线性摩擦焊接头由TC11一侧的热力影响区(TMAZ)、TC11一侧的焊缝区、TC17一侧的焊缝区和TC17一侧的TMAZ所组成.在TMAZ未发现有动态再结晶发生,而材料的相变与变形是同时进行的.在焊缝区内发生了动态再结晶过程,摩擦停止后在摩擦界面上形成初生β共生晶粒.在振幅为3 mm、频率为40 Hz、摩擦压力为66.7 MPa条件下,随着摩擦时间的延长,初生β相动态再结晶晶粒尺寸和α相片层宽度增加.     

焊后热处理对TA15钛合金线性摩擦焊接头组织和性能的影响

采用前期优化的工艺参数,通过自行研制的线性摩擦焊机焊接TA15钛合金试件,焊后对部分试件进行600℃×3 h的热处理,并对焊态和热处理态组织与力学性能进行对比分析。结果表明,焊态条件下接头组织更细小,为亚稳态组织;热处理态接头组织中析出了次生α相,且晶粒发生球化长大现象,接头组织更加均匀。对两种接头在室温条件下进行拉伸试验,接头拉伸断裂位置均在母材处,且热处理接头的抗拉强度和屈服强度均较焊态下要高。热处理后接头的疲劳强度明显提高。     

钛合金的搅拌摩擦焊探索

通过对钛合金热物理性能分析，比较了钛合金的搅拌摩擦焊特性；针对钛合金的特点特别设计和使用了可以满足钛合金搅拌摩擦焊的搅拌头、垫板、冷却和保护装置等；并且对Ti-6Al-4V钛合金的搅拌摩擦焊焊缝和接头进行了观察分析，还对接头力学性能进行了测试，初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊接，接头强度可以达到母材强度90％以上，但是搅拌摩擦焊工艺、参数、搅拌头还需要进一步优化，性能指标还可以进一步提高。     

TC11钛合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能

本文在不同转速下开展了TC11钛合金搅拌摩擦焊试验,分析了接头的微观组织和力学性能,建立了焊接工艺、接头组织与性能之间的内在联系。接头SZ为完全的β转变组织,其细小晶界α相和晶内片层状α+β相以及针状α′相的双重强化作用,致使SZ硬度最高。HAZ和TMAZ均由残余初始α相和β转变组织组成,但后者具有一定的流变特征,且距SZ越近,转变组织占比越大,强化效果越明显。随着转速的上升,SZ中晶界α相和晶内片层状α+β相的尺寸增加,晶内针状α′相的含量降低,这引起了其硬度的降低。与硬度规律相同,各转速下接头拉伸均断裂在BM,且各转速下SZ抗拉强度明显高于BM,并随转速上升而下降。此外,SZ中细小的晶界α相和晶内片层状α+β相,也导致各转速下SZ延伸率高于BM,使其展现出良好的塑性,且随着转速上升,因晶界α相和晶内片层状α+β相尺寸增加,SZ延伸率有所降低。     

TA19钛合金惯性摩擦焊接工艺

采用惯性摩擦焊接工艺对TA19钛合金进行了焊接试验研究,针对不同工艺参数下的焊接接头力学性能进行了室温拉伸、高温拉伸及显微硬度等测试,并对优选工艺后焊接接头显微组织进行了分析. 结果表明,TA19钛合金具有良好的惯性摩擦焊接性,在合理焊接工艺条件下能得到高强度焊接接头;焊接接头各区域中焊缝区显微硬度最高,随着向母材区过渡,显微硬度逐渐降低;焊缝区为典型的动态再结晶组织,主要由少量沿β相晶界分布的沿晶α相+α′马氏体组成,热力影响区由变形初生α相+α′马氏体组成,热影响区微观组织与母材相近,仅有部分板条状β相及板条状次生α相发生交叉分布.     

基于APDL的连续驱动摩擦焊温度场数值模拟系统的设计

运用ANSYS参数化设计语言(APDL)开发了连续驱动摩擦焊温度场数值模拟的专用程序,通过人机交互界面实现了参数的快速输入和调整,自动生成模型并完成连续驱动摩擦焊温度场的分析.实现了有限元建模和分析的参数化,省去了大量重复的过程和繁琐的操作,极大的提高了分析效率.     

