超聲沖-滾處理工業純鈦焊接接頭摩擦學性能研究*

(西安建筑科技大學冶金工程學院 陜西西安 710055)

工業純鈦由于韌塑性好、焊接性能優異，近年來在石油化工行業中得到越來越廣泛的應用[1-2]。目前，對于工業純鈦焊接接頭的研究主要集中在焊接工藝、組織分析及機械強度等方面[3-5]，對磨損性能方面的研究報道較少。由于純鈦存在硬度低、耐磨性能差，在摩擦時易產生黏著磨損[6-8]，且焊接接頭區域組織不均勻，在實際應用中對整體結構件的性能影響較大。因此，對于鈦材焊接接頭區域的強化處理和摩擦磨損性能的研究很有必要。超聲沖擊處理由于操作靈活，設備簡單，同時能夠在金屬材料表層形成較高的殘余壓應力，成為理想的材料表面強化處理手段[9-11]。但由于作業過程中沖擊針頭易受到阻力而發生卡頓，單次沖擊覆蓋率較低，同時針頭的強烈沖擊還會明顯地增大接頭表面的粗糙度，在接頭處催生缺陷甚至產生廢品。

本文作者在普通針式超聲沖擊處理的基礎上，提出了一種超聲沖-滾處理方法(Ultrasonic Impact-rolling)，對沖擊針頭進行了改進，改變原有的沖擊方式，使針頭與材料在水平方向上的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，在獲得更低表面粗糙度的同時降低沖擊產生溫度，使得處理后的焊縫組織更均勻，整體性能更好。文中通過實驗測定了不同超聲沖-滾工藝處理后工業純鈦焊接接頭磨損質量損失和摩擦因數的變化，得出試樣耐磨性的變化規律，并對實驗結果進行了分析，為工業純鈦焊接接頭性能優化提供理論參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為TA2工業純鈦焊接接頭，鈦板厚度為10 mm，其化學成分如表1所示。

表1實驗用TA2的化學成分(質量分數)

Table 1 Chemical composition of TA2%

元素質量分數元素質量分數Fe≤0.30H≤0.015Si/O≤0.25C≤0.10TiBalN≤0.05

1.2 材料焊接與制備

焊接方式采用鎢極氬弧焊TIG技術，氬氣純度為99.99%(質量分數)，焊前對鈦板進行清潔處理，干燥后進行焊接。焊后切割焊接鈦板，沿焊縫方向取30 mm切成150 mm×30 mm×10 mm的板條試樣。試樣切割后用丙酮清洗并吹干。

1.3 超聲沖-滾處理設備與工藝

圖1示出了超聲沖-滾處理裝置的結構，實驗中，沖-滾頭均垂直于試件焊縫并沿焊縫方向以一定速度在接頭表面滾動前進，并沿焊縫往復沖滾進行全覆蓋處理。通過改變實驗電流與時間確定超聲沖-滾實驗的最佳工藝條件。參考預實驗的實驗結果，最終確定實驗電流參數為1、1.5 A，處理時間參數為3、6、9 min。

圖1 超聲沖-滾處理裝置結構

1.4 性能測試

采用LEXT OLS4000激光共聚焦掃描顯微鏡對沖-滾處理后工業純鈦焊縫區表面粗糙度進行測定,采用401-MVD維氏硬度計測定各試樣顯微硬度，測試施加力為1 N，保壓10 s。

沿焊接試樣焊縫中線切割出摩擦磨損試樣，其尺寸為10 mm×10 mm×5 mm。摩擦磨損實驗在HT-1000型摩擦磨損實驗機上進行，溫度為室溫，載荷為3 N，試樣盤轉速為224 r/min。配副球為直徑5 mm的GCr15鋼球，球在盤上的磨痕軌跡半徑為3 mm。實驗前后用超聲波清洗試樣5 min，并分別稱量其磨損前后的質量。每個試樣稱量3次并取平均值，精確到0.01 mg。采用TESCAN VEGAⅡ XMU型掃描電子顯微鏡觀測各試樣的磨損表面形貌。

