鈦合金材料因其出色的比強(qiáng)度、較好的耐高溫和抗腐蝕特性而受到廣泛的好評，在航空航天、軌道交通、電子設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，且具有較高的研究價(jià)值與廣闊的應(yīng)用前景 [1-2]。TA2 鈦金屬具有良好的塑性、韌性等優(yōu)點(diǎn)，常用于飛機(jī)蒙皮、熱交換器、隔熱板等結(jié)構(gòu) [3-4]。但是 TA2 的焊接性不容忽視，首先，TA2 的化學(xué)性質(zhì)活潑，在焊接過程中極易與氧、氮、氫等元素形成脆性化合物，導(dǎo)致焊接接頭易產(chǎn)生脆化；其次，TA2 具有較高的熔點(diǎn)以及較低的熱導(dǎo)率，這導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)的金屬在高溫條件下停滯的時(shí)間相對較長，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒尺寸明顯增長。晶粒的增長可能會對焊接接頭的塑性和韌性造成不良影響，進(jìn)而增加了裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致其性能下降 [5-7]；此外，TA2 在熔化焊過程中容易形成氣孔缺陷，氣孔的存在不僅會導(dǎo)致應(yīng)力集中，還會降低氣孔周圍金屬的塑性，最終引發(fā)整個(gè)焊接接頭發(fā)生脆性斷裂 [8]。Hu 等 [9] 采用非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊焊接 5mm 退火狀態(tài)的 TA2，研究表明，在熱影響區(qū)的組織結(jié)構(gòu)中，α 相的晶粒之間會析出 β 相的粗晶粒，而粗大的晶粒在高溫條件下的停留時(shí)間會相對較長，導(dǎo)致組織發(fā)生脆化；而在熔合區(qū)周圍，同樣由于溫度過高，停留時(shí)間過長，出現(xiàn)了熱侵蝕產(chǎn)生的溝槽缺陷。張峰等 [10] 采用激光自熔焊方法對 2mm 厚的 TA2 進(jìn)行焊接，結(jié)果表明，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)尺寸為 50~200μm 的氣孔。在焊縫金屬冷卻過程中，氫的溶解能力迅速降低，加之激光焊接導(dǎo)致的快速冷卻凝固作用，氫氣未能及時(shí)從焊縫中逸出而產(chǎn)生氣孔。氣孔的出現(xiàn)導(dǎo)致了應(yīng)力集中，使裂紋在氣孔附近擴(kuò)展，從而削弱了接頭的力學(xué)性能。類似地，Chen 等 [11] 使用激光與 MIG 復(fù)合焊技術(shù)對 TA2 進(jìn)行了焊接，觀察到焊縫內(nèi)部有氣孔存在，其模擬結(jié)果顯示，這主要是因?yàn)槌卓椎乃�陷�?dǎo)致匙孔周圍的液態(tài)熔池受到各種力的作用，使平衡被打破，從而形成氣孔。另外，李興宇等 [12] 使用激光焊對 0.9mm 厚的 TA2 板進(jìn)行焊接，研究表明，在焊接時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的咬邊缺陷；離焦量的改變造成金屬飛濺，使金屬蒸發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致焊核區(qū)金屬元素?zé)龘p。因此，對 TA2 進(jìn)行熔化焊焊接時(shí)，焊接過程中易出現(xiàn)多種焊接冶金缺陷，進(jìn)而造成焊接接頭性能嚴(yán)重下降。

