发布日期：2025-12-18 9:42:54
钛合金材料因其出色的比强度、较好的耐高温和抗腐蚀特性而受到广泛的好评，在航空航天、轨道交通、电子设备等领域得到广泛应用，且具有较高的研究价值与广阔的应用前景 [1-2]。TA2 钛金属具有良好的塑性、韧性等优点，常用于飞机蒙皮、热交换器、隔热板等结构 [3-4]。但是 TA2 的焊接性不容忽视，首先，TA2 的化学性质活泼，在焊接过程中极易与氧、氮、氢等元素形成脆性化合物，导致焊接接头易产生脆化；其次，TA2 具有较高的熔点以及较低的热导率，这导致焊缝和热影响区内的金属在高温条件下停滞的时间相对较长，进而导致晶粒尺寸明显增长。晶粒的增长可能会对焊接接头的塑性和韧性造成不良影响，进而增加了裂缝产生的风险，从而导致其性能下降 [5-7]；此外，TA2 在熔化焊过程中容易形成气孔缺陷，气孔的存在不仅会导致应力集中，还会降低气孔周围金属的塑性，最终引发整个焊接接头发生脆性断裂 [8]。Hu 等 [9] 采用非熔化极惰性气体保护电弧焊焊接 5mm 退火状态的 TA2，研究表明，在热影响区的组织结构中，α 相的晶粒之间会析出 β 相的粗晶粒，而粗大的晶粒在高温条件下的停留时间会相对较长，导致组织发生脆化；而在熔合区周围，同样由于温度过高，停留时间过长，出现了热侵蚀产生的沟槽缺陷。张峰等 [10] 采用激光自熔焊方法对 2mm 厚的 TA2 进行焊接，结果表明，焊缝内部出现尺寸为 50~200μm 的气孔。在焊缝金属冷却过程中，氢的溶解能力迅速降低，加之激光焊接导致的快速冷却凝固作用，氢气未能及时从焊缝中逸出而产生气孔。气孔的出现导致了应力集中，使裂纹在气孔附近扩展，从而削弱了接头的力学性能。类似地，Chen 等 [11] 使用激光与 MIG 复合焊技术对 TA2 进行了焊接，观察到焊缝内部有气孔存在，其模拟结果显示，这主要是因为匙孔的塌陷导致匙孔周围的液态熔池受到各种力的作用，使平衡被打破，从而形成气孔。另外，李兴宇等 [12] 使用激光焊对 0.9mm 厚的 TA2 板进行焊接，研究表明，在焊接时出现严重的咬边缺陷；离焦量的改变造成金属飞溅，使金属蒸发严重，导致焊核区金属元素烧损。因此，对 TA2 进行熔化焊焊接时，焊接过程中易出现多种焊接冶金缺陷，进而造成焊接接头性能严重下降。
搅拌摩擦焊，简称 FSW，是英国焊接研究所在 20 世纪 90 年代发明的一项创新的固相连接技术，具有广阔的发展潜力。该技术利用搅拌头的快速旋转与材料产生相互运动，导致材料经历剧烈的塑性变化，进一步促进了材料的热塑性流动，并使其重新结晶为微小的等轴晶粒，从而完成工件的焊接工作 [13]。在 FSW 焊接过程中，达到的峰值温度是待焊接材料熔点的 0.6~0.9 倍，这一特点使该技术能够有效地避免传统熔化焊过程中产生的裂纹、气孔和夹渣等缺陷。因此，FSW 技术被认为是难焊接材料一种独特的焊接方法 [14-15]。近些年，国内外研究者对 TA2 金属的 FSW 进行了探索。张亚飞等 [16] 使用 FSW 技术对 2mm 厚的 TA2 进行了对接焊，结果表明，在转速为 200r/min 和焊接速度为 75mm/min 的条件下，接头的成形质量最佳，并且接头的抗拉强度高达 384.5MPa。类似，Meikeerthy 等 [17] 研究了 2mm 厚 TA2 搅拌摩擦焊，发现在保持焊接速度为 140mm/min 不变的情况下，当旋转速度由 400r/min 上升至 500r/min 时，接头的抗拉强度与屈服强度均提高。然而，相关学者在分析搅拌摩擦工艺参数对 TA2 焊接接头组织和性能的影响时，尚未进行深入的解释和探讨。事实上，对薄板材料 FSW 焊接而言，焊接参数发挥着极其重要的作用，当选用参数不匹配时，将导致搅拌头与工件的产热不足或者热输入过大，容易导致接头产生隧道、孔洞、未焊合等缺陷 [18-20]。此外，TA2 金属搭接结构在工程中的应用需求较多，而关于 TA2 材料搅拌摩擦搭接焊的相关研究未见报道。
