齒根角度對鈦/鋼攪拌摩擦焊嚙合接頭成形的影響

余貴峰

（中國核工業二三建設有限公司，北京 100000）

1 概述

1.1 選題的依據及意義

鈦合金密度低、強度高，耐高溫且抗腐蝕性好；鋼同樣屬于輕質高強材料，且塑性韌性好，鈦/鋼異種金屬的有效連接在發揮材料各自優點的同時，極大地提高了材料的利用價值。在航天航空領域異種金屬導管結構廣泛采用了鈦合金與不銹鋼，目前連接方式采用機械連接加密封膠脂的組合方法，密封度低、接頭性能不良，導管結構內部易侵入密封物質。針對鈦/鋼異種金屬的連接專家學者探索了如擴散焊、激光焊、電子束焊等各種先進焊接方法，未能解決接頭界面處金屬間化合物的產生，且設備、工藝等因素影響焊接接頭尺寸及性能，制約了鈦/鋼復合構件的廣泛應用。20 世紀90 年代發明的攪拌摩擦焊克服了異種材料的物理性能差異，保持在塑性狀態不被熔化。但傳統的攪拌摩擦焊過程中，對接接頭材料混合程度較差，接頭力學性能不佳。

本研究探索一種新的攪拌摩擦焊方法，即對接接頭設計成鋸齒狀嚙合對接，以增加材料的混合互鎖程度，提高接頭的強度。鋸齒的參數對接頭的強度也有著重要的影響，研究齒根角度對嚙合對接接頭力學性能的影響，為異種金屬復合結構攪拌摩擦焊的應用奠定理論和實驗基礎。

1.2 國內外研究現狀

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是由Thomas 等基于摩擦焊原理發明的一種新式焊接技術[1-2]。不同于傳統的焊接方法，FSW 屬于固相焊接技術，焊前無需復雜的焊前處理，焊接過程中不發生材料的熔化，也不需要填充材料、保護氣體，具有焊接變形小、能源消耗低、環保性能好等優點，不會出現常見的裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。因此，作為一種理想的綠色連接技術，FSW 成為焊接史上自開發到實際應用時間最短、發展最快的一種連接技術，受到世界各國焊接界的重視[3-4]。

Liao 等[5]在水冷和氬氣保護氣氛下對工業純鈦和結構鋼進行了攪拌摩擦搭接焊接，界面處α 鈦和鋼以漩渦形態混合，混合區還伴有微小的Fe-Ti 金屬間化合物顆粒與片層狀β 鈦生成，在微觀混合區附近，鈦和鋼的晶粒尺寸細化，接頭的拉伸剪切強度較高。

Gao 等[6]通過控制攪拌針長度對鈦/鋼搭接接頭的攪拌摩擦焊接連接界面進行觀察，攪拌針長度為0.9 mm 和1.0 mm 時，接頭成形良好。當攪拌針長度為0.9 mm 時，界面清晰，只生成了50～100 nm 厚的中間層，中間層成分為β-Ti＋FeTi 金屬間化合物；當攪拌針長度為1.0 mm 時，界面發生混合，呈層片狀結構，包含100 nm 厚的FeTi 或FeTi＋Fe2Ti 金屬間化合物層和1 μm 厚的β-Ti 層。拉伸試驗過程中，兩者都斷裂在CP-Ti 母材處，但是，后者焊縫硬度要顯著大于前者以及母材，而前者焊縫硬度較低，與鋼的硬度幾乎持平。

鈦/鋼異種金屬攪拌摩擦焊研究多為CP-Ti，在工程上應用意義不大，所得到的接頭的強度也不高，不能滿足工程應用的需求。Chen 等[7]認為鋸齒狀金屬間化合物對裂紋起釘扎左右，不利于裂紋的擴展，可提高接頭的強度。同時，接頭成鋸齒狀嚙合對接，前進邊和返回邊交替互換，有助于異種材料的混合，機械互鎖程度增加，從而提高接頭強度。受此啟發，對鈦/鋼異種金屬攪拌摩擦焊嚙合對接的接頭進行研究。

1.3 研究內容

本研究選用Ti3Al4V 鈦合金和AISI 4340 鋼作為實驗材料，將兩種材料邊緣切成鋸齒狀，然后進行嚙合對接，研究不同齒根角度（0°、30°、60°、75°）對焊縫宏觀成形及顯微結構的影響。

2 試驗條件和方法

2.1 試驗條件

2.1.1 試驗材料

試驗采用Ti3Al4V 鈦合金和AISI 4340 鋼。鈦合金試板尺寸為175 mm×42 mm×2 mm，鋼試板尺寸為175 mm×56 mm×2 mm，其主要化學成分見表1和表2。攪拌摩擦焊接示意圖如圖1 所示。

表1 Ti6Al4V 主要化學成分（wt/%）

表2 AISI 4340 主要化學成分（wt/%）

圖1 攪拌摩擦焊示意圖

2.1.2 試驗設備

試驗設備采用由X53K 立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機，其具有操作簡單、穩定性高等優點。

