钛合金FSW

哈尔滨工业大学工学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 - 1 - 摘要 本文主要研究了适用于钛合金搅拌摩擦焊接用搅拌头的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及磨损情 况，测试与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了钛合金搅拌摩擦焊接温度场，进行了 Ti-6Al-4V 搅拌摩擦 焊接工艺研究并分析了接头的组织特征与力学性能。 设计了焊接钛合金的搅拌头并进行了焊接试验，焊接过程中发现，纯钨 搅拌头磨损与变形非常严重，硬质合金搅拌头扎入深度很小时，钎料熔化且 被挤出。 为了弄清钛合金搅拌摩擦焊接的热过程，本文测试与分析了搅拌摩擦焊 接温度场。发现钛合金搅拌摩擦焊接时的最高温度至少为1000℃，测得搅拌 头轴肩边缘处的最高温度为540.2℃，焊接过程中焊缝两侧温度并不对称，各 点热循环曲线的最高温度也不对称，加热速度较快，冷却速度较慢。温度随 距离搅拌头肩部越远，温度越低。 利用纯钨搅拌头搅拌摩擦焊接钛合金，得到了成形良好的焊接接头。发 现焊缝区呈几个截然不同的微观组织区域。焊缝区分布着粗大的 α′ 过饱和 针状马氏体且随着厚度的不同晶粒有着细微的变化；热机械影响区非常窄， 宽度约为 50μm；热影响区晶粒与母材相比没有太大变化。当转速一定时， 焊接速度越大，焊核中心的晶粒越细小。 研究了焊接速度和搅拌头旋转速度对接头拉伸强度的影响。当旋转速 度为 600rpm,焊接速度为 80mm/min 时，焊缝成形良好并且接头的拉伸强度 几乎达到了母材的 100％。拉伸结果表明，接头断裂一般发生在焊缝处。接 头热影响区的显微硬度与基体金属相比显著上升。 关键词 搅拌摩擦焊；钛合金；微观组织；力学性能；搅拌头 - 2 - 第1章 搅拌头的设计及磨损 1.1 引言 搅拌头是搅拌摩擦技术的关键，它可以说是搅拌摩擦焊的心脏，也是搅 拌摩擦焊方法的核心。搅拌头的主要功能是加热和软化被焊接材料（工件材 料）；破碎和弥散接头表面的氧化层；驱使搅拌针前部的材料向后部转移； 驱使接头上部的材料向下部转移；使转移后的热塑化的材料形成固相接头。 它的好坏决定了搅拌摩擦焊能否扩大焊接材料的种类，能否提高焊接材料的 厚度。搅拌头材料、搅拌头轴肩和搅拌针的型体是搅拌头优劣的三个主要决 定性因素,关系到连接接头的性能与生产成本和效率。因而, 搅拌头的型体 设计与搅拌头材料的选取, 对于成功地实现搅拌摩擦焊工艺至关重要。 目前，搅拌摩擦焊接主要应用在低熔点材料上，如铝、镁等合金。焊接 这些材料时，搅拌头的变形和磨损并不严重。而对于焊接如低碳钢、不锈 钢、钛及钛合金、镍合金、甚至高温合金等高熔点的金属材料，搅拌头的变 形和磨损是要着重考虑的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，因为它将影响到搅拌头的使用寿命，从而因 搅拌头尺寸的变化影响到焊接质量。 1.2 搅拌头的设计 1.2.1 搅拌头的型体设计 搅拌头是搅拌摩擦技术的核心部分，搅拌头的形状决定了焊缝金属受 热、塑性流变和受力的方式；搅拌头的尺寸决定了焊缝的大小、焊接速度及 工具强度。因此,搅拌头的型体设计对于成功地实现搅拌摩擦焊工艺至关重 要。 一般说来，搅拌头包括两部分：搅拌头轴肩和搅拌针。 2.2.1.1 搅拌头轴肩 搅拌头轴肩的设计对于搅拌摩擦焊过程中的辅助热源输 入起着极为重要的作用。对于不同材料的焊接，搅拌头轴肩的设计非常关 键。文献[38]中提出多种轴肩的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 , 图 2-1 为常见的几种轴肩的几何 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 形貌。 图 2-1 各种轴肩的几何形貌 ]38[ 这些多样化的轴肩设计增强了搅拌头和工件之间的耦合，并能够对在焊 接过程中挤出的塑性材料进行有效的密封，以保证形成致密的焊缝。 2.2.1.2 搅拌针 目前搅拌针的形状主要有以下几种: 圆柱形、圆锥形、螺旋 形。 1. 