攪拌摩擦焊，簡稱 FSW，是英國焊接研究所在 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)明的一項(xiàng)創(chuàng)新的固相連接技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿�。該技術(shù)利用攪拌頭的快速旋轉(zhuǎn)與材料產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致材料經(jīng)歷劇烈的塑性變化，進(jìn)一步促進(jìn)了材料的熱塑性流動(dòng)，并使其重新結(jié)晶為微小的等軸晶粒，從而完成工件的焊接工作 [13]。在 FSW 焊接過程中，達(dá)到的峰值溫度是待焊接材料熔點(diǎn)的 0.6~0.9 倍，這一特點(diǎn)使該技術(shù)能夠有效地避免傳統(tǒng)熔化焊過程中產(chǎn)生的裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。因此，F(xiàn)SW 技術(shù)被認(rèn)為是難焊接材料一種獨(dú)特的焊接方法 [14-15]。近些年，國內(nèi)外研究者對 TA2 金屬的 FSW 進(jìn)行了探索。張亞飛等 [16] 使用 FSW 技術(shù)對 2mm 厚的 TA2 進(jìn)行了對接焊，結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速為 200r/min 和焊接速度為 75mm/min 的條件下，接頭的成形質(zhì)量最佳，并且接頭的抗拉強(qiáng)度高達(dá) 384.5MPa。類似，Meikeerthy 等 [17] 研究了 2mm 厚 TA2 攪拌摩擦焊，發(fā)現(xiàn)在保持焊接速度為 140mm/min 不變的情況下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度由 400r/min 上升至 500r/min 時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均提高。然而，相關(guān)學(xué)者在分析攪拌摩擦工藝參數(shù)對 TA2 焊接接頭組織和性能的影響時(shí)，尚未進(jìn)行深入的解釋和探討。事實(shí)上，對薄板材料 FSW 焊接而言，焊接參數(shù)發(fā)揮著極其重要的作用，當(dāng)選用參數(shù)不匹配時(shí)，將導(dǎo)致攪拌頭與工件的產(chǎn)熱不足或者熱輸入過大，容易導(dǎo)致接頭產(chǎn)生隧道、孔洞、未焊合等缺陷 [18-20]。此外，TA2 金屬搭接結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用需求較多，而關(guān)于 TA2 材料攪拌摩擦搭接焊的相關(guān)研究未見報(bào)道。

因此，本文擬采用 1mm 厚的 TA2 鈦金屬薄板作為研究對象，通過改變攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度來改變焊接熱輸入，研究不同熱輸入條件對攪拌摩擦搭接焊接頭表面宏觀成形、微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1、試驗(yàn)

本文選取厚度為 1mm 的 TA2 鈦金屬薄板作為試驗(yàn)材料，其詳細(xì)的化學(xué)組分及力學(xué)性能如表 1 所示。焊前先將待焊板材裁切為 200mm (長)×100mm (寬)×1mm (厚)，使用砂紙將待焊接基材表面的氧化膜打磨去除，直至裸露出純凈的金屬光澤。接著在無水乙醇和超聲振動(dòng)條件下進(jìn)行深度清洗，然后吹干備用。選用的焊接設(shè)備為 X53K 型攪拌摩擦焊機(jī)。焊接時(shí)所使用的攪拌頭是由 H13 熱作模具鋼制成的，具體參數(shù)如下：軸肩直徑為 12mm，軸肩內(nèi)凹角為 2°，攪拌針的長度為 1.6mm，直徑為 4mm，螺紋為左螺紋，螺距為 0.5mm。

表 1 TA2 金屬化學(xué)成分 

Tab.1 Chemical composition of TA2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

Fe	N	O	H	Si	C	Ti
0.30	0.03	0.25	0.015	0.10	0.08	基體

焊接時(shí)的具體工藝參數(shù)如下：設(shè)定焊接速度為 75mm/min，并保持?jǐn)嚢桀^的傾斜角度恒定在 2°，確保試驗(yàn)條件的一致性，而旋轉(zhuǎn)速度的選擇范圍為 190~375r/min，攪拌摩擦搭接焊焊接過程示意圖如圖 1 所示。

焊接完成后，采用電火花切割技術(shù)，在與焊接方向呈 90° 的接頭中心位置截取金相試樣和拉剪性能的測試樣本。待金相試樣經(jīng)過細(xì)致的磨拋加工后，用 Keller 腐蝕劑進(jìn)行腐蝕處理。使用 Zeiss 型的圖像采集工具對接頭的宏觀外觀進(jìn)行觀察，利用光學(xué)顯微鏡觀察接頭各個(gè)區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)，并利用顯微硬度計(jì)在接頭的橫截面上進(jìn)行顯微硬度的精確測試。拉剪試樣的制作遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，其詳細(xì)尺寸如圖 2 所示。使用 WDS-100 型的萬能拉伸測試機(jī)對連接部分的拉剪性能進(jìn)行評估。

