焊接参数对TC4钛合金线性摩擦焊焊缝成形的影响

邢 丽，朱 蕾，杨剑赟，卜文德

（南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌330063）

0 引 言

线性摩擦焊（LFW）作为一种优质、高效、节能的固态连接工艺，具有焊接变形小、无污染等特点。与传统熔化焊相比，其焊缝窄且为锻造组织，避免了气孔、裂纹的出现；与其它摩擦焊如旋转摩擦焊相比，其应用范围更加广泛，可用于非圆形截面等不规则构件的焊接［1-3］。由于这些优势，线性摩擦焊技术在航空航天领域，尤其在发动机整体叶盘结构的制造中［4-5］具有广阔的应用前景。尽管线性摩擦焊能获得高质量的接头，但在焊接过程中，如果工艺参数选择不当，也会导致缺陷产生。

近年来，已有不少学者对线性摩擦焊工艺进行了研究。Wanjara等［6］发现，在频率为50Hz、振幅为2mm、摩擦压力为50MPa时，TC4钛合金线性摩擦焊接头的强度超过了母材；Vairis［7］等分析了高频率对钛合金线性摩擦焊接头质量的影响，认为高频率下需要采用较低的摩擦压力、合适的振幅才能保证热输入量适宜，得到较好的接头；Romero等［8］研究了摩擦压力对焊缝形态的影响，发现随摩擦压力的增大，焊缝及热影响区的宽度均有所下降。以上研究都是针对部分工艺参数对接头质量的影响，但关于工艺参数对焊缝形态有何影响，焊缝宏观形貌与缺陷之间的关系还很少有报道。

作者采用正交试验方法，对TC4钛合金进行线性摩擦焊试验，通过对焊缝横截面宏观形貌的观察，分析了摩擦压力、振幅、频率等参数对焊缝成形的影响，获得了焊接参数与焊缝成形的关系，并通过调整焊接参数获得成形优良的焊缝，避免了焊缝缺陷的产生，对线性摩擦焊的应用提供了参考依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为退火态TC4钛合金厚板，尺寸为45mm×18mm×10mm，其化学成分见表1。在XMH-160型线性摩擦焊机上进行线性摩擦焊，试验时一个试样固定，另一个试样相对固定试样做线性往复振动，通过摩擦产热使摩擦界面达到塑化状态，最后在摩擦压力的作用下形成接头，原理如图1所示。分别改变频率、振幅及摩擦压力观察参数变化对焊缝成形的影响，焊接时间为3s。

表1 TC4钛合金化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of TC4titanium alloy（mass） %

图1 线性摩擦焊示意Fig.1 Schematic diagram of linear friction welding

采用表2所示的三因素三水平正交表对TC4钛合金进行线性摩擦焊试验，以焊缝成形质量（好、一般、差）作为目标响应值，分别对焊缝成形进行评分。焊缝成形好、一般、差分别评价为30，20，10分。

焊后沿平行振动方向，在试样中部截取金相试样，如图2所示，将试样镶嵌、打磨并抛光后用Kroll’s试剂（100mL H2O＋2mL HF＋5mL HNO3）腐蚀，观察焊缝截面的宏观形貌。正交试验参数及结果如表3所示。

表2 正交因素-水平表Tab.2 Orthogonal factor-level table

图2 金相试样截取示意Fig.2 Schematic diagram of metallographic specimen interception

2 试验结果与讨论

2.1 焊缝的宏观形貌

图3分别为三种焊缝的宏观形貌，图中Z侧为振动端，J侧为静止端，点画线为焊缝中心。由图3（a）可见，焊缝的中部窄，两端宽，以焊缝中心线为对称中心，呈“X”型；此外，从飞边形貌可看出，塑性金属是在挤压力的作用下，由中部被推挤至焊缝两侧的，这种条件下挤压出的飞边较大。由图3（b）可见，焊缝的中部及两侧宽度较为一致，以焊缝中心线为对称中心，呈“I”型；塑性金属并不是由中部推挤至两侧，而是类似于摩擦面塑性金属整体滑移出界面，因此飞边较为细窄，飞边的顶端也较尖。由图3（c）可见，焊缝一端宽、一端窄，以焊缝中心线对称，呈“V”型；与图3（a），（b）相比，飞边形貌明显不对称，大量塑性金属向一侧堆积，另一侧仅有少量挤出，挤出的塑性金属在焊缝外也未相互连接。

