钛及钛合金搅拌摩擦焊研究进展

周利，周炜璐，杜正勇，赵瑞峰，孟凡新，冯吉才

(1.哈尔滨工业大学(威海)山东省特种焊接重点实验室，威海 264209;2.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001;3.首都航天机械公司，北京 100076;4.天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462)

钛及钛合金具有耐蚀性强、密度小、强度高等优点，因而在航空、航天、军工、生物医学等领域得到了广泛应用，其连接技术也得到了广泛关注。钛及钛合金采用常规熔化焊方法焊接时，易出现焊件变形大、组织发生粗化、产生气孔等缺陷。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是一种新型固相连接技术，具有焊接质量高、成本低、可重复性强及节能环保等特点，自问世以来就受到了极大关注，并已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接，取得了显著的经济效益和社会效益[1]。为进一步发挥搅拌摩擦焊的优点，扩大其应用范围，近年来已开始探索钛及钛合金等高熔点材料的搅拌摩擦焊技术，并取得了一定的研究成果。文中从焊具设计、接头显微组织与力学性能和焊接过程仿真等几个方面，系统地介绍钛及钛合金搅拌摩擦焊的研究现状，为推动钛及钛合金搅拌摩擦焊技术的发展和应用提供参考。

1 焊具设计

焊具设计是搅拌摩擦焊技术的关键，它决定了焊接过程能否顺利进行并直接影响接头质量，一般来讲，焊具材料应拥有比被焊材料更优越的室温及高温性能，同时焊具的结构设计也应满足焊接过程的需要。钛及钛合金熔点高、强度大、硬度高，在高温下仍能保持较高的力学性能，这对搅拌摩擦焊焊具材料提出了很高的要求;同时，钛及钛合金活性强，焊接温度高，易于与空气反应，这对焊具的结构设计提出了需要加强冷却和保护的要求。因此，国内外针对钛及钛合金搅拌摩擦焊焊具的材料选择、结构设计及辅助焊具系统进行了研究[2—4]。

基层农业技术推广部门在农业的发展和农村的建设中起着重要的作用，其承担着制定当地种植业发展的规划，以及相关农业政策的开展与宣传工作。此外，农业技术推广部门还组织和开展进行农业技术的培训，尤其是承担对新技术和新品种的推广工作，还有进行病虫害的防治等。为推动农村的发展和乡村的振兴奠定基础。经过多年的努力和发展，我国的基层农业技术推广工作已经取得了一定的成绩，尤其是新技术和新品种的推广更是促进了农业的发展和农民收入的增加。但是在进行推广的过程中也发现一些问题，为了适应时代的发展必须对这些问题进行解决，实现推广工作的优化和创新。

针对钛及钛合金搅拌摩擦焊过程的特点，搅拌头材料需要具有良好的高温性能，目前的研究主要集中在钨合金和多晶立方氮化硼(PCBN)两种材料上。Gan 等人[5]开发了钨合金搅拌头。Seighalani等人[6]采用轴肩材料为纯钨(W)，搅拌针材料为硬质合金(WC)的搅拌头对纯钛进行搅拌摩擦焊。Pilchak等人[7]对Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊过程中搅拌头与工件的相互作用进行了研究，研究结果表明，钨合金搅拌头的磨损对接头表面成形和搅拌区显微组织有较大影响。

Nelson 等人[8—9]开发了分体式多晶立方氮化硼焊具，如图1所示，搅拌头材料为PCBN，与搅拌摩擦焊机匹配的刀柄材料为硬质合金(WC)，搅拌头与刀柄采用高温合金紧固以传递扭矩，成功实现了钛合金的搅拌摩擦焊。Zhang[10]等人也采用PCBN焊具对工业纯钛进行了搅拌摩擦焊。

图1 PCBN焊具示意图[8]Fig.1 Schematic illustration of PCBN tool design[8]

太湖流域多年平均年水资源量为176亿m3，但近些年流域用水总量在350亿m3左右，其中本地水源供水约220亿m3，还有一部分直接从长江取水，不足部分靠重复利用和从长江引水。然而，在现状工况下，引江及水资源调控能力不足，干旱年季节性、工程性缺水严重，流域遇枯水年（P=90%）和特枯水年（P=95%），缺水量达30.6亿m3和42.3亿m3。另一方面，流域用水还存在资源浪费、管理粗放、用水效率低等问题，有较大的节水潜力和提升空间。

为了保证焊接过程顺利完成，获得优质的接头，钛及钛合金搅拌摩擦焊接过程中，还需对焊接区域进行保护并采取冷却措施，防止焊接过程的热积累对焊接设备造成不利的影响，因此，常常附加循环液体冷却和气体保护装置[12]，如图2所示。其中，循环冷却水主要用来降低搅拌头及焊机传动轴的温度，以防旋转过程中因热积累过多导致轴承发生故障;保护气体用来对焊缝正面及搅拌头进行保护，防止焊接区及搅拌头发生氧化和氮化。

图2 轴肩固定的搅拌摩擦焊接系统[12]Fig.2 Friction stir welding system with fixed shoulder[12]

2 接头显微组织与力学性能

王快社等人[13]、Pilchak 等 人[14]和 Davies 等人[15]对Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊接接头显微组织及其转变特征进行了研究，结果表明，搅拌区在母材第二相和原始α相基础上形成细小β相，进而形成α+β片层结构。热机影响区在动态再结晶和相变共同作用下，主要形成α相等轴晶和α+β片层结构，其中β织构在高温下主要是D2(112)[111]简单剪切织构，α相显微组织由β相剪切织构转变而来，且发生了显著的取向变化。

