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搅拌摩擦焊应用于铝/钛异种金属焊接

来源:钛棒,钛板,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2016-5-20 16:08:10

铝/异种金属的焊接性较差,其焊接既是热点也是难点,目前还没有一种成熟的工艺可以用于铝/ 钛异种金属的焊接,搅拌摩擦焊作为一种新型的固态连接方法在铝/钛异种金属连接方面具有很好的前景,但焊接过程中也会不可避免地形成脆性相,造成接头性能不高,同时对搅拌头造成严重的磨损、影响焊接质量的稳定性和搅拌头寿命。因此,有必要研究铝/钛异种金属搅拌摩擦焊接头中脆性相的形成机理、分布规律及其与接头性能的相关性,并采取相应的措施控制脆性相的形成与分布,为提高接头的强度和质量稳定性奠定基础。

对于TC1钛合金/LF6铝合金异种金属搅拌摩擦焊的对接焊,当搅拌头的旋转速度为750r/min、焊接速度为118mm/min、搅拌头倾角为2°时能够获得较好的焊缝成形搅拌摩擦焊接头中钛合金母材与焊核的界面凸凹不平、边界线处存在白亮的颗粒,而铝合金母材与焊核的界面光滑、平整,结合良好;焊核区组织为铝合金基体上分布着大小不等的颗粒在扫描电镜下观察,焊核区铝合金基体上分布的颗粒有两种类型,一种颗粒的尺寸较小、呈细长条状;另一种颗粒尺寸较大,整体呈暗灰色、边缘有少量发亮的条带。能谱分析结果表明两种颗粒中均有Ti-Al金属间化合物存在。钛合金/铝合金异种材料焊接时搅拌头的磨损很严重,在焊核和铝合金母材的边界存在搅拌头磨损后脱落的颗粒。上述研究表明,由于铝、的活性均较强,铝/钛搅拌摩擦焊和钎焊、扩散焊类似,在接头中也会形成多种Ti-Al金属间化合物,使得焊缝变脆、强度降低。当工艺参数不恰当时,在焊接过程中会出现开裂。焊接接头中脆性相的硬度较高,一方面对搅拌头造成严重的磨损、影响焊接质量的稳定性和搅拌头寿命;另一方面,焊缝中的缺陷也往往是由于脆性相粘着在搅拌头上、对焊缝塑性金属的流动造成不利影响而产生的。因此,对于铝/钛异种金属的搅拌摩擦焊,目前接头强度还无法实现与铝合金母材等强。但试验中同时发现,搅拌摩擦焊不同于钎焊、扩散焊,脆性相不是处于材料的连接界面上,而是在搅拌针作用下随塑性金属的流动而分布在焊缝的不同位置。

搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接方法,基本不受被焊材料的物理化学性能、机械性能、晶体结构等的影响,对于克服材料性能差异导致的焊接困难具有极大的优势,从2009年开始,国外有些学者开始采用搅拌摩擦焊来连接铝/异种金属。采用搅拌摩擦焊技术实现了纯钛和Al-Si 合金的搭接连接,观察了接头的微观组织、相结构,测试了接头的性能,结果表明,焊接接头的强度达到Al-Si 合金母材的62%,焊接接头界面区形成了TiAl3 相。采用搅拌摩擦焊技术实现了Ti-6Al-4V钛合金和2024-T3 铝合金的对接焊,焊接接头的抗拉强度达到铝合金母材的73%。

本文作者对LF6铝合金/TC1 钛合金异种材料搅拌摩擦焊搭接和对接接头的微观组织结构和性能进行了研究。采用搅拌摩擦焊对TC1钛合金和LF6铝合金异种金属进行了搭接连接,当搅拌头旋转速度为1500r/min、焊接速度为60mm/min 时,能获得焊缝成形良好、无孔洞和裂纹等缺陷的搭接接头搭接处铝合金和钛合金充分混合,形成焊核区。焊核两侧进入铝合金中的钛合金在搅拌针的挤压下发生了弯曲,使得钛/铝紧密结合。搭接接头中心部位的搭接界面区呈层状组织可分为3层:靠近焊核和靠近钛合金母材一侧的均为黑白相间的条带状组织,含有焊接过程中生成的Ti-Al金属间化合物;夹在中间的为黑色片状组织和灰色基体上分布黑色颗粒的条带状组织,分别是被搅入界面区的钛合金母材和钛合金母材与铝合金母材的机械混合物。

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