2.2 目标值极差

图3 三种焊缝的宏观形貌Fig.3 Macrograph of three types of weld：（a）“X”type；（b）“I”type and（c）“V”type

表4 焊缝成形评分的极差统计Tab.4 Range statistics of weld formation rating

根据正交试验的结果，计算每个因素各个水平下单个目标值的均值，进行极差统计，结果如表4所示。极差最大的列，其对应的因素对焊缝成形的影响最大。所以，因素A即摩擦压力对焊缝成形的影响最大，然后依次为因素C（频率）和B（振幅）。优化工艺参数分别为：摩擦压力60MPa，振幅3.0mm，频率30Hz或35Hz。

2.3 焊接工艺参数对焊缝成形的影响

由图4（a）可见，随着摩擦压力的增大，焊缝成形评分先降低后提高，当摩擦压力为55MPa时，焊缝成形评分最低。这是因为在线性摩擦焊过程中，两工件刚接触时，试样的粗糙峰会迅速嵌入对方，产生塑性变形；当大部分粗糙峰在轴向压力作用下消失时，接触面积急剧增大而产生瞬时高温，材料发生塑化，结合面被一层高温粘塑性金属覆盖（塑性层），两侧工件的相对运动发生在这层粘塑性金属内部，产热机制由初始的摩擦热转变为塑性变形热，进入内摩擦阶段，轴向载荷提供的摩擦压力促使塑性金属流动，其振幅与频率则维持热输入量。因此，当振幅与频率适中，采用较小的摩擦压力时，热输入量较为适宜，焊缝成形较好；随着摩擦压力的增大，焊缝成形变差；当摩擦压力继续增大时，结合面在高能量的作用下，焊缝中部及两侧的金属几乎同时达到完全塑性状态，在轴向压力及剪切力的作用下，焊缝金属同时流动，因此焊缝成形也较好。

由图4（b）可见，随着振幅的增大，焊缝成形评分先提高后降低，在振幅为3mm达到最佳。在摩擦压力和频率适中的情况下，采用较小的振幅时，结合面塑性金属的流动距离缩短，氧化物或杂质缺陷不易排出，因此焊缝成形较差；当振幅过大时，结合面接触空气面积增大，焊缝温度较低，会形成有缺陷的“V”型焊缝。

由图4（c）可见，当频率较小时焊缝成形评分较高，随着频率的增加，焊缝成形评分逐渐降低。这是因为在摩擦压力和振幅适中的情况下，频率较小时，虽然热输入量不高，但热损失也小，塑性金属的流动性较好，焊缝成形情况较好；当频率过大时，结合面与周围空气的对流增强，热量损失较大，焊缝温度降低，影响焊缝成形。

图4 焊接参数对焊缝成形的影响Fig.4 Effect of friction pressure（a），amplitude（b）and frequency（c）on weld formation

3 结 论

（1）对TC4钛合金进行线性摩擦焊时，焊缝的宏观形貌分为“X”型、“I”型、“V”型，摩擦压力对焊缝成形的影响最大，其次为频率和振幅；在其它条件相同的情况下，振幅减小使焊缝区变窄，同时会降低焊缝塑性金属的流动性，焊缝成形较差；当摩擦压力增幅小于振幅的增幅时，有利于得到成形较好的焊缝；频率增大时匹配大振幅虽能使热输入升高，但热损失也较大，不利于得到成形良好的焊缝。

（2）要获得成形良好的焊缝需提高摩擦压力，在保证热输入量适中的情况下应采用较大的摩擦压力。

［1］许全周.45钢线性摩擦焊接头温度场数值模拟与实验验证［D］.西安：西北工业大学，2008.

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［3］王远会，黄春平，陈文亮，等.航空发动机铝合金叶片的搅拌摩擦焊［J］.机械工程材料，2013，37（7）：10-13.

［4］张田仓，韦依，周梦慰，等.线性摩擦焊在整体叶盘制造中的应用［J］.航空制造技术，2004，15（6）：56-58.

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