苍睿智，柯黎明，卜文德

(南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，江西 南昌 330063)

TC4钛合金惯性摩擦焊接头塑性金属流动行为研究

苍睿智，柯黎明，卜文德

(南昌航空大学 轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，江西 南昌 330063)

分别对相同焊接面积和不同焊接面积的TC4钛合金棒材进行惯性摩擦焊试验，通过镶嵌标示材料的方法，探讨了其焊缝附近塑性金属的流动行为。研究表明，在焊接过程中，焊缝附近塑性金属呈两种运动方式：焊缝面的水平圆周运动和焊缝厚度方向的螺旋前进运动。当焊接面积相同时，塑性金属在摩擦扭矩、顶锻压力和“X”形焊缝的作用下，以螺旋的流动方式向焊缝流动。外缘塑性金属最先流出焊缝形成最初的飞边，随后内部金属流出形成接近焊缝的飞边。当焊接面积不同时，在摩擦扭矩、顶锻压力和“弧”形焊缝的作用下以螺旋的流动方式向焊缝流动，细端外缘塑性金属最先流出焊缝形成最初的飞边，随后细端内部金属流出形成接近细端焊缝的飞边，当细端飞边达到与粗端焊接面积相同时粗端才会出现飞边。

TC4钛合金；惯性摩擦焊；流动行为

0 前言

TC4钛合金由于比强度较高，被广泛应用于航空、军事、造船等领域。由于钛合金在焊接条件下易与氧、氮、氢等气体发生反应，产生接头脆化、裂纹、气孔等缺陷[1-3]，因此选择一种适合钛合金的焊接方法是制造钛合金结构件的关键。在许多焊接方法中，摩擦焊是一种固态连接方法，焊接过程有短时、高压、大变形的特点，在焊接过程中可以去除金属表面的氧化膜，且不易形成气孔、缩孔等缺陷，因此用惯性摩擦焊焊接钛合金可以得到可靠的接头[4]。

研究者普遍认为，焊缝金属的塑性流动行为与焊缝形成有关，从而影响接头的性能。如何获得最佳的焊缝流动形态，得到高质量的接头是惯性摩擦焊接急需解决的主要问题之一。已经有很多学者致力于惯性摩擦焊过程中焊缝塑性金属流动行为的研究。才萌先、孙松涛等人[5]采用焊接设备急停的方式研究45号钢摩擦焊接头焊缝金属的塑性流动。试验表明，摩擦加热开始时，焊接表面的变形层首先在距圆心1／2～2／3半径处的摩擦面上形成，在焊接结合面上有明显的塑性变形和机械挖掘现象。郑康[6]通过惯性摩擦焊焊接高温合金发现焊缝两侧金属呈现明显的螺旋流线特征，在焊缝界面可以观察到两种材料相互嵌入、相互渗合、相互交错的现象。程元义[7]等人通过惯性摩擦焊焊接45钢发现，在摩擦压力的作用下，塑性金属会随着旋转方向螺旋运动，且扭转角度随着顶锻压力的增大而增大。尽管已有学者研究了惯性摩擦焊焊接过程中的塑性金属流动，但TC4钛合金惯性摩擦焊焊缝塑性金属流动行为的研究鲜有报道，且在已有的报道中，试验材料的焊接面积均相同，并没有学者对焊接面积不同的试样进行分析，但在实际生产中不同焊接面积材料的焊接也占有相当一部分比例，所以有必要对不同焊接面积试样的焊缝附近塑性金属流动行为进行分析，并与相同焊接面积试样相比较，得出异同点。

本研究采用嵌入标示材料的方法，通过观察焊缝附近标示材料分布特征，分别分析相同焊接面积和不同焊接面积试样焊缝附近塑性金属的流动行为，为获得高质量TC4钛合金惯性摩擦焊接头提供理论依据。