柱形搅拌针 柱形搅拌针（图 2-2）应用于搅拌摩擦焊工艺的初始阶段,然而在焊接 过程中,柱形搅拌针周围的软化材料受到指向焊缝根部的力较弱,软化材料的 流动性较差。在实验过程柱形搅拌针存在耐冲击力弱,即在焊接行走起始瞬 间搅拌针容易在针的根部断裂,或经过较少几次焊接后,搅拌针在焊接起始瞬 间断裂；焊后接头性能较差等缺点。 图 2-2 柱形搅拌针 2. 锥形螺纹搅拌针和三沟槽锥形螺纹搅拌针 - 4 - 锥形螺纹搅拌针（Whorl TM ）(图2-3)和三沟槽锥形螺纹搅拌针（MX– Triflute TM ） (图2-4、图2-5)是英国焊接研究所(TWI)近期设计出的两种新型 搅拌针。它们的共同之处是都呈平截头体状而且带有螺纹，设计成锥体，大 大减少了相同半径圆柱体搅拌探头的材料卷出量。据计算, 带螺纹的搅拌探 头减小了60%，而带三沟槽的搅拌探头减小了70%。对于三沟槽锥形螺纹搅 拌针,锥面上开有三个螺旋槽,以减小搅拌针体积,增加软化材料的流动性,同 时破坏并分散工件表面上的氧化物 ]39[ 。 另外,平截头体形状搅拌针上的螺纹能促进搅拌头附近的塑性软化材料 具有向上运动的趋势。为了改善软化材料的流动路径,一些研究人员还在搅 拌针上设计出平台,或沟槽（图2-7) ]40[ 。 图 2-3 锥形螺纹搅拌针 ]39[ 图 2-4 典型三沟槽锥形螺纹搅拌针 ]39[ 图2-5 三沟槽锥形螺纹搅拌针 ]39[ 图2-6 外开螺纹搅拌针 ]40[ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 图2-7 不同形式的锥形螺纹搅拌针 ]40[ 3. 外开螺纹搅拌针 外开螺纹搅拌针(Flared-Triflute TM )（图2-6、图2-8）共有四种形式。图 2-8a在靠近轴肩部分是平截头体状,但是开槽的地方却像杈一样支开,锥度方 向与平截头体相反,其目的是为了增加搅拌针的直径,而不改变轴肩的尺寸, 搅拌头的端部是一个三叉样的搅拌器。这样的外形特征都为了增加搅拌针扫 过体积与搅拌针静态体积间的差值(即增大动、静态体积比),改善软化材料 沿搅拌头侧面环向流动的路径。图2-8b为左旋凹槽, 图2-8c为右旋凹槽, 图 2-8d则背脊上开有螺纹。这种搅拌头既增加了软化材料流动时的混合动作, 又能充分粉碎和分散工件表面的氧化物; 搭接焊时, 焊接区域宽度与板厚的 比为190%,因而焊接压力减少20%,可明显减少轴肩与焊缝表面上的压入量, 有效提高接头的承载能力; 还可以使焊接速度提高一倍 ]40[ 。 图2-8 不同形式的外开螺纹搅拌针 ]40[ - 6 - 4. 偏心圆搅拌和针偏心圆螺纹搅拌针 偏心圆搅拌针( Trivex TM )(图2-9)和偏心圆螺纹搅拌针(MX-Trivex TM ) (图2–10) 的外形最早是由搅拌摩擦焊的动态模拟得出的。搅拌摩擦焊动态 流动模型是对焊接过程的三维动态模拟,它允许材料之间滑动甚至粘到搅拌 针表面。用这项模拟技术可以观察到各种不同搅拌头焊接时塑性材料的流动 形式。应用这项技术得出如下结论:在用具有球面特征的搅拌针进行焊接时, 焊接方向的顶压力较小。该模型计算结果还表明,当搅拌针最小的纵截面与 搅拌针旋转起来扫过的纵截面面积比在70%～80%之间时,焊接方向的压力 最小。偏心圆螺纹搅拌针与偏心圆搅拌针相比, 偏心圆螺纹搅拌针增加了螺 纹,从而更有利于粉碎工件表面上的氧化膜,有利于获得高强度的接头 ]41[ 。 图2-9 偏心圆搅拌针 ]41[ 图2-10 偏心圆螺纹搅拌针 ]41[ 5. 非对称搅拌针 非对称搅拌针与传统搅拌针差异较大,搅拌针中心轴与设备的中心轴存 在一个偏角,而轴肩的表面垂直于设备的中心轴(图2-11)。因而,在焊接过程 中非对称搅拌针不是以搅拌头自身中心轴旋转。由于搅拌针只有部分表面直 接与工件摩擦接触,搅拌针上部分材料可以被切去,以增加焊接过程中软化材 料的流动路径,图2-12为改进后的搅拌针。采用非对称搅拌针焊接可提高搅 拌头周围塑性软化区的范围,同时这种搅拌针的搅拌动作可以提高搅拌针的 动态与静态体积比。而传统搅拌针的中心轴与设备的中心轴相重合,其旋转 中心即为搅拌针的中心轴,因而只能靠改变搅拌针的形状来来改善搅拌针的 动、静态体积比 ]40[ 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 图 2-11 非对称搅拌针 ]40[ 图 2-12 改进后的非对称搅拌针 ]40[ 1.2.2 搅拌头材料的选取 搅拌头的材料决定了摩擦加热的速度、搅拌头的强度和工作温度以及哪 些材料能够进行搅拌摩擦焊及搅拌头的使用寿命。