2.2 試驗方法

2.2.1 焊前材料處理

為保證焊縫成形質量，焊前處理是一個很重要的環節，具體分如下步驟：

（1）鋸齒切割

將兩塊板邊緣搭接在一起，進行電火花線切割，以確保焊后鋸齒能緊密嚙合。

（2）機械清理

用砂紙仔細打磨鈦合金與鋼對接區域，去除表明氧化膜。

（3）物理清理

用無水乙醇去除鈦合金、鋼兩側的手印、灰塵等，再將試樣放在盛滿丙酮的燒杯中，進行超聲清洗，去除表面油污，然后用吹風機吹干備用。

2.2.2 攪拌頭設計

在本研究的試驗中，攪拌頭采用的是鎢錸合金。攪拌頭軸肩直徑為Φ14 mm，攪拌針為無螺紋錐形攪拌針，其形狀及尺寸如圖2 所示。

圖2 攪拌頭形狀及尺寸（mm）

2.2.3 焊接試驗方法

本研究采用的焊接形式為嚙合對接，鋼置于前進側，鈦合金置于返回側，如圖1 所示。參考前人的研究結果可知，焊接鈦/鋼異種金屬時，接頭中產生的金屬間化合物會顯著降低接頭的承載能力。在焊接熱輸入較大的情況下，接頭中脆性金屬間化合物的數量和厚度都會顯著增加。因此本研究中對焊接鈦/鋼異種金屬的焊接工藝參數進行了優化。選擇焊接速度為60 mm/min，攪拌頭轉速為750 rpm。研究的工藝變量為齒根角度，分別為0°（即對接）、30°、60°、75°。

3 研究結果及分析

3.1 焊縫宏觀形貌

攪拌頭轉速為750 rpm，焊接速度為60 mm/min，由圖3 可看出：當齒根角度為0°（圖3a）時，攪拌針偏向鋼側，焊接過程的攪拌摩擦產熱促使攪拌頭周圍的材料產生塑性變形，變形材料在攪拌頭的旋轉作用下形成表面平整光滑的焊縫，且魚鱗狀環紋相對較為清晰光滑，相對齒根角度60°（圖3c）、75°（圖3d），具有更小的環距。齒根角度60°和75°焊縫表面凹凸不平，非常粗糙，尤其是當齒根角度為30°（圖3b）時，表面出現許多微小的孔洞與毛刺，且魚鱗狀環紋的間距及弧線大小極不均勻，分析認為由于嚙合接頭的特點，鈦和鋼側的鋸齒互相插入對方的母材當中，當鈦側鋸齒與軸肩接觸面積較大時，軸肩與材料的摩擦力變大，熱輸入也跟著變大，表面材料的流動性變強，環紋以及環紋間距會變細變小；反之，當鋼側鋸齒與軸肩接觸面積較大時，熱輸入相對變小，環紋以及環紋間距則變粗變大，從而形成手感極不均勻的焊縫表面。此外，還可能由于攪拌針在鈦側的過量攪拌摩擦行為使焊接過程中產熱過多，導致變形材料黏度降低，無法形成連續的塑性流動層，攪拌頭行進的空腔得不到有效填充，造成焊縫表面毛刺、飛邊、孔洞等缺陷的產生。隨著齒根角度的增加，焊縫表面成形質量逐漸好轉，表面粗糙度降低，毛刺與表面微孔減少，但是飛邊量增加。分析認為可能是由于齒根角度變大，鋸齒分布更為密集，接頭微區材料預置更加均勻，使得焊接過程中熱量的產生較為均勻，從而使得焊縫表面粗糙度降低，飛邊的產生則可能是由于焊接速度與攪拌頭轉速匹配不當引起的。

圖3 焊縫表面成形

3.2 焊縫橫截面形貌及顯微結構分析

攪拌頭轉速為750 rpm，焊接速度為60 mm/min，整個試驗在氬氣保護環境下進行。當鈦鋼進行對接時，表面出現灰色的變色部分，表明由于熱輸入較大，接頭發生高度氧化或氮化。圖4 為齒根角度0°下接頭橫截面微觀形貌。整個攪拌區中，自上而下鈦鋼混合極不均勻，在上表層附近約0.5 mm 厚的區域，如圖5 所示，鈦鋼混合極為均勻，且生成了大量金屬間化合物。分析認為，對接界面上部距離攪拌頭軸肩部分較近，攪拌頭的高速旋轉運動使得對接界面兩側異種材料發生機械混合和相互遷移，且由于熱輸入較大，鈦/鋼原子相互擴散，甚至發生冶金結合。在攪拌區中部及底部區域，材料雖發生塑性流動，但在前進側和后退側均有許多大塊金屬殘留，殘料未發生有效混合，只是在攪拌作用下，一些細小的金屬顆粒剝落，并混合到對方金屬中。在圖4中的C 區域，其放大后的顯微結構如圖5（C）所示，也是焊核的所在位置，表層金屬被帶到鈦側時，受軸肩的擠壓作用，流入鈦/鋼界面及鈦合金內部，并在微觀上以機械互鎖的形式結合。對圖4 中的B 區域進行放大，如圖5（B）所示，鈦側連接界面顯然是以冶金的方式結合，界面處生成了金屬間化合物。