1 实验方法

焊接设备为兵器工业部59所CT-25特种摩擦焊机。试验材料为TC4钛合金棒材，由于不同热处理状态的钛合金被腐蚀的难易程度不同，腐蚀后颜色会有差别，较容易区分两端金属，所以试验选用两种热处理状态的棒材，分别加热至850℃后水中淬火和加热至1 020℃后水中淬火，棒材直径分别为40 mm和30 mm。焊接试样分为两类：一类为相同焊接面积、同种热处理状态的试样，另一类为不同焊接面积、不同热处理状态的试样。在单侧焊接面嵌入标示材料，观察焊接接头塑性金属的流动形态。相同焊接面积试样在转动端加入标示材料，不同焊接面积试样在细端加入标示材料。标示材料选用纯钛丝，直径0.4 mm。采用电火花打孔，孔直径0.5 mm，孔深15 mm，将纯钛丝插入小孔，尽量保证标示材料与母材紧密接触。标示材料的分布示意如图1所示。由于钛合金在焊接时焊接面温度梯度较大，所以试验采用二级加压的方式，减小焊接面的温度梯度。试验的工艺参数如表1所示。

图1 标示材料分布示意Fig.1 Distribute schematic diagrams of maker material

表1 试验工艺参数Tab.1 Experiment technological parameter

焊后沿试样轴向剖开试样，确定焊缝位置。分别在焊缝、距焊缝0.5 mm和1 mm处截取平面，采用逐层分析的方法，观察标示材料流动形态。腐蚀液为Kroll＇s试剂，其化学成分为97 ml H2O+1 ml HF+ 2 ml HNO3，腐蚀时间60 s。

为了精确获得标示材料径向和周向的变化量，将金相照片在AutoCad软件中等比例缩放，测量图中的标识点并得到具体的变化量。在标识点径向变化量的计算中，如图2所示，D为标示点的原始位置，对于形状为圆形、椭圆、“逗号”的点，变化后标示点的半径坐标分别为OA、OB、OC的长度；在旋转角度变化量的计算中，对于形状为圆形、椭圆、“逗号”的点，变化角度分别为直线OD与OA、OD与OB、OD与OC的夹角；为便于分析，以标示材料原始半径为代号由截面圆心向外依次称之为R3、R8、R13和R18。

图2 标示材料变化量的测量方法Fig.2 Measuring method of variations of maker material

2 试验结果与分析

2.1 相同焊接面积试样焊缝附近塑性金属的流动行为

试样1的焊缝宏观形貌如图3所示，焊缝呈“X”形，转动端和固定端飞边量相同，两端的烧损量分别为1.0 mm和0.9 mm。图4是试样1不同位置处横截面的宏观形貌。图中带箭头虚线表示标示材料的流动趋势。焊缝处截面直径由40 mm增大到46.89 mm，该处截面上没有出现标示材料，其原因是试样1的两端摩擦面积相同，热输入都是沿着横截面半径的增大而递增的，从而形成“X”形焊缝，塑性金属在一个“X”形的模腔中流动，在顶锻压力的作用下，塑性金属受到大小相等的作用力，两端塑性金属在焊缝处混合并沿着焊缝同时流出。距焊缝0.5mm处的横截面上出现三圈标示材料，如图4a所示，中心位置的标示材料位置未变化，只是在顶锻压力作用下被镦粗。R3处的标示材料形状没有变化，径向和周向上移动距离很小。出现这种现象是因为横截面中心处线速度为零，相应的加热功率在摩擦开始时也为零，中心位置金属只能靠周围金属的热传导及随后的塑性变形获得热量[6]，所以中心附近金属由于热输入量不足，塑性变形量很小。R8处的标示材料形状上发生变化，且上半圆变形程度略大于下半圆，上半圆标示材料呈“逗号”形状，如图中放大所示。下半圆标示材料沿径向伸长，呈椭圆形，此截面的半径坐标为8.23，角度坐标为10°。R13处的标示材料上半圆变形量明显大于下半圆，上半圈标示材料呈弧线形，变形量很大。下半圈标示材料沿径向被拉长，呈椭圆形，变形量相对较小。产生这种现象的原因可能是由塑性层受力不均引起的。R18处的标示材料热输入量最大，随塑性金属流入飞边。图4b为试样1距焊缝1mm处的横截面，图中出现四圈标示材料，截面中心处标示材料被镦粗但位置未发生变化。四圈标示材料基本处于原始位置，径向和周向的流动距离很小，此处塑性程度低，金属流动不明显。