因此，本文拟采用 1mm 厚的 TA2 钛金属薄板作为研究对象，通过改变搅拌头旋转速度来改变焊接热输入，研究不同热输入条件对搅拌摩擦搭接焊接头表面宏观成形、微观组织及力学性能的影响规律。
1、试验
本文选取厚度为 1mm 的 TA2 钛金属薄板作为试验材料，其详细的化学组分及力学性能如表 1 所示。焊前先将待焊板材裁切为 200mm (长)×100mm (宽)×1mm (厚)，使用砂纸将待焊接基材表面的氧化膜打磨去除，直至裸露出纯净的金属光泽。接着在无水乙醇和超声振动条件下进行深度清洗，然后吹干备用。选用的焊接设备为 X53K 型搅拌摩擦焊机。焊接时所使用的搅拌头是由 H13 热作模具钢制成的，具体参数如下：轴肩直径为 12mm，轴肩内凹角为 2°，搅拌针的长度为 1.6mm，直径为 4mm，螺纹为左螺纹，螺距为 0.5mm。
表 1 TA2 金属化学成分
Tab.1 Chemical composition of TA2（质量分数，%）
| Fe | N | O | H | Si | C | Ti |
| 0.30 | 0.03 | 0.25 | 0.015 | 0.10 | 0.08 | 基体 |
焊接时的具体工艺参数如下：设定焊接速度为 75mm/min，并保持搅拌头的倾斜角度恒定在 2°，确保试验条件的一致性，而旋转速度的选择范围为 190~375r/min，搅拌摩擦搭接焊焊接过程示意图如图 1 所示。
焊接完成后，采用电火花切割技术，在与焊接方向呈 90° 的接头中心位置截取金相试样和拉剪性能的测试样本。待金相试样经过细致的磨抛加工后，用 Keller 腐蚀剂进行腐蚀处理。使用 Zeiss 型的图像采集工具对接头的宏观外观进行观察，利用光学显微镜观察接头各个区域的微观结构，并利用显微硬度计在接头的横截面上进行显微硬度的精确测试。拉剪试样的制作遵循国际标准，其详细尺寸如图 2 所示。使用 WDS-100 型的万能拉伸测试机对连接部分的拉剪性能进行评估。
2、结果与分析
2.1 接头宏观形貌
保持焊接速度为 75mm/min 不变、不同搅拌头旋转速度下 TA2 钛金属薄板搅拌摩擦搭接焊接头表面宏观形貌如图 3 所示。由图 3a 可知，接头的外观呈现出良好的形貌，并且出现典型的鱼鳞纹特征，无明显缺陷；由于焊接过程中没有采取任何的保护措施，因此焊后接头表面明显被氧化。随着旋转速度从 235r/min 增至 375r/min，接头表面弧纹的间距越来越大，表面开始有缺陷产生。在旋转速度为 375r/min 条件下，由于焊接过程中的瞬时温度过高，搅拌头与焊缝金属的接触面从黏着摩擦转为滑动摩擦方式，这导致焊接过程中的热输入总量减少，从而使焊缝金属的流动不够充分，搅拌头上未黏附塑性状态的 TA2，于是在接头表面产生了起皱现象，如图 3d 所示。对于钛金属 FSW，在一定范围内，随着搅拌头的旋转速度不断加快，焊接过程中的热量输入也逐步上升。但是，超过一定范围后，提高搅拌头的旋转速度易使搅拌头与焊缝金属的接触模式由先前的黏着摩擦转为滑动摩擦 [21]，这会导致焊接热输入减少，并使焊缝中塑性金属的流动性降低，接头出现明显的沟槽等缺陷。
2.2 横截面形貌
采用不同旋转速度焊接 TA2 时获得的接头横截面形貌如图 4 所示。可见，接头横截面整体形貌呈典型的上宽下窄的 “盆” 状结构，由于上层金属与轴肩的摩擦产热作用，因此上层金属获得的热量比下层金属更多，受到的高温影响范围更广，而搅拌针的侧面受到 TA2 的正压力小，受到的搅拌摩擦影响较小，塑性区随之变小 [16]。横截面被划分为 3 个部分：母材区（Base Material, BM）、热影响区（Heat-affected Zone, HAZ）以及焊核区（Nugget Zone, NZ）。TA2 金属热传导系数低（仅为铝合金的 7%），焊接过程中的流变应力大 [22]，HAZ 的宽度狭窄。