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1、第26卷第11期焊接学报Vo.l26No.112005年11月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONNovember2005钛合金的搅拌摩擦焊探索栾国红,柴鹏,孙成斌(北京航空制造工程研究所中国搅拌摩擦焊中心,北京100024)摘要:通过对钛合金热物理性能分析,比较了钛合金的搅拌摩擦焊特性;针对钛合金的特点特别设计和使用了可以满足钛合金搅拌摩擦焊的搅拌头、垫板、冷却和保护装置等;并且对T-i6A-l4V钛合金的搅拌摩擦焊焊
2、缝和接头进行了观察分析,还对接头力学性能进行了测试,初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊接,接头强度可以达到母材强度90%以上,但是搅拌摩擦焊工艺、参数、搅拌头还需要进一步优化,性能指标还可以进一步提高。关键词:搅拌摩擦焊;钛合金;焊接性中图分类号:TG453文献标识码:A文章编号:0253-360X(2005)11-83-06栾国红0序言艺和对搅拌头的要求以及T-i6A-l4V钛合金材料的搅拌摩擦焊组织性能和分析。自1991年英国焊接研究所发明搅拌摩擦焊技[1]术以来,基于搅拌摩擦
3、焊技术的简单、优质、高1钛合金FSW焊接性[2]效、环保及自动化等方面的诸多优越性,经过世界范围内10多年的研究和开发,搅拌摩擦焊已经在迄今,搅拌摩擦焊主要针对铝、镁等轻合金金属[3,4][5][6]轻金属材料(如铝合金、镁合金及铜合金材料进行开发和应用。在世界范围内钛合金搅拌摩等)领域得到非常瞩目的发展和很多成功的工业化擦焊研究较少,公开发表的文献资料也非常罕见。应用。随着该技术的快速发展及在工业制造领域的所以针对搅拌摩擦焊的特点,首先对钛合金的搅拌成功应用,搅拌摩擦焊的发展逐渐向黑色金属及其摩擦焊
4、可焊性进行了分析。它高熔点材料转移,其中钛合金的搅拌摩擦焊就是T-i6A-l4V属于+相钛合金,熔焊的焊接性其发展的一个方面。比较好,在焊接温度超过980时会发生同素异构目前由于性价比原因,钛合金材料主要应用于相变。材料微观组织的改变会影响到材料的性能,航天、航空工业制造领域。基于钛合金材料具有抗因此钛合金焊接过程中的温度峰值将对接头性能产腐蚀、耐高温和比强度高等优点,目前在宇航领域,生直接影响,需要通过焊接工艺参数优化来控制焊尤其是飞机制造领域得到越来越广泛地应用。据报接热循环过程,并控制焊接接
5、头的质量。道国外有些型号飞机钛合金材料的使用量已经超过钛的化学活性随温度升高而增强,在高温条件了整机材料使用量的30%。下其表面氧化层厚度会增加,温度高于648时,钛传统条件下,钛合金材料可以采用熔焊方的抗氧化能力急剧下降。钛在固态下能吸收气体,[7]法,如氩弧焊(TIG)、电子束(EB)和等离子(PA)加热至300时,就开始吸收氢;加热至400时,等方法进行焊接。但是由于熔焊条件苛刻、过程复开始吸收氧;在600是开始吸收氮。纯钛中含有杂,并且容易产生缺陷和接头强度较低等原因,人们氧、氮、氢等气
6、体元素会使材料的塑性下降,因此,钛开始探索利用新型的搅拌摩擦焊技术来解决和改善合金搅拌摩擦焊焊接过程中应注意对焊缝的保护。[8]钛合金材料的焊接。另外,钛合金的基本热物理特性(表1)对T-i作者针对宇航结构中常用的T-i6A-l4V(TC4)6A-l4V材料搅拌摩擦焊焊接的可行性和工艺难度钛合金材料进行了搅拌摩擦焊探索性研究,也有重要影响。主要介绍了钛合金的焊接特性、搅拌摩擦焊焊接工搅拌摩擦焊焊接过程中的搅拌头对焊缝的能量输入,一部分使焊缝区域温度升高,另一部分则由于收稿日期:2005-08-23热传导
7、向焊缝周围材料和工件传递。在结构、厚度84焊接学报第26卷表1钛与几种常用金属材料的物理性能比较Table1Physicalfeaturesofmetals金属材料熔点温度T/密度(20)/(gcm-3)比热容(0~500)C/(Jg-1K-1)热导率(20)/(Wm-1K-1)钛16684.50.5415钢15797.80.4667.4铜10838.90.38384铝6602.70.89200.8以及相同焊接条件下,一定材料的比热容与热导率的比值在一定程度
8、上反映了搅拌摩擦焊过程中焊接热输入在焊缝及其它区域中的分配关系,称之为能量分配系数(Sc)。由表1可知,钛、钢、铜以及铝的能量分配系数分别为0.04,0.007,0.001,0.004。可见钛的能量分配系数最大,也即同样热输入条件下,钛合金材料更容易达到焊接温度,反之即要达到相同的焊接温度,钛合金材料需要较少的能量输入。图1中国搅拌摩擦焊中心钛合金搅拌摩擦焊设备如果考虑不同焊接材料的密度可以知道单位体Fig.1FS-welderfort