钛合金循环管的TIG焊

钛合金循环管的ＴＩＧ焊刘振海，杨苹（河南省信阳市空军一航院４６４０００）某冶炼厂使用的多层环形冷却循环管材质为ＴＣ３钛合金，由于人为原因投入使用两年后在循环管与加强板的结合处产生断裂裂纹，受工厂委托我们成功地运用钨极氩弧焊完成了修复任务。ＴＣ３钛合金...     

α+β型钛合金惯性摩擦焊接头焊态/热处理态组织演变及性能研究

文中采用SEM、EBSD及TEM等表征手段分析了惯性摩擦焊接头在焊态及焊后热处理态下的微观组织形貌与分布特征,并研究了焊后热处理态下的接头力学性能。结果表明,焊缝区为单一等轴α晶粒,在焊态下由板条状马氏体α′相+晶界片状αp相+亚稳态β相构成,并伴随着(0001)//ND丝织构。热处理后转变为晶界片状αp相+晶内片状αs+β相,在原有丝织构的基础上形成了(21 ?1 ?3)[21 ?1 ?9]取向织构;焊缝区显微硬度最高,随着向母材区过度显微硬度逐渐降低,焊后热处理可降低焊缝区硬度,使接头硬度分布较为均匀。接头在室温下的拉伸试验均断裂于远离焊缝中心的母材区。     

钛合金线性摩擦焊接头形成机制

采用扫描电镜和透射电镜研究TC11同种及TC11与TC17异种钛合金接头微观组织,以探明线性摩擦焊接头形成机制.结果表明,同种钛合金线性摩擦焊接头形成过程与异种钛合金明显不同,这主要是由于二者产热行为不同所致.同种钛合金焊接时,刚开始阶段是以摩擦产热为主,界面形成金属键连接后界面金属的变形产热将占主导.异种钛合金焊接时,刚开始阶段也是以摩擦产热为主,而当界面形成金属键连接后TC11一侧金属的变形产热将是接头热输入的主要来源.随着热量向TC17一侧金属的传导,TC17将发生大变形,接头热输入以TC11与TC17的共同变形产热为主.     

7A04铝合金/304不锈钢连续驱动摩擦焊及焊后热处理

对7A04铝合金与304不锈钢异种材料进行了摩擦焊接试验,并对接头进行了不同温度、不同时间的退火处理.对接头飞边形貌、抗拉强度、断口形貌、金相组织、显微硬度等进行对比分析.结果表明,采用合适的工艺参数能获得形貌良好的飞边和更好的抗拉强度,焊合区的铝合金组织发生动态再结晶,晶粒细化,组织比基材更加致密,结合面两边互有元素扩散,焊合区显微硬度高于基材.经400℃×3 h退火处理的接头其抗拉强度提升明显,界面形成了不同的金属间化合物,扩散层厚度略有增加,显微硬度值有所下降.     

X52管线钢摩擦塞焊工艺与接头组织性能

在自主设计研制的摩擦叠焊系统上对X52管线钢进行了摩擦塞焊工艺试验。观察和测试了接头的微观组织和力学性能。结果表明,摩擦塞焊工艺获得的接头强度比母材高,拉伸断口全部位于远离焊缝的母材;随着离焊缝中心距离的减少,硬度值逐渐增加,在焊缝中心附近达到最大260HV;焊缝中心0℃冲击功为109J,略低于结合界面处的119J。与母材290J的冲击功实测值相比,接头韧性降低的原因是由于焊接热循环过程中在焊缝及热影响区产生了粗大的贝氏体等组织。     

TC17钛合金惯性摩擦焊接头组织特征分析

TC17是一种α β型钛合金,主要用于制造航空发动机整体叶盘、转子和大截面锻件.采用惯性摩擦焊工艺制造航空发动机压气机整体转子能够减少零件数量并有效地提高结构刚度.主要分析TC17惯性摩擦焊接头区组织特征,结果表明:接头组织为细晶区、变形晶区和热影响区,晶粒内部为残留的亚稳定β'相;焊接接头时效热处理后晶粒内部为细小的层片束初生α相、短小的次生α相和β相.     

