不同焊接參數和熱處理溫度對TA1鈦板攪拌摩擦焊接頭顯微組織與力學性能的影響分析

韓坤炎，陳元園，張樂，馮慶，王思琦

1.西安泰金新能科技股份有限公司 陜西西安 710201

2.西北有色金屬研究院 陜西西安 710201

1 序言

TA1屬于α相工業純鈦，由于其密度小、熔點高且耐蝕性強，因此具有良好的力學性能和加工性能等優點，已經被廣泛應用于航空航天、船舶等領域中，但是這些產品的大規模應用都需要焊接，一般采用氬弧焊和攪拌摩擦焊等方式進行[1-3]。氬弧焊焊接熱量大，會使晶粒粗大，不利于焊接接頭強度和塑性；攪拌摩擦焊具有良好的焊接效果，焊接接頭熱影響區的顯微組織變化小，焊接工件不易變形，且不用焊絲，焊縫雜質元素少，但是焊縫位置存在嚴重擠壓，使得焊縫因殘余應力過大而影響試件力學性能。

本文使用3種不同攪拌摩擦焊工藝參數對6mm的TA1鈦板進行了雙面焊接，研究發現，當轉速為150r/min、焊接速度為50mm/min時，可以得到無缺陷的試件，但是試件伸長率遠低于母材。因此對轉速150r/min、焊接速度50mm/min 的試件，進行了600℃保溫3h后爐冷、650℃保溫3h后爐冷、700℃保溫3h后爐冷的3種焊后熱處理工藝。結果表明，650℃保溫3h后爐冷的焊后熱處理工藝會使攪拌摩擦焊試件伸長率顯著變高，強度、硬度基本接近母材。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗材料選用6m m厚T A1鈦板，試板尺寸為100mm×500mm。焊接前對兩對接面進行打磨，并用酒精擦拭去除雜質。攪拌頭材料為鎢錸合金（鎢含量95%，錸含量5%），攪拌摩擦頭直徑為15mm。焊接設備為北京賽福斯特技術有限公司制造的小型攪拌摩擦焊機，攪拌頭傾角2.5°，使用氬氣作為保護氣體，采用攪拌摩擦焊對其進行雙面焊接，鈦板化學成分見表1，焊接參數見表2。

表1 鈦板化學成分（質量分數）（%）

表2 攪拌摩擦焊焊接參數

2.2 顯微組織

分別采用240#、600#、1200#、2000#砂紙對試樣進行打磨處理和機械拋光后，用腐蝕液[HF∶HNO3∶H2O＝1∶2∶50（體積比）]腐蝕樣品10s后，利用 OLYMPUS PMG3倒置式顯微鏡觀察微觀組織形貌，并運用Nano Measurer 1.2軟件進行晶粒尺寸統計。

2.3 硬度測試

由于試件尺寸太大，因此將試件切割成30m m×10m m×3m m的樣品。采用上海敏新檢測儀器有限公司生產的M H V-50顯微維氏硬度計對樣品進行硬度檢測。檢測之前，對檢測面（30mm×10mm）經240#、600#、1200#、2000#砂紙打磨處理，然后通過機械拋光獲得光亮表面，選取每個試樣中心作為參考坐標原點，在此進行3×3陣列的取點測試，顯微硬度測試參數為：載荷500gf（4.9N），保壓時間為10s。

2.4 拉伸試驗

拉伸試驗按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，拉伸試樣尺寸如圖1所示，拉伸試驗設備是美特斯工業系統（中國）有限公司生產的E45.305微機控制電子萬能試驗機，對其進行3mm/min的室溫拉伸。

圖1 拉伸試樣尺寸

2.5 電鏡測試

利用日本電子株式會社生產的JSM-IT200SEM掃描電鏡對拉伸試樣斷口進行觀察。

3 結果與分析

3.1 宏觀形貌

不同焊接參數下攪拌摩擦焊試件宏觀形貌如圖2所示。常溫下純鈦的焊接很穩定，但是隨著溫度的上升，鈦金屬吸收H2、O2、N2的能力增加。由圖2a、b可看出，當采用轉速150r/min和焊接速度100mm/min時，焊縫表面存在溝槽缺陷，這是因為焊接速度過快，材料來不及填充攪拌頭前進留下的空腔[4，5]；由圖2c、d可看出，當采用轉速200r/min和焊接速度50mm/min時還會伴隨有較大飛邊的出現，這是因為下壓量過大；觀察圖2e、f，當采用轉速150r/min和焊接速度50mm/min時，焊接接頭無缺陷。

