Microstructure and Mechanical Properties of Commercial Pure Titanium Friction Stud Welding Joint

工业纯钛摩擦螺柱焊接头组织与性能研究 Microstructure and Mechanical Properties of Commercial Pure Titanium Friction Stud Welding Joint 1 2 first-author 秦　丰（1988—），男，硕士，高级工程师，主要从事摩擦焊接工艺与装备的研究。 秦　丰（1988—），男，硕士，高级工程师，主要从事摩擦焊接工艺与装备的研究。 1 2 1 2 1 2 corresp 周　军（1963—），男，研究员，博士生导师。E-mail：mch_zhoujun@126.com。 周　军（1963—），男，研究员，博士生导师。E-mail：mch_zhoujun@126.com。 mch_zhoujun@126.com 1 2 1 2 1 2 中国机械总院集团 哈尔滨焊接研究所有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028 中国机械总院集团 哈尔滨焊接研究所有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028 Harbin Welding Institute Limited Company, CAM, Harbin 150028, China Harbin Welding Institute Limited Company, CAM, Harbin 150028, China 黑龙江省先进摩擦焊接技术与装备重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150028 黑龙江省先进摩擦焊接技术与装备重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150028 Heilongjiang Advanced Friction Welding Technology and Equipment Key Laboratory, Harbin 150028, China Heilongjiang Advanced Friction Welding Technology and Equipment Key Laboratory, Harbin 150028, China 为解决传统电弧螺柱焊焊接大直径（M≥12 mm）有色金属时焊缝合格率低、焊接工艺繁琐等问题，提出采用静龙门式搅拌摩擦焊设备配合专用螺柱焊工装对尺寸为M12、材质为TA2的工业纯钛螺柱与底板进行焊接。并对三组不同顶锻位移下的工业纯钛螺柱焊接头进行宏观形貌、显微组织、抗扭强度与显微硬度分析。结果表明，在顶锻位移较小的情况下，TA2螺柱焊接头焊缝中心出现孔洞缺陷，顶锻位移中等的情况下焊缝中心出现条状缺陷，而较大参数下接头焊合良好，未发现缺陷；顶锻位移为3 mm时接头抗扭强度最高，可达117 N·m；锻造变形组织使焊缝附近区域显微硬度明显升高。 Aiming to solve the problems such as low weld pass rate and complicated welding process when welding non-ferrous metal with large diameter (M≥12 mm) in traditional arc stud welding, the static gantry friction stir welding equipment with special stud welding fixture was used to realize the industrial pure titanium（TA2）stud welding with size M12. The macroscopic morphology, microstructure, torsional strength and microhardness of joints were analyzed under different forging displacement and forging speed. The results show that when the forging displacement is small, the hole defect appears in the center of the welding joint, and when the forging displacement is medium, the strip defect appears in the center of the welding joint, while the joint is