Cu-Cr-Zr合金连续驱动摩擦焊接头热力演变

采用热电偶—蓝牙技术测量了Cu-Cr-Zr合金连续驱动摩擦焊接头特征点的温度,并研究接头温度与组织演变的关系. 结果表明,各特征点温度均存在一定程度的滞后现象;沿工件径向, 2/3R区温度最高;沿工件轴向,摩擦界面处温度最高;旋转工件的温度略低于移动工件. 在热力耦合作用下,接头焊合区形成细小的等轴晶粒,热力影响区晶粒被不同程度拉长,呈塑性流线.从轴心到外径动态再结晶区的宽度增加,晶粒粗化,而与其相邻的热力影响区径向塑性流动的趋势减小. 此外,与旋转端相比,移动端接头具有较高的峰值温度和再结晶峰值宽度,所对应的焊合区晶粒也较为粗大.     

材料流动对连续驱动摩擦焊飞边形成的影响

在建立了45钢环形结构件连续驱动摩擦焊的二维热力耦合有限元模型的基础上,研究了焊接过程中的温度场与材料流动对飞边形成的影响规律.结果表明,在摩擦阶段,材料主要沿轴向流动,而径向流动基本上为0;在顶锻阶段,在大的轴向顶锻压力的挤压作用下,摩擦面边缘及其附近的材料主要沿径向向摩擦面外流动并形成飞边,且飞边的尺寸与弯曲程度随焊接时间的增加而增加.同时,增加旋转频率以及轴向顶锻压力会导致飞边尺寸与弯曲程度的增加;基于飞边形貌给出了45钢环节结构件连续驱动摩擦焊的合理焊接工艺参数.     

热连轧Ti-Al-Nb-Zr-Mo系钛合金无缝管电子束焊组织和力学性能

采用真空电子束焊接工艺对热连轧成型的8 mm厚新型Ti-Al-Nb-Zr-Mo系钛合金无缝管进行了环缝焊接试验,并对焊接接头的微观组织和力学性能进行了测试分析。结果表明,该无缝管母材基体主要由初生α相、β转变组织和魏氏组织组成;焊接接头的熔合区由针状马氏体α′相、块状α相和魏氏组织组成,针状马氏体α′的尺寸从上至下逐渐减小;热影响区由初生α相和针状马氏体α′相组成。焊接接头显微硬度平均值大小依次为：熔合区>热影响区>母材,热影响区的显微硬度从近熔合区侧到近母材侧逐渐降低。焊接接头抗拉强度约为893 MPa, 断裂均发生在母材基体上,拉伸试样断后伸长率可达10%。熔合区的冲击功约可以达到母材的80%,弯曲试样弯曲角度可以达到180°并且无裂纹产生。     

1Cr18Ni9Ti连续驱动摩擦焊摩擦行为初步研究

在原有工艺资料的基础上对1Cr18Ni9Ti进行连续驱动摩擦试验,利用扫描电镜观察在不同摩擦速度下摩擦表面形貌,并测量其摩擦力矩变化,从而对其摩擦界面的摩擦行为和热塑性流动层氧化物的流动排除过程进行了分析.结果表明,当摩擦压力为450N、摩擦速度为1000 r/min时,摩擦界面能达到稳定的热塑性流动状态,摩擦力矩最大,但波动不大,且界面塑性流动层排除氧化膜碎片的能力最强;摩擦速度过大或过小都不利于破碎的氧化膜的排除.     

铝合金搅拌摩擦焊焊核紊流区及性能分析

采用搅拌摩擦焊方法对2219-T6铝合金进行焊接,对焊接接头的宏观形貌、微观组织、抗拉强度进行了分析,并通过对焊核塑性金属的流动状态进行分析,研究了搅拌摩擦焊接头强度弱化的原因. 结果表明,焊核根据流态可分为3个不同的区域,其中靠前进侧存在一个性能薄弱的B区域,该区的产生是抽吸挤压作用不平衡的结果,也是塑性金属向上回流通道. 该区具有较大的塑性损伤,易产生疏松缺陷及界面突变,晶粒具有较大的热不稳定性,是造成接头强度低于母材的主要原因之一. 通过高温短时的再结晶热处理工艺可以恢复该区域的强韧性,消除弱化问题.