因而, 搅拌头材料的选取 对于成功地实现搅拌摩擦焊工艺也是至关重要的。 搅拌头的材料通常都采用硬度远远高于被焊材料的材料制成，这样能够 在焊接过程中将搅拌头的磨损减至最小。一般，用于搅拌头的材料有工具 钢、硬质合金、陶瓷、聚晶立方氮化硼、天然金刚石等。对于焊接铝合金、 镁合金等这些低熔点的材料，搅拌头材料一般为工具钢。而对于焊接如普通 碳钢、不锈钢、钛及钛合金、镍合金、甚至高温合金等高熔点的金属材料， 搅拌头材料的选择至关重要，所选择的搅拌头材料应该具有高熔点、耐磨性 及足够高的热强度。 下表 2-1 介绍了一些焊接高熔点金属材料的搅拌头材料。 - 8 - 表 2-1 搅拌头材料 高熔点金属材料 搅拌头材料 304L 不锈钢 钨合金 DH-36 钢 W-25%Re 钨铼合金 AISI 1018 低碳钢 钨基与钼基合金 调质 C-M n 钢、A36 钢、 SAF2507 不锈钢 聚晶立方氮化硼 Ti-6Al-4V 钛合金 硬质合金、纯钨 1.2.3 Ti-6Al-4V钛合金搅拌头的设计 对于钛合金这种高熔点金属材料的连接,搅拌头的型体设计与材料的选 取至关重要。Ti-6Al-4V 钛合金的熔点为 1570～1650℃，这就要求搅拌头材 料具有高熔点、高强度、良好的耐热和耐磨性能。 纯钨的熔点高达 3410±10℃，同时纯钨还有比重大、强度硬度高、导热 导电性能好、耐热、耐磨、耐腐蚀、化学性能稳定等优异的特性。钨在常温 下具有很高的强度(490～882MPa)和硬度(320～415HB)。因此，适合作为 焊接 Ti-6Al-4V 钛合金的搅拌头材料。 硬质合金具有高硬度，常温下可达 HRA93～94，并且在 500℃以下基本 保持不变；其高温红硬性好，使用温度可达 1000℃；抗弯强度为 1000～ 4000MPa，抗压强度达 6000MPa；常温刚性好，无明显的塑性变形，耐磨能 力约为高速钢的 15～20 倍。因此具有高硬度、高强度、耐磨损、耐高温、 抗腐蚀、抗氧化和线膨胀系数小等一系列优点的硬质合金，也适合作为焊接 Ti-6Al-4V 钛合金的搅拌头材料。 本试验中焊接 Ti-6Al-4V 钛合金搅拌头材料考虑选用纯钨和硬质合金两 种材料，搅拌针形状均为锥形。搅拌头的尺寸设计如图 2-13、图 2-14、图 2-15 所示。图 2-16 为纯钨搅拌头，图 2-17 为硬质合金搅拌头。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 图 2-13 纯钨搅拌头设计图 图 2-14 硬质合金搅拌头硬质合金部分设计图 - 10 - 图 2-15 硬质合金搅拌头设计图 图 2-16 纯钨搅拌头 图 2-17 硬质合金搅拌头 1.3 搅拌头的磨损 利用自行设计的纯钨搅拌头进行焊接试验，以确定它的可行性。试验 中发现纯钨搅拌头磨损与变形非常严重，因为搅拌头尺寸的变化会影响到焊 接质量，因此在钛合金的搅拌摩擦焊接中，搅拌头的变形和磨损是要着重考 虑的问题。图 2-18 描述了试验中搅拌头的磨损与变形情况。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - a) b) c) d) e) f) g) 图 2-18 搅拌头磨损与变形情况 图 2-18a)b)c)分别为原搅拌头、焊接 100mm、焊接 200mm 以后的搅拌 头尺寸。我们从图中可以看出搅拌针的直径和长度均变小了，并且图 2-18b) 搅拌头轴肩处发生了变形，图 2-18c) 搅拌头轴肩和搅拌针均粘上了母材， 可见搅拌头的磨损和变形十分严重。图 2-18e)为图 2-18d) 焊接 80mm 以后 的尺寸，在焊接过程中，搅拌头材料脱落的同时也沾粘上了母材。同样，搅 拌针上发生的情况也是如此，如图 2-18f)和图 2-18g)所示。 综合以上分析，为了减少搅拌头的磨损和变形，可以采取下列一些工艺 - 12 - 措施：(1) 预热扎入区；(2) 低速扎入；(3) 增加扎入停留时间；(4)大直径 的搅拌针；(5)在扎入区穿孔，孔的大小与搅拌针直径大小相当，孔的深度 小于或等于板厚，开孔示意图如图 2-19。 图 2-19 开孔示意图 在焊接过程中，搅拌头轴肩与搅拌针上的搅拌头材料部分已脱落，同 时粘上了母材。