well welded and no defect is found in the larger parameters. When the top forging displacement is 3 mm, the joint's torsional strength reaches 117 N·m. The microhardness of the area near the weld is obviously increased by forging deformation.The microhardness near the welding joint is obviously increased by forging deformation. 摩擦螺柱焊 工业纯钛 宏观形貌 显微组织 顶锻位移 抗扭强度 friction stud welding commercial pure titanium macroscopic morphology microstructure forging displacement torsional strength 前言 1 螺柱焊属于一种高速、半自动的焊接工艺，现广泛应用于建筑施工、汽车、LNG船舶等工业领域。传统螺柱焊方法是将待焊螺柱与板材接触通电引弧，电弧热使螺柱和板材接触部分的材料熔化并将螺柱强行压入熔化区形成焊缝并完成连接 ［ 1 1 ］ 。由于传统螺柱焊本质是电弧焊方法，焊缝易出现气孔、夹渣等熔化焊缺陷，而且在焊接钛等有色金属和大尺寸螺柱（≥M12）时需要依靠磁环和惰性气体相配合对熔池进行强迫成形和气体保护，工艺较繁琐，导致焊缝合格率较低。 基于摩擦焊原理的摩擦螺柱焊方法与电弧螺柱焊相比具有独特优势，焊接时夹具夹持螺柱进行高速旋转并向底板进行摩擦顶锻，材料在摩擦热与顶锻力的影响下受热软化挤出飞边并最终形成焊接接头。目前已有学者针对钢的摩擦螺柱焊 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ， 5 5 ］ 、铝合金摩擦螺柱焊 ［ 6 6 ］ 、水下摩擦螺柱焊 ［ 7 7 - 9 9 7-9 ］ 以及铝/钢异种金属摩擦螺柱焊 ［ 10 10 ］ 进行了系统研究，包括接头的显微组织与力学性能、电化学性能、耐腐蚀性能等，但针对钛摩擦焊螺柱焊工艺的研究报道较少。 本文利用搅拌摩擦焊设备配合专用工装实现了工业纯钛TA2的摩擦螺柱焊接，并对不同焊接参数下的螺柱焊接头的宏观形貌、显微组织和力学性能进行测试，分析总结焊缝形成过程与接头性能特点，以期为有色金属摩擦焊螺柱焊工艺的应用与发展提供理论基础与数据依据。 试验材料、设备与方法 1 试验材料与焊接设备 2 试验用材料是螺纹直径为M12的TA2钛螺柱与厚5.8 mm的TA2钛板，抗拉强度为500 MPa，尺寸如 图1 图1 所示，化学成分见 表1 表1 。 Fe N C H O Ti 0.26 0.03 0.08 0.15 0.25 余量 摩擦焊机采用哈焊所生产的静龙门式搅拌摩擦焊设备，型号为HWI-JBH-L-20，该设备采用恒位移控制方式，具备五轴四联动运动属性，可实现任意平面二维曲线搅拌摩擦焊接功能，主轴最高转速可达2 500 r/min。设备外观如 图2 图2 所示。 焊接方法 2 利用搅拌摩擦焊机实现螺柱焊功能首先要解决焊机对螺柱的装卡问题。本文中根据螺柱定位要求与特征设计并制作了螺柱夹具。夹具内腔为内螺纹结构，焊前将螺柱的外螺纹部分旋进夹具并紧固，确保焊接时螺柱不发生轴向窜动与打滑，防止焊接能量损失，然后将夹具以侧固定形式安装在焊机刀柄上，如 图3 图3 所示。 试验所用搅拌摩擦焊机与传统旋转摩擦焊机的控制原理不同。传统的横向旋转摩擦焊机采用压力控制，焊接时包括摩擦与顶锻过程，参数设置包括摩擦与焊接压力、时间等，而本文中采用位移控制的搅拌摩擦焊机实现纵向的摩擦螺柱焊，需利用G代码编程命令模拟横向旋转摩擦焊的“摩擦—顶锻”过程，焊接时凭借静龙门设备高刚度的结构特征，可以很好地保证焊接压力的施加。焊接参数包括主轴转速、主轴行进速度、摩擦位移、顶锻位移共4项，其中将顶锻位移作为试验变量。焊接参数见 表2 表2 。焊接前用角向磨光机对待焊面进行打磨，去除表面氧化物及其他杂质，焊后对进行扭矩试验的螺柱进行清根处理。 编号 主轴转速 /（r·min -1 ） 主轴行进速度 /（mm·min -1 ） 摩擦位移 /mm 顶锻位移 /mm 1 1 000 1 000 3 0.5 2 1 000 1 000 3 1 3 1 000 1 000 3 3 金相分析与力学性能检测 2 焊后利用线切割机制取金相试样，用金相砂纸打磨至2000目并抛光后用Kroll试剂进行腐蚀，在Axiovert 40 MAT金相显微镜下观察组织形貌。扭矩试验根据GB/T 41984—2022进行，利用MDS-500型数显扭矩扳手测试界面接合强度。根据GB/T 4340.1—2009进行显微硬度试验，显微硬度仪型号HVS-100A，试验载荷2.942 N，保压时间15 s。 