图3 相同焊接面积试样焊缝宏观形貌Fig.3 Macroscopic diagrams of welded joints for same area samples

图4 试样1的横截面宏观形貌Fig.4 Macroscopic diagram of longitudinal section for identical area samples

通过以上分析可以发现，相同焊接面积试样焊缝形状为“X”形，两端烧损量基本相同。焊接过程中接头附近的塑性金属在摩擦扭矩、顶锻压力和X型焊缝的作用下，以螺旋的流动方式向焊缝流动。外缘塑性金属最先流出焊缝形成最初的飞边，随后内部金属将填充外层流出的塑性金属留下的空位，形成连续的、动态的流动过程。

2.2 不同焊接面积试样焊缝附近塑性金属的流动行为

试件2的焊缝宏观形貌如图5所示，此参数下的飞边形状不规则，焊后细端烧损量为6.18 mm，粗端烧损量0.84 mm，焊缝和热力影响区呈弧形。图6a是焊缝处粗端横截面形貌，粗端焊前未置入标示材料，但在图中可以清晰的看到标示材料，并出现颜色较浅的圆圈，说明细端塑性金属压入粗端。截面中心亮度较高的圆面半径为13 mm，小于细端原始半径15 mm，出现此现象的原因是焊接时最先加热的区域在焊接面的2／3R处[8]，所以此处加热时间最长，塑性程度最高，致使细端金属从此处开始压入粗端。此截面中心位置没有标示材料，出现形状不规则、亮度较暗的小圆圈，R3处的标示材料由原来的圆形变为椭圆，在此截面的半径坐标为4.005，角度坐标为24°，有向外且沿顺时针流动的趋势。R8处标示材料形状没有改变，在此截面的半径坐标为8.173，角度坐标为4.83°，造成这种现象的原因是在焊接的中间阶段，温度梯度还较大，焊接面中心处金属还未达到塑性，整个截面呈“V”形，此时细端R3处标示材料向粗端螺旋转移动时，受到了粗端呈“V”形的刚塑性金属的阻碍，形状由圆形变为椭圆形且向半径增大的方向流动，当整个截面均达到塑性时，粗端“V”的刚塑性金属与细端塑性金属混合，最终形成了“弧”形焊缝。图6b是细端焊缝横截面形貌。此截面中心处标示点没有移动，R3和R8处标示点发生扭转，R13处标示材料完全消失。R3标示点的半径坐标为3.123，角度坐标4.25°；R8标示点的半径坐标为8.174，角度坐标为4.33°。R8处标示点的变化量与R3处的变化量相近，说明在此截面上温度梯度较小，截面塑性金属呈整体流动趋势。图6c为距焊缝0.5 mm处细端横截面形貌，与焊缝处截面相比，最大的区别是在R13处出现了标示材料，并且R13处标示材料严重变形，由原来的圆圈变为沿顺时针旋转的“逗号”形状，如放大图所示。出现这种现象的原因是此截面热输入小于焊缝截面处，此时的R13处标示材料还没有流入飞边，但已经严重变形，从此截面的标示材料形态可知塑性金属是以螺旋状流入飞边的。在半径方向上所有的点均有向圆心移动的趋势，R3处的半径坐标为2.975，角度坐标为3°；R8处的半径坐标为7.715，角度坐标为3.33°；R13处半径坐标为12.39，外圈金属严重变形，角度变化较大。出现此现象的原因可能与特殊的焊缝形状和焊后遇冷收缩有关。图6d为距焊缝1 mm处细端横截面形貌，此截面各点圆心坐标没有改变，金属没有流动痕迹。

图5 异截面试样接头宏观形貌Fig.5 Macroscopic diagrams of welded joints for different area sample

