钛合金厚板T形接头搅拌摩擦焊工艺对组织性能的影响研究

摘要

本文对10 mm厚的TC4钛合金T形接头进行了搅拌摩擦焊(FSW)工艺试验，设计了钛合金T形接头搅拌摩擦焊工装，分析了筋板凸出高度和搅拌头旋转速度对焊缝成形的影响，并探讨了焊缝组织演变和力学性能的规律.结果表明，搅拌头的挤压作用会导致T形接头筋板在焊接过程中凹陷，使得焊缝成形困难．当筋板凸出高度为1 mm、轴肩下压量为0.2 mm、旋转速度为150～250 r/min、焊接速度为50 mm/min时，成功制备了10 mm厚无缺陷的钛合金T形接头．钛合金T形接头横截面上焊缝呈现碗状结构，包括母材(BM)、热影响区(HAZ)、热机影响区(TMAZ)和搅拌区(SZ)4个区域．母材包括长条状α相及岛状晶间β相，平均晶粒尺寸为4.65μm．相较于母材，热影响区呈现片层状α+β组织和等轴α相混合结构，平均晶粒尺寸为5.17μm．搅拌区上部、中部和热机影响区则形成了片层状α+β组织，搅拌区下部热影响区呈现片层状α+β组织和少量等轴α相混合结构．其中热机影响区晶粒尺寸为3.18μm，搅拌区上部、中部与下部高温停留时间和散热条件不同时，晶粒尺寸分别为7.40μm、8.83μm和6.53μm，呈现明显的梯度变化．T形接头横截面显微硬度分布呈W形分布，抗拉强度随焊接转速增加而降低．当旋转速度为150 r/min时，T形接头沿壁板方向的抗拉强度达1 022 MPa，沿筋板方向的强度达810 MPa，断裂位置均位于热影响区，壁板断口呈韧性断裂特征，筋板断口呈韧-脆混合断裂模式．

关键词

TC4钛合金 / T形接头 / 搅拌摩擦焊 / 组织演变 / 力学性能