已脱落的搅拌头材料是否由于搅拌头的搅拌作用被搅到了焊 缝中，而影响焊接接头的质量。对此，借助于背散射和线扫描的方法对其进 行了分析研究。 a）焊缝表层背散射 b) 焊缝中层背散射 c) 焊缝底层背散射 2000× d) 焊缝底层背散射 4000× 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - e) 母材背散射 图 2-20 焊缝区及母材背散射照片 通过图 2-20 焊缝区背散射照片我们发现焊缝表层、焊缝中层、焊缝底 层均有白亮部分。通过图 2-21 的点能谱图来分析白亮部分的成分。 a) 图 2-20(a)中亮点处能谱图 b) 图 2-20(b)中亮点处能谱图 Element Wt% At% C K 15.81 40.92 N K 02.44 05.41 Al K 04.93 05.68 W M 03.92 00.66 Ti K 72.90 47.32 Element Wt% At% C K 21.07 55.56 N K 00.45 01.03 Al K 02.10 02.46 W M 19.55 03.37 Ti K 56.83 37.58 表 2-2 图 2-19 a)中亮点处化学成分 表 2-3 图 2-19 b)中亮点处化学成分 - 14 - c) 图 2-20(b)中灰暗处能谱图 图 2-21 焊缝区的点能谱分析结果 从能谱成分上可以明显看出，焊缝表层、焊缝中层均含有钨这种化学成 分，焊缝底层即搅拌区中心底部附近白亮部分也一定含有钨元素，其特征显 然是从搅拌头上脱落的。这表明，在焊接过程中由于搅拌头的摩擦、搅拌、 挤压作用，已脱落的搅拌头材料被搅拌头搅到了焊缝中。 图 2-22 母材的点能谱分析结果 虽然钛合金在表面氧化膜的作用下能保持高的稳定性和耐腐蚀性，但是 在 540℃以上生成的氧化膜则较疏松，使钛与氧、氢、氮的反应加剧，钛在 300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮，焊缝中 氧、氢、氮含量过高，会引起接头脆化，导致冷裂纹的产生。由图 2-21 焊 缝区的能谱成分及图 2-22 母材的能谱成分对比分析可以得知，由于焊接过 程中采用了氩气保护，吸入地氧、氢、氮含量很少，并不影响焊接接头质 量。 图 2-23 线扫描分析结果更加准确地说明了钨元素的存在，但并不是以 Element Wt% At% C K 17.60 44.58 N K 01.42 03.08 Al K 02.82 03.18 W M 00.82 00.14 Ti K 75.16 47.73 V K 02.17 01.30 Element Wt% At% C K 02.47 08.42 N K 02.21 06.47 Al K 05.72 08.67 W M 00.35 00.08 Ti K 87.02 74.53 V K 02.23 01.80 表 2-4 图 2-19b)中灰暗处的化学成分 表 2-5 化学成分 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 15 - 纯钨存在，具体以什么形式存在还不大清楚。 图 2-23 线扫描分析结果 1.4 硬质合金搅拌头焊接 Ti-6Al-4V钛合金 在利用自行设计的硬质合金搅拌头进行焊接试验以确定其可行性时，发 现搅拌头扎入试件但扎入深度很小时，钎料已熔化且被挤出，且硬质合金较 小直径部分部分已断裂如图 d)，e)。图 2-24c)描述了硬质合金搅拌头焊接前 后的对比情况，图中的搅拌头为镶嵌式，上部分为硬质合金如图 a)、b)，下 部分为低碳钢。硬质合金与低碳钢采用钎焊连接，钎料为 L105，熔点 906℃。 El em en t r at io Distance Ti Al V C O N W - 16 - a) b) c) d) e) f) 图 2-24 硬质合金搅拌头 a)、b)搅拌头硬质合金部分 c) 焊接前后对比 d)、e)焊后硬质合金部分已断裂 f) 修改后的设计图 在焊接过程中，搅拌头轴肩与试件摩擦时产生的温度已超过了钎料的熔 点，温度可能达到 1000℃以上。而硬质合金较小直径部分断裂，说明搅拌 头的型体设计不太合理。同时，这也说明了搅拌摩擦焊接高熔点材料时，搅 拌头的型体设计是很重要的。