通过上述分析发现，不同焊接面积试样的焊缝形状为弧形，细端烧损量远远大于粗端烧损量。焊接过程中接头附近的塑性金属在摩擦扭矩、顶锻压力和弧形焊缝的共同作用下，以螺旋的流动方式向焊缝流动。细端外缘塑性金属最先流出焊缝形成细端飞边，随后细端内部金属将填充细端外缘流出金属的空位继续流动；此时的粗端也有塑性金属流出，但不足以形成飞边，只是沿粗端焊接面延伸，当细端飞边达到与粗端焊接面积相同时粗端才会出现飞边。

综上所述，在焊接过程中，塑性金属呈两种运动方式流动：焊缝结合面的水平圆周运动和焊缝厚度方向的螺旋前进运动。相同焊接面积试样和不同焊接面积试样接头塑性金属流动行为均是截面中心流动微弱，在径向和轴向上，塑性金属的流动行为均存在梯度；径向上，随着焊接面半径的增大径向位移增大，整个横截面变形量最大的区域位于金属外缘，随着截面半径的减小，变形量和塑化面积逐渐减小。轴向上，焊缝处金属位移、塑性变形、塑化面积均较大，此处主要受到了两端金属的互相摩擦作用。由焊缝到母材，金属主要受金属层间的剪切力作用，随着距焊缝距离的增大，金属的变形量逐渐减小，塑化程度减弱。焊接面积相同时，塑性金属同时流出焊接面形成飞边，而焊接面积不同时细端首先形成飞边，只有当细端飞边面积与粗端焊接面积相同时，粗端才会出现飞边。

图6 异面积试样横截面宏观形貌Fig.6 Macroscopic diagram of longitudinal section for different area sample

3 结论

(1)焊接过程中，焊缝附近塑化金属呈两种运动方式：焊缝结合面的水平圆周运动和焊缝厚度方向的螺旋前进运动。焊缝面金属呈水平圆周运动是由于受到摩擦扭矩的作用。而焊缝厚度方向的螺旋前进运动是摩擦扭矩和顶锻压力共同作用下产生的。

(2)当焊接面积相同时，接头附近的塑性金属在摩擦扭矩、顶锻压力和“X”形焊缝的作用下，以螺旋的流动方式向焊缝流动。结合面最外层塑性金属先被挤出界面，形成最初的飞边，随后内层材料达到塑性在压力作用下填充最外层塑性金属留下的空位，然后再被挤出，形成接近焊缝的飞边。

(3)当焊接面积不同时，接头附近的塑性金属在摩擦扭矩、顶锻压力和“弧”形焊缝的作用下，以螺旋的流动方式向焊缝流动，细端结合面最外层塑性金属先被挤出界面形成飞边，随后内层材料达到塑性在压力作用下填充最外层塑性金属留下的空位，然后再被挤出，形成接近焊缝的飞边。当细端飞边达到与粗端焊接面积相同时，粗端才会出现飞边。

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Plastic metal flow action of inertia friction welding for TC4 titanium alloy

CHANG Rui-zhi，KE Li-ming，BU Wen-de
(National Defence Key Discipline Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

This paper aimed at discussing the flow action and flow mechanism of the plastic metal near the welded line.This conclusion was based on the same and different area of rods and bars of titanium alloy using tracing material.Results showed that In the welding process，plastic metal near the welding line moves in two ways：the level circular motion on the surface of the welding line and the spiral forward motion on the thickness direction.Under condition of the same welding area，the plastic metal near the welded line flew to the welded line by the spiral type of flow with the action of the friction torque，pressure of friction，and″X″cavity.The plastic metal at the edge of friction surface blew out of the welded surface first and became the foremost flash，then the inner metal blew out and made the flash near the welded line.Under condition of the different welding area，the plastic metal near the welded joint flew to the welded line by the spiral type of flow.The plastic metal at the edge of the thin end blew out of the welded surface firstly and became the foremost flash，then the inner of the thin metal part blew out and formed the flash near the welded line.When the flash of the thin end was the same as the weld metal area of the thick end，the thick end would appeared the flash.

TC4 titanium alloy；inertia friction welding；flow action

TG453+.9

A

1001-2303(2012)04-0013-05

2012-03-13

苍睿智(1986—)，男，黑龙江人，硕士，主要从事TC4钛合金惯性摩擦焊相关方面的研究。