2 實驗結果與分析

2.1 微觀組織結構與XRD分析

對不同超聲沖-滾工藝處理的工業純鈦焊接接頭進行金相組織觀察，如圖2所示。可以看出，超聲沖-滾處理后工業純鈦焊接接頭的表面形成了一定厚度的變形層，這是由于材料表面在沖-滾作用下發生了嚴重的塑性變形，存在大量細小的孿晶，加之位錯的不斷交割、纏結，在金相組織照片中呈現較為深暗的顏色，表層晶粒的晶界已經變得模糊不清，難以分辨；在劇烈塑性變形區與基體之間的過渡區，塑性變形程度開始降低，孿晶數量減少，交割程度減緩，晶粒也逐漸可以辨認；在基體區，組織形貌逐漸變得清晰，母材區域為取向隨機的等軸晶粒，而焊縫區域為焊后凝固形成的粗大組織。電流為1 A時，變形層厚度隨處理時間的延長增加較為明顯；當電流為1.5 A時，隨著處理時間的延長變形層厚度增加減緩，在處理9 min時變形層厚度約為320 μm。

圖2 超聲沖-滾處理工業純鈦焊接接頭橫截面金相組織

圖3示出了各焊縫區試樣的XRD衍射圖譜。經超聲沖-滾處理，圖譜中的特征峰發生了不同程度的弱化與寬化，各衍射峰向大衍射角方向發生了略微的偏移。分析認為，衍射峰峰型的變化主要受到材料內晶粒細化與晶格畸變兩個因素影響。

圖3 不同處理工藝下工業純鈦焊接接頭XRD衍射圖譜

由于受到劇烈塑性變形的影響，晶粒內部產生應力，片層間距減小，特征峰向大角度偏移，當發生X射線衍射時，接收到的X衍射光強度有所下降，導致衍射峰強度降低[12]。采用jade軟件計算出表層晶粒尺寸，當電流為1 A時，處理3、6、9 min后晶粒尺寸分別為150.2、103.5、78.9 nm，微觀畸變量約為0.1%～0.25%；電流為1.5 A時，處理3、6、9 min后晶粒尺寸分別為118.0、82.3、72.6 nm，畸變量升高至0.2%～0.5%，即沖擊能量的增加將會導致晶粒內部發生更為嚴重的塑性變形。

2.2 表面粗糙度

圖4、圖5分別示出了不同超聲沖-滾工藝處理下試樣表面三維形貌及表面粗糙度值。可見，處理后試樣表面的粗糙度都有不同程度的增加，這是由于沖-滾處理對材料表面的強烈沖擊，形成凹坑導致表面不平度增加，因而表面粗糙度有所提高。分析認為，在1 A的處理工藝下，由于沖擊電流較小，沖擊強度較弱，材料表面硬度較小，表面粗糙度較低；在處理初期，因處理時間短，沖擊覆蓋率低，致使材料表面產生起伏較大的凹坑包絡面，粗糙度迅速增大；隨處理時間的增加，沖擊覆蓋率提高，凹坑包絡面重合范圍增大，表面加工硬化加強，使得表面起伏變低，粗糙度降低。隨處理電流的增大，對材料表面造成的沖擊能量越大，表面的粗糙度也隨之增大。

圖4 不同處理工藝下工業純鈦焊接接頭表面三維形貌

圖5 不同處理工藝下工業純鈦焊接接頭表面粗糙度值

2.3 表面顯微硬度

由圖6所示的不同處理工藝下工業純鈦焊接接頭焊縫區表層顯微硬度值可以看出，超聲沖-滾處理后焊接接頭表層硬度值都有顯著的提升。未處理試樣的硬度值約為HV146.6 ，隨處理電流的增強及時間的延長，硬度值逐漸增加。當超聲沖-滾工藝參數為1.5 A、9 min時，其硬度值提升至HV312.8，較未處理材料提高了113.4%。硬度的提升主要是由晶粒細化與形變強化共同引起，材料表面受到高應變速率與大形變量影響，孿晶不斷由小角度晶界向大角度晶界轉變，形成更為細小的晶粒，晶粒的細化致使晶界迅速增長并對位錯的運動形成阻力使其大量塞積與纏結，使得該區域變形抗力增大，塑性變形困難，表現為硬度值的提高。