硬质合金部分设计图可改为如图 2-24f)所示， 这样硬质合金较小直径部分不至于断裂，可以进行钛合金的搅拌摩擦焊接。 1.5 搅拌头使用寿命的讨论 搅拌头在钛合金的搅拌摩擦焊接中很容易磨损和变形，这对搅拌头的使 用寿命有着很大的影响。实际上，为了更好地利用搅拌摩擦焊的优点进行高 温材料如钢、钛合金、镍合金的焊接，就必须寻找好的搅拌头材料，优化搅 拌头设计和工艺，以尽可能地延长搅拌头的寿命。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 17 - 在本试验中发现纯钨搅拌头的磨损非常严重，为了减小搅拌头磨损的程 度，我们可以通过预热要扎入工件的区域，并以缓慢的速率扎入。考虑在扎 入过程中材料的损失，可以选用一个尺寸大一点的搅拌针，使得在焊接阶段 能够得到一个适当尺寸的搅拌针。然而，这些措施并不能完全解决这些问 题。 搅拌头材料的选取与型体设计是非常重要的。当然，在焊接温度下，理 想的搅拌头材料的强度和硬度应该比母材大。然而，成功制成搅拌头材料的 其它因素还不完全清楚，例如，还必须弄清楚搅拌头和工件的热物理特性、 热流动与搅拌头寿命相互之间的关系。而且，搅拌头和工件在冶金方面的兼 容性及对搅拌头寿命的影响也必须弄清楚。如搅拌头与工件结合时形成的固 熔可能促使搅拌头表面的合金化，使得搅拌头局部区域的特性发生改变，从 而使合金产生高温腐蚀和磨损。 1.6 本章小结 本章主要设计了焊接 Ti-6Al-4V 钛合金的搅拌头，并用搅拌头进行了焊 接性试验，得出以下结论： 1. 在焊接过程中，纯钨搅拌头磨损与变形非常严重； 2. 硬质合金搅拌头在扎入深度很小时，钎料熔化且被挤出，硬质合金 较小直径部分断裂，可能由于设计不合理导致； 3. 用纯钨搅拌头焊接时，焊缝中夹有钨元素。 - 18 - 第2章 Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊接工艺 2.1 引言 随着现代科学技术的飞速发展，钛合金在航空、航天、造船、化工、冶 金等工业部门的应用越来越广泛,由于采用了钛合金构件,不仅提高了结构的 使用寿命,而且减轻了重量,具有显著的经济效益。因此，对钛合金连接技术 的研究就变得极为重要。搅拌摩擦焊对钛合金的连接有着巨大的吸引力，主 要是因为搅拌摩擦焊技术是一种新的塑性化连接工艺，由于其焊接热量少， 焊接过程中不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，避免了传统焊接方法 中出现的气孔、裂纹等缺陷，可以形成比一般氩弧焊接更高的焊接质量。但 当工艺参数选择不合适时，会出现表面沟槽和反面未熔合等缺陷；热输入量 太小容易导致金属塑性流动不充分，焊缝易出现隧道、孔洞等缺陷；这些焊 缝成形问题都直接影响着搅拌摩擦焊接头的性能。因此，对接头成形工艺进 行深入的研究，揭示出其成形规律有重要的现实意义。 2.2 焊接工艺设计 2.2.1 试验材料 在本试验中采用 Ti-6Al-4V 钛合金，它是一种优良的轻质结构材料,同 时还具有较好的比强度、耐热性、韧性和焊接性，综合性能优越。其主要化 学成分如表 4-1 所示 ]41[ 。 表 4-1 Ti-6Al-4V 钛合金的化学成分 ]41[ 材料的物理性能直接影响焊接质量，焊接接头性能的优劣与材料本身的 Al V Fe O C Si N H Ti 5.5–6.8 3.5–4.5 0.3 0.20 0.01 0.15 0.05 0.015 余量 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 19 - 力学性能密切相关。Ti-6Al-4V 钛合金的机械性能如表 4-2 所示 ]41[ 。 表 4-2 Ti-6Al-4V 钛合金的机械性能 ]41[ 室 温 机 械 性 能 高 温 机 械 性 能(不小于) σb(MN/m 2 ) δ 5 ×100 ψ×100 α K /(J/cm 2 ) 试验温度 /℃ 瞬 时 强 度 σb(MN/m 2 ) 持 久 强 度 σ 100 /(MN/ m 2 ) 920 10 30 40 400 630 580 2.2.2 试验设备 本试验采用的搅拌摩擦焊机是由北京赛福斯特技术有限公司生产的 FSW-3LM-003 型龙门式数控搅拌摩擦焊机。