此外，即使受到焊接热循环作用，接头中也没有在塑性变形区与母材之间形成明显的热机影响区。当旋转速度为 190r/min 时，由于焊接热输入适当，TA2 焊缝金属被充分塑化，受到搅拌针螺纹的驱使，焊缝上部的塑性金属迅速流向其底部，形成致密焊缝，接头内部没有出现沟槽、孔洞缺陷，如图 4a 所示。随着旋转速度增加至 235r/min，焊接过程中焊缝金属瞬时温度急速升高，搅拌头与焊缝塑化金属接触界面的摩擦状态转变成滑动摩擦，焊接热输入总量降低，焊缝金属塑化程度降低 [23]，进而使金属流动不充分，无法从焊缝上部的高温区向底部低温区迁移，导致焊缝底部出现了弱连接或微小的孔洞缺陷，如图 4b 所示。在焊接过程中，搅拌针转动使焊缝内部产生一定程度的塑性变形。当旋转速度进一步提升至 300r/min 和 375r/min 时，搅拌头与塑化金属接触界面的摩擦状态转变为滑动摩擦，这导致焊缝塑化金属向底部迁移的能力进一步减弱，无法填补搅拌针端部的空腔，使焊缝底部的孔洞缺陷增大，且有越来越明显的趋势，接头无法成形，如图 4c~d 所示。
TA2 薄板搭接焊接头界面出现细微的 hook 缺陷，hook 沟的存在直接影响了焊缝的结合宽度（Bonding Width, BW）。对不同旋转速度下焊缝的 BW 进行测量时发现，当旋转速度为 190r/min 时，BW 的值为 5.5mm，随着旋转速度的增大，BW 的数值先减小后增大，最小值为 2.8mm，最大值为 6.5mm。当旋转速度由 190r/min 增加至 300r/min 时，搅拌头与焊缝塑化金属接触界面摩擦状态转变成滑动摩擦，焊接热输入总量降低，焊缝金属塑化程度降低，塑性金属的迁移总量下降，焊接部位的金属在垂直方向上的流动性不足，冷金属在挤压界面向其周围的迁移距离缩短，从而导致 BW 减小 [24]。当旋转速度为 375r/min 时，由于旋转速度过高，搅拌头与焊缝塑化金属接触界面摩擦状态转变成滑动摩擦，焊缝金属的流动不够充分，在接头表面产生了起皱现象，导致过多的塑化金属溢出，即搅拌头与材料在厚度方向上产生了相对较大的搅拌摩擦作用，致使 BW 数值达到最大 6.5mm。焊缝的 BM 显著变化会影响焊接接头的拉剪性能。
2.3 显微组织
不同旋转速度条件下 TA2 钛金属 FSLW 接头焊核区显微组织如图 5 所示。可见，在焊核区，观察到细小的 α 等轴晶，因为受搅拌针的影响，原有的 TA2 母材晶粒被搅拌针搅碎形成细小的晶粒；对 TA2 钛金属搅拌摩擦焊而言，焊核区金属经历了搅拌头剧烈的机械搅拌作用，当所经过的区域温度高于动态再结晶的温度（钛的再结晶温度为 500~600℃）时，焊核区出现细小的 α 等轴晶晶粒 [25-26]。该过程停留时间短，搅碎的晶粒与再结晶晶粒来不及长大，最终导致焊核区晶粒致密细小。
当旋转速度从 190r/min 增加至 300r/min 时，焊核区内的晶粒尺寸也逐步增大。一般情况下，随着搅拌头旋转速度的提升，焊接过程中的热量输入上升。但是，在搅拌摩擦焊接 TA2 钛金属过程中，随着旋转速度从 190r/min 增加至 235r/min，搅拌针与焊缝金属接触界面的瞬时温度升高，容易导致搅拌针与焊缝金属摩擦界面的接触状态由黏着摩擦向滑动摩擦转变，焊接热输入降低，焊缝金属流动性变差，金属发生动态再结晶程度降低，所以在 235r/min 旋转速度条件下，获得的焊核区等轴晶晶粒尺寸比 190r/min 旋转速度下的大。类似，继续增加旋转速度至 300r/min 时，焊核区的等轴晶晶粒尺寸更大。
2.4 接头力学性能