试验结果与分析 1 焊接接头外观与焊缝宏观形貌 2 焊接接头外观如 图4 图4 所示。由 图4 图4 可知，焊后三组螺柱接头与底板均保持了较好的垂直关系，根部未产生明显墩粗，但均残留有焊接飞边，且飞边形貌与飞边量具有明显差异。1号接头由于顶锻位移最小，焊后飞边量较少，过热的钛材并未完全被顶锻力挤出焊缝，导致焊缝根部周圈出现氧化痕迹；随着顶锻位移的进一步增加，2号接头的焊接飞边相比1号有所增加，飞边形貌呈完整的圆环形；3号接头顶锻位移最大，焊接时将摩擦顶锻过程产生的塑性金属挤压至较远位置。 1;2;3; 焊缝宏观形貌如 图5 图5 所示。由图可知，在摩擦热和顶锻力的综合影响下，焊缝结合面（ 图5 图5 中虚线）两侧形成了不同的热力影响区，与此同时，焊接参数的不同也导致热力影响区在尺寸分布上存在明显差异。1号接头由于顶锻位移较短，螺柱侧母材在与底板产生旋转摩擦后发生塑性软化形成较宽的热力影响区，底板侧形成“月牙形”热力影响区，值得注意的是，1号接头焊缝中心存在孔洞，分析认为这是由于顶锻位移较小，导致热量输入不够，达到塑化状态的材料不足，顶锻变形量不足；2号接头由于增加了顶锻位移，螺柱侧与底板侧热力影响区经过塑性软化过程后大部分材料被顶锻挤压出焊接界面形成飞边，导致热力影响区变窄；3号接头焊缝宏观形貌与2号接头类似，由于顶锻变形量较大，宏观形貌下2号与3号接头焊缝线位置均未发现孔洞型缺陷。 1;2;3; 显微组织 2 为进一步研究焊缝微观组织特征，对三组接头的1/2半径处与焊缝线中心区域进行显微组织观察。 图6 图6 为1号接头1/2半径处与焊缝中心微观组织形貌特征。由图可知，焊缝1/2半径处上半区（即螺柱侧热力影响区）显微组织特征为针状α相，该部分在焊接时受摩擦热影响，原基体等轴状α相向β相转变，较快的冷却速度和较小的顶锻位移导致β相冷却后形成针状形貌α相。焊缝1/2半径处下半区（即底板侧热力影响区）受顶锻作用同时未参与飞边形成，经过了较充分的塑性变形与再结晶过程，显微组织特征为细小的等轴α晶粒，上下半区交界没有可见缺陷存在。焊缝中心区域（见 图6b） 图6b） 发现存在孔洞型缺陷，说明焊缝中心区域在焊接时塑性金属流动性较差，低水平的摩擦热量未使焊缝中心区域两侧母材充分接触焊合。 1;2; 图7 图7 为2号接头1/2半径处与焊缝中心微观组织形貌特征，由图可知，顶锻位移增加后，焊缝1/2半径处上半区组织受摩擦热影响后经过了较大程度的顶锻变形，螺柱侧热力影响区大部分材料经过塑性挤压排出到焊缝外形成飞边，残留材料形成变形α相，焊缝1/2半径处下半区组织为细小的等轴α相。焊缝中心区域（见 图7b） 图7b） 可见螺柱侧热力影响区经过顶锻形成飞边后残留的带状区域，该区域下半部分交界处存在未焊合缺陷，由此可知在中等水平的顶锻位移下，焊缝中心区域摩擦热与顶锻力水平仍无法满足焊合要求。 1;2; 图8 图8 为3号接头1/2半径处与焊缝中心微观组织形貌特征。由图可知，顶锻位移继续增加后，焊缝1/2半径处上半区组织仍为变形α相，下半区组织由于经过了充分顶锻，摩擦热量充足，冷却速度较慢，最终由高温β相转变为较粗大的块状α相。焊缝中心经过充分顶锻与塑性变形后条带区域消失，未发现孔洞型缺陷与条状缺陷，焊合良好。 1;2; 力学性能 2 对接头进行抗扭强度测试，结果如 图9 图9 所示，可以看出，接头抗扭强度随着顶锻位移的增加而增加。1号与2号接头由于焊缝中心缺陷的存在，抗扭强度未超过100 N·m，3号接头抗扭强度最高，达到117 N·m。 螺柱焊接头显微硬度试验位置与结果如 图10 图10 所示，三组接头在底板侧硬度较低，测试位置靠近焊缝后由于组织形貌从等轴状改变为变形组织，显微硬度与母材相比明显升高。1号试样螺柱侧为组织较为稳定的针状α相，显微硬度未发现明显波动；2号与3号试样显微硬度先升高后降低，是由于测试点经过锻造变形组织后又经过热影响区所致，最终显微硬度恢复至螺柱侧母材水平。 结论 1 （1）在工业纯钛摩擦焊螺柱焊工艺中，顶锻位移的改变会影响焊接接头的显微组织与力学性能。当顶锻位移较小时焊缝中心易出现孔洞或未焊合缺陷，降低接头力学性能，增加顶锻位移后，可以保证焊接界面无显微缺陷，提高接头强度。 （2）由于摩擦螺柱焊为“板-棒”型接头，焊接时飞边主要由螺柱侧热力影响区受摩擦热软化挤压形成，底板侧主要受摩擦热与顶锻作用，材料塑性流动较少，导致螺柱侧与底板侧热力影响区组织与性能上有所差异。 （3）利用静龙门式搅拌摩擦焊设备能够实现工业纯钛的摩擦焊螺柱焊，焊缝力学性能良好，但整个过程为半自动化焊接，焊接效率较低。摩擦螺柱焊属于固相连接方法，焊接钛等有色金属时无需磁环与惰性气体保护，与此同时，全机械控制的摩擦螺柱焊过程能够充分保证焊接精度。今后应着重开展全自动摩擦焊螺柱焊专机的研发工作，发挥摩擦焊全机械控制优势，保证焊接精度、焊接质量与焊接效率。 参考文献 Chambers Harry A . 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