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TC4钛合金背面加热辅助FSW的接头成形与性能研究

王玉晓  
【摘要】:钛合金因具有密度小、耐热性好、强度高和抗腐蚀性好等优点而被广泛应用于现代航空制造工业中。然而,传统熔焊方法会造成如气孔、热裂纹、高残余应力和大变形等缺陷,严重降低钛合金接头的性能。搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)是一种固相连接技术,其焊接过程中的温度峰值低于材料的熔点,因此可避免诸多熔化焊缺陷。近年来,随着FSW技术在低熔点材料上的应用日趋成熟,国内外学者将更多的精力用于钛合金等高熔点材料的焊接过程中,以期获得良好的焊接接头。众所周知,FSW过程中搅拌头轴肩与工件之间的产热远大于搅拌针且TC4钛合金的热导率很低,因此焊接过程中沿焊缝垂直方向会存在较大的温度梯度,进而在焊缝底部出现撕裂缺陷。该撕裂缺陷的存在使得钛合金FSW的工艺参数范围较窄,不利于在钛合金结构件中的实际应用与推广。为解决此问题,本文提出一种背部加热辅助的FSW工艺。首先,研究常规工艺下TC4钛合金接头成形规律和搅拌头的磨损。当搅拌头转速为200rpm时,焊缝表面氧化现象严重且飞边较大,焊缝内的撕裂缺陷几乎贯穿整个焊缝底部。随着搅拌头转速的降低,接头表面成形趋于良好,内部撕裂缺陷逐渐减小。当转速为100rpm时,FSW接头内的缺陷消失。针对搅拌头的镦粗、粘结、机械磨损和氧化磨损等磨损形式,本文主要采取了低焊速、气体保护和预置小孔等措施。其次,研究背部加热工艺下TC4钛合金接头成形规律。与常规工艺相似,接头表面同样存在飞边、凹陷和氧化等缺陷,但背部加热可明显扩宽工艺参数范围。当搅拌头转速为200rpm时,接头内部仍存在撕裂缺陷,但其尺寸相对于常规工艺下明显减小。当转速降低至150rpm时,撕裂缺陷消失。随着搅拌头转速继续降低,接头内部无缺陷且表面成形良好,原因是背部加热工艺减小了沿焊缝垂直方向的温度梯度。另外,背部加热工艺可增强TC4钛合金材料的流动性,减小搅拌头的磨损。由于背部加热工艺减小了温度梯度,接头中的组织更加均匀,接头中整个焊核区均为片层状组织。最后,对常规工艺和背部加热工艺下接头的力学性能进行测试。当搅拌头转速为100rpm时,常规工艺下的接头抗拉强度为1014MPa,达到母材的98.9%;延伸率为6.8%,为母材的54.4%,接头断裂在焊核区边缘。背部加热工艺下接头的抗拉强度为958.45MPa,比常规工艺略低,但是仍可达到母材的93.6%。两种工艺下接头焊核区硬度均高于母材。


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