圖6 不同處理工藝下工業純鈦焊接接頭焊縫區表層顯微硬度值

2.4 摩擦磨損性能

圖7所示為各試樣摩擦因數隨磨損時間的變化曲線，可見，沖-滾處理后的焊縫區試樣的摩擦因數穩定值均低于未處理試樣，其中電流為1 A時較1.5 A獲得了更低的摩擦因數，1 A、9 min處理工藝得到的試樣減摩效果最好，摩擦因數穩定在0.33左右。各試樣的摩擦因數隨時間的變化趨勢基本相似，在早期磨合階段，摩擦因數呈現出先減小后增大的趨勢。初始摩擦因數較高，這是因為工業純鈦焊縫區表面硬度相對較低，硬度高的GCr15球配副迅速使鈦表面磨損，且由于初始試樣表面粗糙度的存在，試樣與GCr15球接觸面積小，相對運動時產生的切削力較大；隨磨合的進行，摩擦表面的尖銳峰被磨平，實際的接觸面積逐漸增大，表面應力減小，磨損減緩，少量脫落磨粒的滾動對接觸面起到了一定的潤滑作用，部分滑動摩擦轉化成了滾動摩擦，摩擦因數減小至極小值；隨著磨損時間的延長，磨屑逐漸增多，磨粒的滾動受阻，摩擦因數逐漸增大；這一過程在磨屑足夠多時達到了平衡，摩擦因數趨于穩定，進入穩定磨損階段。

圖7 不同處理工藝下焊接接頭焊縫 區摩擦因數隨磨損時間的變化

由圖7還可以看出，在早期磨合階段，超聲沖-滾處理后試樣摩擦因數極小值出現的時間均較未處理試樣遲且摩擦因數增加的速率更小。分析認為，摩擦因數極小值出現的時間與磨屑的大小有關，在相同載荷下較小粒徑的磨粒對試樣表面壓痕較淺，切削程度較弱，極小值出現的時間較晚。隨著磨損的進行，相互作用較為劇烈的兩摩擦界面更能快速達到一個穩態，即磨損越嚴重，摩擦因數增加的速率越大[13]。

圖8所示為不同沖-滾工藝試樣的磨損質量損失?？梢钥闯?，經超聲沖-滾處理后，試樣磨損量均有不同程度的降低，且在低的處理電流下獲得更低的磨損量，這與圖7中摩擦因數的變化一致。這是由于沖-滾處理試樣表面硬度值的提升，試樣的耐磨性增強，在1 A、9 min的處理工藝下，由于試樣獲得了較小的表面粗糙度[14]和較高的表面硬度，表現為試樣的磨損量小且獲得了更低的摩擦因數，可認為是最優的工藝參數。由此可以看出，沖-滾處理在電流較小的情況下，即可實現對材料均勻有效的強化。

圖8 不同處理工藝下焊接接頭焊縫區磨損質量損失

圖9所示為各試樣表面磨損形貌SEM照片?？梢钥闯?，磨損機制主要表現為嚴重的磨粒磨損和塑性變形，未處理的焊接接頭試樣磨損形貌還伴有較為嚴重的黏著磨損。沖-滾處理后試樣磨損形貌較未處理試樣磨痕更淺，磨損程度下降。由于對摩面上的微凸體或硬質磨屑在摩擦過程中脫落，在磨損區犁削表面形成較深的溝槽，表面材料向溝槽兩側產生塑性流動，發生較大的變形。如此反復變形，引起材料表面加工硬化和氧化，使裂紋逐漸形核和擴展，最終造成材料從表面脫落。與未處理的試樣磨損相比，處理后試樣脫落的磨屑尺寸較小，因而磨損量小，這與磨損量和摩擦因數的變化也比較一致。分析認為，由于超聲沖-滾處理后的焊接接頭試樣表層晶粒尺寸明顯降低，晶粒細化使得材料強韌性增加，表層與次表層的變形協調性增強，開裂傾向減弱[15]。同時材料硬度的提高使得塑性破壞所產生的微小磨粒壓入表層的深度小，裂紋在表面下較淺處形核，且裂紋擴展的速度低，因此磨粒較小，從而明顯減弱材料表面的磨損效應。

圖9 不同處理工藝下焊接接頭焊縫區磨損表面SEM形貌

3 結論

(1)通過對工業純鈦焊接接頭進行超聲沖-滾處理，材料表面形成了一定厚度的變形層，表層晶粒被細化。在處理工藝為1.5 A、9 min時變形層厚度達到約320 mm，晶粒細化至72.6 nm，且表層顯微硬度提升至HV312.8，提升效果最為明顯。

(2)超聲沖-滾處理試樣表面粗糙度值較未處理試樣表面有所提高，電流為1 A時粗糙度增加程度較小。在處理參數為1 A、9 min時，試樣的摩擦因數及磨損量最小，磨痕更淺，摩擦表面也更平整，摩擦磨損性能有明顯的提升，為最優處理工藝。

(3)工業純鈦焊接接頭焊縫區磨損機制為磨粒磨損和黏著磨損共同作用，超聲沖-滾處理減弱了材料表面的磨損程度。