2、結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

保持焊接速度為 75mm/min 不變、不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下 TA2 鈦金屬薄板攪拌摩擦搭接焊接頭表面宏觀形貌如圖 3 所示。由圖 3a 可知，接頭的外觀呈現(xiàn)出良好的形貌，并且出現(xiàn)典型的魚鱗紋特征，無明顯缺陷；由于焊接過程中沒有采取任何的保護(hù)措施，因此焊后接頭表面明顯被氧化。隨著旋轉(zhuǎn)速度從 235r/min 增至 375r/min，接頭表面弧紋的間距越來越大，表面開始有缺陷產(chǎn)生。在旋轉(zhuǎn)速度為 375r/min 條件下，由于焊接過程中的瞬時(shí)溫度過高，攪拌頭與焊縫金屬的接觸面從黏著摩擦轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦方式，這導(dǎo)致焊接過程中的熱輸入總量減少，從而使焊縫金屬的流動(dòng)不夠充分，攪拌頭上未黏附塑性狀態(tài)的 TA2，于是在接頭表面產(chǎn)生了起皺現(xiàn)象，如圖 3d 所示。對于鈦金屬 FSW，在一定范圍內(nèi)，隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度不斷加快，焊接過程中的熱量輸入也逐步上升。但是，超過一定范圍后，提高攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度易使攪拌頭與焊縫金屬的接觸模式由先前的黏著摩擦轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦 [21]，這會導(dǎo)致焊接熱輸入減少，并使焊縫中塑性金屬的流動(dòng)性降低，接頭出現(xiàn)明顯的溝槽等缺陷。

2.2 橫截面形貌

采用不同旋轉(zhuǎn)速度焊接 TA2 時(shí)獲得的接頭橫截面形貌如圖 4 所示�？梢�，接頭橫截面整體形貌呈典型的上寬下窄的 “盆” 狀結(jié)構(gòu)，由于上層金屬與軸肩的摩擦產(chǎn)熱作用，因此上層金屬獲得的熱量比下層金屬更多，受到的高溫影響范圍更廣，而攪拌針的側(cè)面受到 TA2 的正壓力小，受到的攪拌摩擦影響較小，塑性區(qū)隨之變小 [16]。橫截面被劃分為 3 個(gè)部分：母材區(qū)（Base Material, BM）、熱影響區(qū)（Heat-affected Zone, HAZ）以及焊核區(qū)（Nugget Zone, NZ）。TA2 金屬熱傳導(dǎo)系數(shù)低（僅為鋁合金的 7%），焊接過程中的流變應(yīng)力大 [22]，HAZ 的寬度狹窄。此外，即使受到焊接熱循環(huán)作用，接頭中也沒有在塑性變形區(qū)與母材之間形成明顯的熱機(jī)影響區(qū)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 190r/min 時(shí)，由于焊接熱輸入適當(dāng)，TA2 焊縫金屬被充分塑化，受到攪拌針螺紋的驅(qū)使，焊縫上部的塑性金屬迅速流向其底部，形成致密焊縫，接頭內(nèi)部沒有出現(xiàn)溝槽、孔洞缺陷，如圖 4a 所示。隨著旋轉(zhuǎn)速度增加至 235r/min，焊接過程中焊縫金屬瞬時(shí)溫度急速升高，攪拌頭與焊縫塑化金屬接觸界面的摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變成滑動(dòng)摩擦，焊接熱輸入總量降低，焊縫金屬塑化程度降低 [23]，進(jìn)而使金屬流動(dòng)不充分，無法從焊縫上部的高溫區(qū)向底部低溫區(qū)遷移，導(dǎo)致焊縫底部出現(xiàn)了弱連接或微小的孔洞缺陷，如圖 4b 所示。在焊接過程中，攪拌針轉(zhuǎn)動(dòng)使焊縫內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的塑性變形。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步提升至 300r/min 和 375r/min 時(shí)，攪拌頭與塑化金屬接觸界面的摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，這導(dǎo)致焊縫塑化金屬向底部遷移的能力進(jìn)一步減弱，無法填補(bǔ)攪拌針端部的空腔，使焊縫底部的孔洞缺陷增大，且有越來越明顯的趨勢，接頭無法成形，如圖 4c~d 所示。