圖4 齒根角度0°下接頭橫截面微觀形貌

圖5 0°下接頭橫截面微觀形貌中各區的顯微組織

從圖6 中可看出，當鋼與鈦合金進行嚙合對接，齒根角度為30°時，可能由于下壓量過大，表面金屬大量流失，形成飛邊。前進邊和后退邊均沒有大塊金屬殘留，攪拌區金屬混合較為均勻，焊核區域較大，并出現許多孔洞和橫向裂紋，如圖7（A）(B)所示。分析認為，當齒根角度為30°時,鋸齒相對較為粗大,整個焊接過程中,過量的鈦側攪拌使焊縫產熱較多,焊核區無法形成較為連續的熱塑性流動層,導致焊核區內產生較多分散型孔洞。橫向裂紋則從軸肩熱影響區底部開始延伸至焊縫底部，幾乎貫穿整個焊縫，至于其形成原因目前尚不清楚。對圖6 中的B 區域進行顯微觀察，如圖7（C）所示，鈦/鋼連接界面處并未生成大量金屬間化合物，而是形成了40 μm 左右的擴散層，實現了有效的擴散連接。分析認為，界面位于兩側的異種材料只受到攪拌針的攪拌作用和加工區塑變潛熱的影響，而不受軸肩摩擦熱的作用，使得Ti/Fe 原子相互混合、擴散和固溶，但并不發生冶金反應。

圖6 齒根角度30°下接頭橫截面微觀形貌

圖7 30°下接頭橫截面微觀形貌中各區的顯微組織

從圖8 中可看出，當齒根角度為60°時，焊核區域增大，材料混合更為均勻，對圖8 中的D 區域進行放大，其顯微結構如圖9（D）所示，形成一層一層條帶狀的組織，中間還夾雜著許多金屬顆粒，且由于熱輸入較大，攪拌區還生成了許多金屬間化合物。從圖中還可以明顯觀察到大塊金屬并未發生很大的塑性變形，而是殘留在焊核中，分析認為可能是由于鋸齒在攪拌過程中還未發生塑性變形，就被切削掉落在焊縫中。殘留的大塊金屬同時還阻礙了其他金屬的塑性流動，金屬難以繞過塊狀金屬而完全填充其后部分的空間，從而在其后方或下方形成孔洞，如圖9（B）所示，塑性金屬從左右兩個方向流動匯聚到大塊金屬顆粒的后方，并形成孔洞。但是整個焊縫中只有這一個孔洞，并沒有出現諸如齒根角度為30°時的分散型孔洞，且裂紋消失。此外，焊縫中還形成了許多如圖9（A）所示的機械互鎖結構。如圖9（C）所示，對鈦/鋼界面進行觀察，界面處為冶金結合。

圖8 齒根角度60°下接頭橫截面微觀形貌

圖9 60°下接頭橫截面微觀形貌中各區的顯微組織

從圖10 中可看出，當齒根角度為75°時，材料混合極為均勻，如圖11（A）所示，焊縫金屬發生塑性流動，從上而下組織極為均勻，沒有塊狀金屬殘留，孔洞和裂紋消失。分析認為，當齒根角度為75°時，鋸齒嚙合較為密集，預置均勻度較大，且鋸齒較細，不會出現某種金屬與軸肩過量摩擦的情況，所以在焊接過程中的溫度變化較為均勻。對鋼側連接界面與鈦側連接界面進行觀察，分別如圖11（B）、（C）所示。在鋼側界面，界面處發生冶金結合；而在鈦側界面，界面產生了150 μm 厚的形變層，且界面疑似為擴散結合。

圖10 齒根角度75°下接頭橫截面微觀形貌

圖11 75°下接頭橫截面微觀形貌中各區的顯微組織

4 結論

本文主要研究了鈦/鋼鋸齒狀嚙合對接攪拌摩擦焊實驗中，齒根角度對焊縫成形及顯微結構的影響，并與普通對接進行比較，得出以下結論：

（1）與普通對接相比，鋸齒狀嚙合對接所得到的焊縫表觀形貌較差，表面極為粗糙，且出現許多毛刺、飛邊等缺陷。

（2）普通對接時，焊核較小，除表層軸肩影響區材料混合較好外，焊縫內部材料混合很差，前進側和后退側均有大塊金屬殘留。隨著齒根角度的增加，材料混合的均勻程度越好。

（3）當齒根角度為30°時，焊縫中出現裂紋和分散型孔洞；當齒根角度為60°時，裂紋消失，孔洞減少；當齒根角度為75°時，焊縫中未發現裂紋和孔洞，得到了成形良好的接頭。

（4）鈦、鋼界面的結合方式為冶金結合，靠近界面下部則出現了擴散結合。隨著齒根角度的增加，機械互鎖程度增加。