在钛及钛合金搅拌摩擦焊过程中，焊接工艺参数对金属连续流动性能和显微组织特性影响显著，Song等人[44]用基于金属塑性流动分析的晶胞动力学方法，分析了动态再结晶过程中的显微组织演变，建立模型完成了宏观塑性流动行为、微观位错移动、显微组织晶粒长大动力学和接头力学性能的多元模拟，如图6所示。模拟所得屈服应力曲线和试验测得的曲线一致，分析了应变速率和温度对平均位错密度(相当于屈服应力)和最终晶粒尺寸演变的影响，结果与经典动态再结晶理论相吻合。最终晶粒尺寸随应变速率和温度的增加而降低，并且应变速率变化率越大，对晶粒尺寸的影响越大。由模拟结果可知，存在一些焊接速度和旋转速度的匹配关系，可以保持微观结构细小。

高熔点材料搅拌摩擦焊过程中搅拌头与被焊材料之间的热机作用强烈，导致搅拌头在焊接过程中易于发生磨损，即便采用钨合金及多晶立方氮化硼作为搅拌头材料也无法彻底避免[7，11]，因此钛及钛合金搅拌摩擦焊具也多采用分体式设计方案，当搅拌头磨损较为严重时，会使焊接过程无法顺利进行并影响接头质量，因而搅拌头磨损成为高熔点材料搅拌摩擦焊技术中令人关注的问题。

对于钛及钛合金搅拌摩擦焊接头显微组织和力学性能的研究，主要集中在应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金，且对接头组织结构演变机制的研究还有待深入。

在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头与工件之间因发生相对转动和移动而产生摩擦热和塑性变形，从而在工件上形成焊接温度场和材料塑性流动行为，进而决定接头的组织和性能，因此，研究焊接温度场和材料塑形流动行为对于揭示接头的微观组织转变机制具有重要意义。目前，针对钛及钛合金搅拌摩擦焊焊接过程仿真的研究较少，王文英等人[43]对Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊过程中温度场进行模拟，结果表明，焊缝中心的峰值温度达1258℃，超过了Ti-6Al-4V合金的相变温度区间，由焊缝中心向外，峰值温度逐渐降低。

图3 焊核区织构ODF分析Fig.3 ODF sections in the SZ

除Ti-6Al-4V 合金以外，Mironov等人[34]、Liu等人[35—36]和 Fujii[37]等人对纯钛，Knipling 等人[38]和Fonda[29]等人对近 α 钛合金，Reynolds等人[40]对 β 钛合金搅拌摩擦焊接头中晶体取向的演化行为进行了研究，发现由于相变及再结晶过程使晶体取向发生显著变化。Nimer等人[41]和 Knipling 等人[42]分别对 Ti-5111合金搅拌摩擦焊接头横截面定向测量和显微组织演变进行了研究，结果表明，接头搅拌区由细小的初生β等轴晶和α板条组成，强度和塑性有所提高。采用电子背散射衍射(EBSD)表征接头后退侧显微组织演变过程，如图5所示。

图4 Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊接头焊核区组织[22，27]Fig.4 Stir zone microstructure in Ti-6Al-4V alloy friction stir welded joints[22，27]

Pilchak等人[22—23]对 Ti-6Al-4V 合金搅拌摩擦焊接头组织分析结果表明，焊核区温度低于相变点，焊核区中有等轴初生α相存在，如图4a所示。Zhou等人[24—25]和 Edwards 等人[26—28]研究了不同焊接工艺参数下的Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊接头显微组织和力学性能，结果表明，随工艺条件不同，焊接过程中焊核区温度可能处于相变点以上或以下，在热输入较高的焊接参数下焊核区温度处于相变点以上，从而在焊核区形成了全层片组织，如图4b所示。Wang等人[29]对不同搅拌针形状和拉伸条件下Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊接头变形行为进行了研究。Steuwer等人[30]和 Liu 等人[31]分别研究了 Ti-6Al-4V 合金搅拌摩擦焊接头残余应力、显微组织和拉伸性能之间的关系。此外，Zhou[32—33]等人对氢化 Ti-6Al-4V 合金搅拌摩擦焊过程中的显微组织演变机制和焊后脱氢工艺进行了研究，结果表明，热氢处理可以通过提高钛合金热塑性增加焊接工艺参数范围，提高接头表面成形和搅拌头寿命，且可通过焊后真空热处理去除接头中的氢元素。

图5 接头后退侧EBSD图[42]Fig.5 EBSD map of the weld at the retreating side

3 焊接过程仿真

Sato等人[16—19]对 Ti-6Al-4V 合金搅拌摩擦焊接头的组织性能进行了分析，并对焊核区晶粒结构的演化进行了研究。结果表明，焊接时焊核区温度超过相变点从而获得了全层片组织，焊接热输入增大会使组织粗大造成接头性能降低。Wu等人[20]对Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊接头热机影响区组织演变过程进行了研究，结果表明，在热机影响区发生连续动态再结晶，显微硬度值最低，易形成沟槽缺陷。Zhou等人[21]对Ti-6Al-4V合金搅拌摩擦焊接头