TA2 薄板搭接焊接頭界面出現(xiàn)細(xì)微的 hook 缺陷，hook 溝的存在直接影響了焊縫的結(jié)合寬度（Bonding Width, BW）。對不同旋轉(zhuǎn)速度下焊縫的 BW 進(jìn)行測量時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 190r/min 時(shí)，BW 的值為 5.5mm，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，BW 的數(shù)值先減小后增大，最小值為 2.8mm，最大值為 6.5mm。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度由 190r/min 增加至 300r/min 時(shí)，攪拌頭與焊縫塑化金屬接觸界面摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變成滑動(dòng)摩擦，焊接熱輸入總量降低，焊縫金屬塑化程度降低，塑性金屬的遷移總量下降，焊接部位的金屬在垂直方向上的流動(dòng)性不足，冷金屬在擠壓界面向其周圍的遷移距離縮短，從而導(dǎo)致 BW 減小 [24]。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 375r/min 時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)速度過高，攪拌頭與焊縫塑化金屬接觸界面摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變成滑動(dòng)摩擦，焊縫金屬的流動(dòng)不夠充分，在接頭表面產(chǎn)生了起皺現(xiàn)象，導(dǎo)致過多的塑化金屬溢出，即攪拌頭與材料在厚度方向上產(chǎn)生了相對較大的攪拌摩擦作用，致使 BW 數(shù)值達(dá)到最大 6.5mm。焊縫的 BM 顯著變化會影響焊接接頭的拉剪性能。

2.3 顯微組織

不同旋轉(zhuǎn)速度條件下 TA2 鈦金屬 FSLW 接頭焊核區(qū)顯微組織如圖 5 所示。可見，在焊核區(qū)，觀察到細(xì)小的 α 等軸晶，因?yàn)槭軘嚢栳樀挠绊懀�原有�?TA2 母材晶粒被攪拌針攪碎形成細(xì)小的晶粒；對 TA2 鈦金屬攪拌摩擦焊而言，焊核區(qū)金屬經(jīng)歷了攪拌頭劇烈的機(jī)械攪拌作用，當(dāng)所經(jīng)過的區(qū)域溫度高于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度（鈦的再結(jié)晶溫度為 500~600℃）時(shí)，焊核區(qū)出現(xiàn)細(xì)小的 α 等軸晶晶粒 [25-26]。該過程停留時(shí)間短，攪碎的晶粒與再結(jié)晶晶粒來不及長大，最終導(dǎo)致焊核區(qū)晶粒致密細(xì)小。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度從 190r/min 增加至 300r/min 時(shí)，焊核區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸也逐步增大。一般情況下，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的提升，焊接過程中的熱量輸入上升。但是，在攪拌摩擦焊接 TA2 鈦金屬過程中，隨著旋轉(zhuǎn)速度從 190r/min 增加至 235r/min，攪拌針與焊縫金屬接觸界面的瞬時(shí)溫度升高，容易導(dǎo)致攪拌針與焊縫金屬摩擦界面的接觸狀態(tài)由黏著摩擦向滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變，焊接熱輸入降低，焊縫金屬流動(dòng)性變差，金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度降低，所以在 235r/min 旋轉(zhuǎn)速度條件下，獲得的焊核區(qū)等軸晶晶粒尺寸比 190r/min 旋轉(zhuǎn)速度下的大。類似，繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速度至 300r/min 時(shí)，焊核區(qū)的等軸晶晶粒尺寸更大。

2.4 接頭力學(xué)性能

當(dāng)采用 190r/min 和 235r/min 旋轉(zhuǎn)速度焊接時(shí)，獲得的 TA2 接頭上、下部顯微硬度分布如圖 6 所示。由于當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 300r/min 以上時(shí)，出現(xiàn)了明顯的缺陷，所以未對接頭的硬度值進(jìn)行測量。由圖 6 可見，接頭的顯微硬度基本上是以焊縫中心為軸線對稱分布的，接頭的整體顯微硬度表現(xiàn)為倒 “V” 型的分布。對比發(fā)現(xiàn)，沿接頭厚度方向上，相同位置的接頭上部顯微硬度平均值高于下部的。在 TA2 鈦金屬焊接過程中，與焊縫下半部分相比，在攪拌頭軸肩和攪拌針之間的摩擦攪拌影響下，上部金屬受到更大的壓力，同時(shí)上部金屬塑化過程的溫度也比下部的高，這使得焊縫上部金屬的塑化效果更為顯著，上部金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的程度大于下部金屬的，由 Hall-Petch 方程可知 [27]，同一焊縫的上部所含的金屬晶粒更為細(xì)小，焊縫上部的顯微硬度值更高。另外，由圖 6a 可見，沿焊縫同一厚度方向上，TA2 鈦金屬接頭焊核區(qū)的顯微硬度明顯高于母材硬度，且距離焊縫中心越近，顯微硬度值越高。其原因是，F(xiàn)SW 接頭的 NZ 區(qū)遭受了劇烈的機(jī)械攪拌與摩擦作用，NZ 區(qū)域溫度高于 TA2 材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界溫度，因此，該區(qū)域金屬發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。這一過程導(dǎo)致大量細(xì)小等軸晶的形成，從而顯著提升了 NZ 區(qū)的顯微硬度，實(shí)現(xiàn)了晶粒的細(xì)化。其中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 190r/min 時(shí)，焊核區(qū)上部最高顯微硬度值達(dá) 269HV，比母材的硬度值高 114HV。類似，對比不同旋轉(zhuǎn)速度下焊縫顯微硬度發(fā)現(xiàn)，隨著旋轉(zhuǎn)速度從 190r/min 增大至 235r/min，焊核區(qū)上部的平均顯微硬度由 260HV 降低到 187HV，下部的平均顯微硬度也明顯降低。這個(gè)硬度結(jié)果與圖 5 中的接頭顯微組織相吻合。

