攪拌摩擦焊應用于鋁/鈦異種金屬焊接

鋁/鈦異種金屬的焊接性較差，其焊接既是熱點也是難點，目前還沒有一種成熟的工藝可以用于鋁/ 鈦異種金屬的焊接，攪拌摩擦焊作為一種新型的固態(tài)連接方法在鋁/鈦異種金屬連接方面具有很好的前景，但焊接過程中也會不可避免地形成脆性相，造成接頭性能不高，同時對攪拌頭造成嚴重的磨損、影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和攪拌頭壽命。因此，有必要研究鋁/鈦異種金屬攪拌摩擦焊接頭中脆性相的形成機理、分布規(guī)律及其與接頭性能的相關(guān)性，并采取相應的措施控制脆性相的形成與分布，為提高接頭的強度和質(zhì)量穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

對于TC1鈦合金/LF6鋁合金異種金屬攪拌摩擦焊的對接焊，當攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為750r/min、焊接速度為118mm/min、攪拌頭傾角為2°時能夠獲得較好的焊縫成形攪拌摩擦焊接頭中鈦合金母材與焊核的界面凸凹不平、邊界線處存在白亮的顆粒，而鋁合金母材與焊核的界面光滑、平整，結(jié)合良好；焊核區(qū)組織為鋁合金基體上分布著大小不等的顆粒在掃描電鏡下觀察，焊核區(qū)鋁合金基體上分布的顆粒有兩種類型，一種顆粒的尺寸較小、呈細長條狀；另一種顆粒尺寸較大，整體呈暗灰色、邊緣有少量發(fā)亮的條帶。能譜分析結(jié)果表明兩種顆粒中均有Ti-Al金屬間化合物存在。鈦合金/鋁合金異種材料焊接時攪拌頭的磨損很嚴重，在焊核和鋁合金母材的邊界存在攪拌頭磨損后脫落的顆粒。上述研究表明，由于鋁、鈦的活性均較強，鋁/鈦攪拌摩擦焊和釬焊、擴散焊類似，在接頭中也會形成多種Ti-Al金屬間化合物，使得焊縫變脆、強度降低。當工藝參數(shù)不恰當時，在焊接過程中會出現(xiàn)開裂。焊接接頭中脆性相的硬度較高，一方面對攪拌頭造成嚴重的磨損、影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和攪拌頭壽命；另一方面，焊縫中的缺陷也往往是由于脆性相粘著在攪拌頭上、對焊縫塑性金屬的流動造成不利影響而產(chǎn)生的。因此，對于鋁/鈦異種金屬的攪拌摩擦焊，目前接頭強度還無法實現(xiàn)與鋁合金母材等強。但試驗中同時發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊不同于釬焊、擴散焊，脆性相不是處于材料的連接界面上，而是在攪拌針作用下隨塑性金屬的流動而分布在焊縫的不同位置。

攪拌摩擦焊是一種新型的固態(tài)連接方法，基本不受被焊材料的物理化學性能、機械性能、晶體結(jié)構(gòu)等的影響，對于克服材料性能差異導致的焊接困難具有極大的優(yōu)勢，從2009年開始，國外有些學者開始采用攪拌摩擦焊來連接鋁/鈦異種金屬。采用攪拌摩擦焊技術(shù)實現(xiàn)了純鈦和Al-Si 合金的搭接連接，觀察了接頭的微觀組織、相結(jié)構(gòu)，測試了接頭的性能，結(jié)果表明，焊接接頭的強度達到Al-Si 合金母材的62%，焊接接頭界面區(qū)形成了TiAl3 相。采用攪拌摩擦焊技術(shù)實現(xiàn)了Ti-6Al-4V鈦合金和2024-T3 鋁合金的對接焊，焊接接頭的抗拉強度達到鋁合金母材的73%。

本文作者對LF6鋁合金/TC1 鈦合金異種材料攪拌摩擦焊搭接和對接接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能進行了研究。采用攪拌摩擦焊對TC1鈦合金和LF6鋁合金異種金屬進行了搭接連接，當攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1500r/min、焊接速度為60mm/min 時，能獲得焊縫成形良好、無孔洞和裂紋等缺陷的搭接接頭搭接處鋁合金和鈦合金充分混合，形成焊核區(qū)。焊核兩側(cè)進入鋁合金中的鈦合金在攪拌針的擠壓下發(fā)生了彎曲，使得鈦/鋁緊密結(jié)合。搭接接頭中心部位的搭接界面區(qū)呈層狀組織可分為3層：靠近焊核和靠近鈦合金母材一側(cè)的均為黑白相間的條帶狀組織，含有焊接過程中生成的Ti-Al金屬間化合物；夾在中間的為黑色片狀組織和灰色基體上分布黑色顆粒的條帶狀組織，分別是被攪入界面區(qū)的鈦合金母材和鈦合金母材與鋁合金母材的機械混合物。