该焊机具有操作方便，精度 高，自动化程度高等优点。焊接 Ti-6Al-4V 钛合金材料采用的搅拌头为纯钨 搅拌头。该系统的主要参数如下： (1) 焊缝型式：直缝、环缝； (2) 转速范围为 100～3000rpm，可实现无级调速，工作台最大移动速 度为 1330mm/min; (3) 适焊材料：各种牌号的铝合金；镁合金；铝锂合金等； (4) 工件板厚：3～20mm(平板)，3～10mm(筒体)； (5) 工件尺寸：平板 1200mm×1000mm，筒体 Φ1000mm。 该设备的具体操作步骤如下： (1) 安装搅拌头； (2) 手动控制 Z 轴至快接近零点开关，然后让 Z 轴回零； (3) 控制 Z 轴向下至底板平面，记下此时 Z 值显示的值，不记小数点， 把此值赋予 P200； (4) 控制各轴的位置，装卡工件，对好工件的平行度； (5) 在程序里让 Z 轴自由进给一个行程至工件表面，然后缓慢进给。 (6) 编好程序后执行。 本试验所用程序如下： - 20 - G92XYZ ‘定义起点 S1000M04 ‘定义主轴转速为 1000rpm，M04 表逆时针转 G91G01Z-210.360F400 ‘此句表示 Z 轴以 400mm/min 的速度，相对点向下 进给 210.360mm， G91 表示相对坐标，F 表示进 给率 G4K200 ‘停顿 2s (P200=215820) ‘底板平面的值，用来表示第二软限位，防止搅拌 头扎到底板 M60 ‘激活第二软限位 G91G01Z-5.1F3.0 ‘此时的 F 跟工艺有关，可以根据需要进行调节。Z 轴的进给率和母材的厚度有关，根据母材的厚度 进行调节 G04K500 ‘这时的停顿时间是工艺参数，表示预热时间。 G01X100F30 ‘X 轴的进给率 30mm/min 和进给值 100mm G04K400 ‘停顿 4s G01Z20F100 ‘Z 轴向上升起 20mm，速度为 100mm/min G4K100 ‘停顿 1s M05 ‘主轴停止转动 G01X-100F500 ‘Z 轴回到起点 M62 ‘取消第二软限位 M30 ‘程序结束 2.2.3 Ti-6Al-4V钛合金搅拌摩擦焊接工艺设计 试验选用的试件尺寸为 250mm×80mm×3mm，用卡具刚性固定在底座 上进行搅拌摩擦焊堆焊。在焊接过程中搅拌头基本垂直于试件方向(有 3° 的倾角)，如图 4-1 所示。与搅拌头接触的试件面称为“顶面”，和背部垫板 直接接触的试件面称为“根面”；前进面和后退面则根据搅拌头的的行走方 向和旋转方向来定的，在本试验中搅拌工具与工件的相对运动被假设为搅拌 工具静止，工件运动，定义为搅拌探头的旋转方向与焊接方向一致时为“前 进侧”，旋转方向与焊接方向相反时为“回转侧”。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 21 - 图 4-1 搅拌摩擦焊过程俯视图 试验步骤： 第一阶段：用纯钨搅拌头进行 Ti-6Al-4V 钛合金的搅拌摩擦焊堆焊焊 接，对其焊缝成形规律进行研究。在固定旋转速度，改变焊接速度和固定焊 接速度，改变旋转速度两种情况下进行搅拌摩擦焊试验。通过金相显微镜观 察焊缝不同区域的微观晶粒结构，分析旋转速度和焊接速度对微观组织的影 响。 第二阶段： 进行力学性能及断口分析，研究焊缝成形与力学性能之间 的影响规律。 2.3 Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊焊缝成形工艺 用纯钨搅拌头进行 Ti-6Al-4V 搅拌摩擦焊接，其工艺参数是当搅拌头旋 转 速 度 为 600rpm 时 ， 焊 接 速 度 分 别 为 80mm/min ， 100mm/min ， 150mm/min；当搅拌头旋转速度为 400rpm 时，焊接速度为 96mm/min。 搅拌摩擦焊的工艺参数主要包括搅拌头的倾角、搅拌头的旋转速度、焊 接速度、焊接压力、搅拌头的插入深度、插入速度、插入停留时间、搅拌头 的回抽速度、回抽停留时间。而其中搅拌头的旋转速度、焊接速度、焊接压 力是最主要的。 搅拌摩擦焊焊缝成形不良主要表现为焊缝表面成形不好，或在焊缝内部 出现孔洞或隧道等缺陷。这些焊接缺陷的出现与搅拌摩擦焊的摩擦生热量及 搅拌头 焊 接 方 向 旋转方向 回转侧 前进侧 - 22 - 焊缝金属的塑性流动状态有关，而搅拌摩擦焊时的摩擦生热量和焊缝金属的 塑性流动状态与旋转速度和焊接速度密切相关。