当采用 190r/min 和 235r/min 旋转速度焊接时，获得的 TA2 接头上、下部显微硬度分布如图 6 所示。由于当旋转速度为 300r/min 以上时，出现了明显的缺陷，所以未对接头的硬度值进行测量。由图 6 可见，接头的显微硬度基本上是以焊缝中心为轴线对称分布的，接头的整体显微硬度表现为倒 “V” 型的分布。对比发现，沿接头厚度方向上，相同位置的接头上部显微硬度平均值高于下部的。在 TA2 钛金属焊接过程中，与焊缝下半部分相比，在搅拌头轴肩和搅拌针之间的摩擦搅拌影响下，上部金属受到更大的压力，同时上部金属塑化过程的温度也比下部的高，这使得焊缝上部金属的塑化效果更为显著，上部金属发生动态再结晶的程度大于下部金属的，由 Hall-Petch 方程可知 [27]，同一焊缝的上部所含的金属晶粒更为细小，焊缝上部的显微硬度值更高。另外，由图 6a 可见，沿焊缝同一厚度方向上，TA2 钛金属接头焊核区的显微硬度明显高于母材硬度，且距离焊缝中心越近，显微硬度值越高。其原因是，FSW 接头的 NZ 区遭受了剧烈的机械搅拌与摩擦作用，NZ 区域温度高于 TA2 材料的动态再结晶临界温度，因此，该区域金属发生了明显的动态再结晶。这一过程导致大量细小等轴晶的形成，从而显著提升了 NZ 区的显微硬度，实现了晶粒的细化。其中，当旋转速度为 190r/min 时，焊核区上部最高显微硬度值达 269HV，比母材的硬度值高 114HV。类似，对比不同旋转速度下焊缝显微硬度发现，随着旋转速度从 190r/min 增大至 235r/min，焊核区上部的平均显微硬度由 260HV 降低到 187HV，下部的平均显微硬度也明显降低。这个硬度结果与图 5 中的接头显微组织相吻合。
采用不同旋转速度焊接时 TA2 钛金属 FSLW 接头拉剪性能测试结果如图 7 所示。其中，图 7a 为接头的拉剪曲线，图 7b 为接头的拉剪力分布。可见，当旋转速度从 190r/min 提升至 300r/min 时，焊接接头所承受的平均拉剪力呈现出先下降后上升的趋势，这与接头的 BW 值变化趋势相同。其中当旋转速度为 190r/min 时，接头的平均拉剪力达到峰值 4253.3N。当旋转速度达到 300r/min 时，接头的平均拉剪力最小，仅为 2194.8N，这与上述接头的宏观形貌和微观组织结果相符合。当采用 190r/min 旋转速度焊接 TA2 钛金属时，由于焊接热输入适当，焊缝塑化后金属流动完全，接头处没有任何焊接缺陷存在，焊核区有细小等轴晶生成，即接头表现出优良的力学性能。随着旋转速度的增加，搅拌头与焊缝塑化金属摩擦界面接触状态发生变化，导致焊接过程中热输入量减少，焊缝上部的塑化金属难以迅速地向底部迁移，这进一步引起了焊接底部出现孔洞和其他缺陷，使接头成形质量变差，力学性能急剧降低。当采用 375r/min 旋转速度焊接 TA2 钛金属时，拉剪力升至 3664.5N，但是其拉剪力比 190r/min 旋转速度时的拉剪力小。在 375r/min 旋转速度下，其 BW 数值最大（BW 的数值越大，力学性能越好），但是由于旋转速度与焊接速度不匹配，焊缝底部出现了明显的孔洞缺陷，导致力学性能比 190r/min 时的更差。
3、结论
以 1mm 厚度的 TA2 钛金属为研究对象，在保持焊接速度恒定的条件下，通过调整搅拌头的旋转速度，研究了它对接头成形过程中宏观形貌、微观组织和力学性能的影响，并得出了一些结论：
当采用 190r/min 旋转速度焊接时，接头成形良好，内部无明显缺陷。随着旋转速度增加至 235r/min，焊缝底部开始出现弱连接和微孔缺陷。当旋转速度进一步提升至 300r/min 时，焊缝底部出现了显著的孔洞缺陷，这反而对接头的成形产生了不利影响。
在所有焊接接头的焊核区，都出现了不同程度的动态再结晶现象，由此产生细小等轴晶。焊核区等轴晶晶粒大小随旋转速度的增大而增大。
接头显微硬度呈倒 “V” 型分布，焊核区的显微硬度明显高于母材硬度。其中，当旋转速度为 190r/min 时，焊核区上部的最高显微硬度值为 269HV，接头的拉剪性能最好，拉剪力达到 4253.3N。
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（注，原文标题：旋转速度对TA2搅拌摩擦搭接焊接头成形及力学性能的影响）