采用不同旋轉(zhuǎn)速度焊接時(shí) TA2 鈦金屬 FSLW 接頭拉剪性能測試結(jié)果如圖 7 所示。其中，圖 7a 為接頭的拉剪曲線，圖 7b 為接頭的拉剪力分布。可見，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度從 190r/min 提升至 300r/min 時(shí)，焊接接頭所承受的平均拉剪力呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，這與接頭的 BW 值變化趨勢相同。其中當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 190r/min 時(shí)，接頭的平均拉剪力達(dá)到峰值 4253.3N。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到 300r/min 時(shí)，接頭的平均拉剪力最小，僅為 2194.8N，這與上述接頭的宏觀形貌和微觀組織結(jié)果相符合。當(dāng)采用 190r/min 旋轉(zhuǎn)速度焊接 TA2 鈦金屬時(shí)，由于焊接熱輸入適當(dāng)，焊縫塑化后金屬流動(dòng)完全，接頭處沒有任何焊接缺陷存在，焊核區(qū)有細(xì)小等軸晶生成，即接頭表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，攪拌頭與焊縫塑化金屬摩擦界面接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致焊接過程中熱輸入量減少，焊縫上部的塑化金屬難以迅速地向底部遷移，這進(jìn)一步引起了焊接底部出現(xiàn)孔洞和其他缺陷，使接頭成形質(zhì)量變差，力學(xué)性能急劇降低。當(dāng)采用 375r/min 旋轉(zhuǎn)速度焊接 TA2 鈦金屬時(shí)，拉剪力升至 3664.5N，但是其拉剪力比 190r/min 旋轉(zhuǎn)速度時(shí)的拉剪力小。在 375r/min 旋轉(zhuǎn)速度下，其 BW 數(shù)值最大（BW 的數(shù)值越大，力學(xué)性能越好），但是由于旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度不匹配，焊縫底部出現(xiàn)了明顯的孔洞缺陷，導(dǎo)致力學(xué)性能比 190r/min 時(shí)的更差。

3、結(jié)論

以 1mm 厚度的 TA2 鈦金屬為研究對象，在保持焊接速度恒定的條件下，通過調(diào)整攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度，研究了它對接頭成形過程中宏觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能的影響，并得出了一些結(jié)論：

當(dāng)采用 190r/min 旋轉(zhuǎn)速度焊接時(shí)，接頭成形良好，內(nèi)部無明顯缺陷。隨著旋轉(zhuǎn)速度增加至 235r/min，焊縫底部開始出現(xiàn)弱連接和微孔缺陷。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步提升至 300r/min 時(shí)，焊縫底部出現(xiàn)了顯著的孔洞缺陷，這反而對接頭的成形產(chǎn)生了不利影響。

在所有焊接接頭的焊核區(qū)，都出現(xiàn)了不同程度的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，由此產(chǎn)生細(xì)小等軸晶。焊核區(qū)等軸晶晶粒大小隨旋轉(zhuǎn)速度的增大而增大。

接頭顯微硬度呈倒 “V” 型分布，焊核區(qū)的顯微硬度明顯高于母材硬度。其中，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為 190r/min 時(shí)，焊核區(qū)上部的最高顯微硬度值為 269HV，接頭的拉剪性能最好，拉剪力達(dá)到 4253.3N。

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（注，原文標(biāo)題：旋轉(zhuǎn)速度對TA2攪拌摩擦搭接焊接頭成形及力學(xué)性能的影響）

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tag標(biāo)簽:鈦合金,薄壁TA2結(jié)構(gòu),TA2鈦合金

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