对于一定形状的搅拌头，当 搅拌头对工件的压力一定时，影响搅拌摩擦焊焊缝成形的主要因素是搅拌头 的转速和焊接速度。 从焊接过程中材料的热塑性行为来看，当焊接速度过大或旋转速度过低 时，搅拌摩擦焊接所产生的热量来不及使周围金属达到热塑性状态，故不能 形成完好的焊缝，表面出现沟槽。随着后段热量的逐渐积累，沟槽逐渐变 细，最终消失，焊缝外观成形良好。但如果塑性流动仍不充分，即使焊缝外 观成形良好，内部仍有可能出现空洞、隧道等缺陷。提高旋转速度或降低焊 接速度，孔洞、隧道性缺陷逐渐减小。这是由于在焊接过程中，搅拌探针在 焊件内部的搅拌作用及轴肩与焊件表面的摩擦作用，使被焊材料在探针周围 首先形成热塑性层，当转速较低或焊接速度较快时摩擦功率小，热塑性层厚 度有限，焊缝深处未能实现金属的扩散、再结晶，达到固相连接。随着转速 的提高或焊接速度的降低，摩擦功率加大，热塑性层由上至下厚度增加，使 焊缝中空洞、隧道性缺陷逐渐减少。当旋转速度提高或焊接速度降低到一定 值时，缺陷消失，焊缝成形良好，表面光滑，内部无缺陷。 当焊接速度过慢或转速太大时，搅拌头摩擦生热过量，摩擦热使轴肩平 台发生“粘头”现象，焊缝表面出现飞边毛刺，当焊缝区金属温度接近金属 熔点时，使焊缝表面凹凸不平，不能形成外观成形良好的焊接接头。 图 4-2 描述了在不同的旋转速度，不同的焊接速度条件下 Ti-6Al-4V 钛 合金搅拌摩擦焊接焊缝成形的情况。在焊接过程中，由于轴肩的下压量过 大导致搅拌头摩擦生热过量使轴肩平台发生“粘头”现象，焊缝表面出现 飞边毛刺，当焊缝区金属温度接近金属熔点时，使焊缝表面凹凸不平，甚 至焊缝被焊透，不能形成外观成形良好的焊接接头，如图 4-2a)左侧，图 4- 2c)右侧。当轴肩的下压量合适的时候，形成如图 4-2a)右侧、图 4-2b)、图 4-2c)左侧外观成形良好的焊接接头，从宏观照片上来看，焊缝成形差别很 小。图 4-2e)是图 4-2c)的焊缝背面照片，可以发现在焊缝的前进侧出现了一 道裂纹，可能是由于焊接残余应力的影响导致焊后开裂。从图 4-2f)的焊缝 宏观照片也可以看出裂纹的存在。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 23 - a) r=600rpm,v=80mm/min b) r=600rpm,v=150mm/min c) r=400rpm,v=96mm/min d) r=600rpm,v=100mm/min e) r=400rpm,v=96mm/min 焊缝背面 f)焊缝横截面宏观照片 图 4-2 焊缝宏观成形照片 2.4 微观组织分析 2.4.1 微观组织分析方法 组织分析是获得接头微观特征的常用重要手段，但是由于搅拌摩擦焊本 身的焊接特点，接头的特征十分复杂，因此进行组织分析的第一步就是获得 高对比度的接头微观组织图像。本文用氢氟酸、硝酸、甘油比例为 2:1:3 的 腐蚀剂来显示钛合金的微观组织。根据微观组织的尺寸特征使用光学显微镜 获得微观组织结构图。 2.4.2 搅拌摩擦焊焊缝微观组织区域 根据文献描述，一般情况下，搅拌摩擦焊接头的焊缝组织都包括焊核区 (Nugget) 、 热 机 械 影 响 区 (Thermo-Mechanical Affected Zone ， 缩 写 为 TMAZ)、热影响区(Heated Affected Zone，缩写为 HAZ)和基体金属区。其中 焊核区是两块焊接试件的共有部分，一般与搅拌探针的直径大小相关，一般 稍大于探针的直径而小于轴肩的直径，焊核区呈椭圆形的结构特征表明，摩 擦生热使得材料不仅在水平方向，而且在垂直方向发生塑性变形。焊核的附 属部分通常位于焊缝的上表面，其形状比较复杂，该附属部分能够延伸到工 - 24 - 具轴肩的边缘。在焊核外围有一个已经发生塑变的热机械影响区，这个区域 主要受到搅拌探针的搅拌作用，既有塑性变形的影响，又有焊接温度的影 响，有些区域会出现局部(不完全)再结晶；而热影响区没有受到变形的影 响，只受到从焊接区传导过来的热量的影响，微观组织和力学性能有所改 变；基体金属区里既没有热量影响也没有变形影响。图 4-3、4-4 为搅拌摩 擦焊堆焊焊接接头垂直横截面的组织分区示意图和实际宏观照片。 