圖2 不同焊接參數下攪拌摩擦試件宏觀形貌

3.2 橫截面形貌

不同焊接參數下焊接接頭橫截面形貌如圖3所示。從圖3a可看出，橫截面存在直徑為1mm的小孔，這是因下壓量過小而產生的，在焊接過程中，由于攪拌針的長度不變，當下壓量不足時，攪拌針尖端與試板背部間距較大，因此會存在這種未焊透缺陷；圖3b橫截面存在直徑為0.1mm的裂縫，這是因下壓量過大而產生的[6，7]，下壓量過大使得擠壓變形嚴重，造成開裂；從圖3c可看出，當轉速為150r/min、焊接速度為50mm/min時，焊縫橫截面完好。

圖3 不同焊接參數下焊接接頭橫截面形貌

3.3 試件組織和硬度

轉速為150r/min、焊接速度為50mm/min的3#試件焊接接頭宏觀組織如圖4所示。從圖4可看出，在轉速為150r/min、焊接速度為50mm/min的焊接工藝下，攪拌摩擦焊焊縫寬度為15mm，試件厚度為6mm。

對3#試件進行不同溫度焊后熱處理，得出焊縫金相組織、硬度及晶粒尺寸分別如圖5～圖7所示。由圖5～圖7可看出，焊縫中心硬度最高為145HV，硬度從焊縫中心到母材依次降低，晶粒從焊縫中心到母材依次升高。對試件進行了600℃、650℃、700℃保溫3h后爐冷的3種工藝焊后熱處理，可看出隨著溫度升高，焊縫硬度逐漸降低，在700℃保溫3h后爐冷熱處理后，試件各位置硬度逐漸保持一致，在130HV左右，但是晶粒隨著溫度升高而逐漸變大。

圖5 不同溫度焊后熱處理焊縫金相組織

圖6 不同溫度焊后熱處理試件的硬度

圖7 不同溫度焊后熱處理試件的晶粒尺寸

3.4 拉伸測試

通過對厚度為3m m樣品進行拉伸試驗（見圖8），結果見表3。從圖8和表3可看出，母材和試件的抗拉強度分別為302MPa和429MPa，屈服強度分別為268MPa和284MPa，伸長率分別為59%和18.5%，在該焊接工藝下，試件強度升高，伸長率顯著降低，這是因為焊縫位置受擠壓嚴重，晶格畸變嚴重，存在大量位錯[6-8]；隨著熱處理溫度升高，試件的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，伸長率先升高后降低。不同溫度焊后熱處理試件的斷口形貌如圖9所示。由圖9可知，斷口均存在韌窩，證明是塑性斷裂[8，9]。

圖8 不同溫度焊后熱處理的拉伸試樣

圖9 不同溫度焊后熱處理試件的斷口形貌

表3 拉伸試驗結果

4 結束語

1）當采用轉速150r/min 和焊接速度100mm/min參數時，焊縫的表面存在溝槽缺陷；當采用轉速200r/min 和焊接速度50mm/min參數時，還會伴隨有較大飛邊出現；當采用轉速150r/min 和焊接速度50mm/min 參數時，焊縫完好。

2）在轉速為150r/min、焊接速度為50mm/min的焊接工藝下，攪拌摩擦焊焊縫寬度為15mm，焊縫中心硬度最高為145HV，母材和試件的抗拉強度分別為302MPa和429MPa、屈服強度分別為268MPa和284MPa、伸長率分別為59%和18.5%，硬度從焊縫中心到母材依次降低，晶粒尺寸從焊縫中心到母材依次升高。

3）對試件進行了600℃、650℃、700℃保溫3h后爐冷的3種工藝焊后熱處理，隨著溫度升高，焊縫硬度逐漸降低，晶粒尺寸隨著溫度升高逐漸變大，試件的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，伸長率先升高后降低。