图 4-3 搅拌摩擦焊焊缝分区组织示意图 图 4-4 搅拌摩擦焊焊缝横截面的宏观照片 从图 4-4 的宏观照片可以看出焊缝区呈几个截然不同微观组织区域，包 括沿焊缝中心线的搅拌区(Nugget)，围绕搅拌区的热影响区(HAZ)和母材。 与铝合金的搅拌摩擦焊接焊缝不同的是，钛合金的焊缝宏观图像中没有明显 的热机械影响区(TMAZ)，但实际是存在的。 我们利用光学显微镜观察了接头不同组织区域的晶粒结构，图4-5显示 了Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊接头区域微观组织的演变过程。a)图焊核区是晶粒 粗大的α′，α′是β相通过无扩散型转变而形成的某些元素在立方晶格α钛中的 过饱和针状马氏体。焊核区的峰值温度超过了β转变温度，由于较快的冷却 TMAZ Nugget HAZ Ti-6Al-4V HAZ Nugget 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 25 - 率，β转变为针状的α′马氏体组织；b)图为热机械影响区，即靠近搅拌头边 缘外侧的焊缝组织出现相对粗大的晶粒结构，这部分由于受到热和塑性变形 的双重影响，导致晶粒长大；热机械影响区非常窄，宽度约为50μm。c)图 为热影响区，处于搅拌头轴肩边缘附近，热影响区峰值温度接近β转变温 度，β相开始增长，更多的β相形成，剩余少量的α相。d)图母材为等轴α＋晶 间β。α相为基体，β相分布在α相边界处，均呈等轴或多边形。 a) 焊核区 b）热机械影响区 c) 热影响区 d) 母材 图 4-5 搅拌摩擦焊焊缝垂直横截面上晶粒变化 2.4.3 焊核区的组织特点 焊核区晶粒比较粗大，由于焊核区的峰值温度超过了 β 转变温度，在较 快的冷却率下，β 转变为针状的 α′马氏体组织。图 4-6 描述了焊核区微观晶 粒结构的变化特征。 50μm 50μm HAZ T M A Z Nugget 20μm 20μm α β β - 26 - (a) (b) a) 焊核表层 b) 焊核中心 c) 焊核底部 图 4-6 搅拌摩擦焊焊核区晶粒大小变化 从图中可以明显的看出，焊核底部与焊核中心的晶粒差别不大,但均大 于焊核顶部。焊核顶部晶粒相对细小的原因，可能是由于搅拌头与轴肩直接 接触，引起了很大程度的变形，使得晶粒变得细小。而焊核中心由于其热输 入包括轴肩与试件“顶面”的摩擦和搅拌针与试件基体的摩擦热的总和，从 而引起晶粒转变与长大。 2.4.4 焊接速度对焊核区晶粒组织的影响 图 4-7 描述了在一定的旋转速度，不同的焊接速度情况下焊核区微观晶 粒结构的变化特征。 50μm 50μm 50μm 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 27 - a） r=600rpm,v=80mm/min b）r=600rpm,v=100mm/min c）r=600rpm,v=150mm/min 图 4-7 不同焊接速度条件下微观晶粒结构变化 由图中可知当转速一定时，焊接速度越大，焊核中心的晶粒越细小。焊 接速度越大，热输入越小，热量不足导致晶粒增长缓慢。 50μm 50μm 50μm - 28 - 结论 1. 在焊接过程中，纯钨搅拌头磨损与变形非常严重；硬质合金搅拌头 扎入深度很小时，钎料熔化且被挤出。用纯钨搅拌头焊接时，焊缝中夹有钨 元素。 2. 钛合金搅拌摩擦焊接时的最高温度至少为1000℃，而测得搅拌头轴 肩边缘处的最高温度为540.2℃，焊接过程中焊缝两侧温度并不对称，各点 热循环曲线的最高温度也不呈对称分布，加热速度较快，而冷却速度却较 慢。温度随距离搅拌头肩部越远，温度越低。 3. 采用搅拌摩擦焊方法能够焊接钛合金，并且得到成形良好的钛合金 焊接接头。焊接接头由焊核区、热机械影响区、热影响区及母材四部分组 成。焊核区为晶粒粗大的 α′ 过饱和针状马氏体；热机械影响区非常窄，宽 度约为 50μm；热影响区为少量的 α 相，更多的 β 相；母材为等轴 α＋晶间 β。当转速一定时，焊接速度越大，焊核中心的晶粒越细小。 4. 焊接接头拉伸强度与焊接速度和旋转速度有着密切的关系，当旋转 速度为600rpm,焊接速度为80mm/min时，焊缝成形良好并且接头的拉伸强 度几乎达到了母材的100％。接头热影响区的显微硬度与基体金属相比显著 上升，在焊缝区沿厚度方向显微硬度有轻微变化。接头拉伸断裂一般发生在 焊缝处。