钛合金6AL-4V搅拌摩擦焊表面织构、超塑性成形和疲劳性能的影响
钛合金6AL-4V搅拌摩擦焊表面织构、超塑性成形和疲劳性能的影响
G. Sanders, M. Ramulu, P.D. Edwards, A. Cantrel
研究了搅拌摩擦焊（FSW）焊接速度和进给量对熔核顶部表面织构的影响。试验使用标称厚度为2.5 mm的细晶粒（0.8-2 lm）钛合金6Al-4V进行。结果表明，焊缝顶面上的针状工具痕迹对焊接板的超塑性成形（SPF）特性和疲劳性能都有很大的危害。发现FSW焊后，通过加工顶面去除划痕，消除了SPF过程中焊缝的主要撕裂，并恢复了大部分横贯焊缝的疲劳寿命。通过进一步开发FSW工艺参数，使对接焊熔核具有与母材相同的SPF特性。通过使用水冷销钉工具和其他冷却技术，可以认为在搅拌摩擦焊接过程中，焊接区域可以保持在β-transus温度以下，这使得与传统熔焊工艺相比，能够形成独特有利于超塑性行为的晶粒结构。
关键词：疲劳；搅拌摩擦焊；超塑性成形；表面织构；钛
1. 介绍
本研究的目的是研究生产定制钛坯料所需的使能技术，用于制造商用喷气飞机上使用的超大型单片SPF成形部件。在此开发工作之前，钛板金属部件的尺寸受到轧钢厂生产的最大板料尺寸的严重限制。结合FSW和SPF工艺，可以制造并随后形成复杂形状的毛坯尺寸不再受原材料的限制。
FSW工艺只是最近才被应用于钛的对接连接，关于焊接材料疲劳性能的数据很少。由于飞行的严格性、机身增压、着陆/起飞载荷、机翼加载/卸载和许多其他设计因素，大多数飞机结构都承受疲劳载荷。已有研究对钛搅拌摩擦焊对接焊缝的力学性能进行了研究[1-3]。然而，为了合理比较FSW工艺和其他连接方法，有必要对焊缝进行高周疲劳试验。
初步试验表明，由于各种原因，钛合金6Al-4V的搅拌摩擦焊比铝合金搅拌摩擦焊复杂得多。在开发过程中，必须开发特殊的方法和工艺控制，以使可重复的FSW对接焊缝无缺陷，根据航空航天标准，这种焊接质量被视为“a级”。图1（a）显示了在南卡罗来纳大学[2.3]制造的一个初始FSW焊缝，图1（b）显示了最近在波音公司拥有的FSW机器上制造的焊缝，该机器专门为钛而设计，并使用了最佳工艺参数。在as -FSW焊道SPF试验的早期阶段，很明显，留在顶面上的销工具标记（也称为销工具标记）对试验零件的SPF成形特性有着深远的影响。在某些情况下，粗糙织构非常严重，以致于在制造过程中沿着焊道接头完全撕裂薄板，如图1（a）所示。注意观察到的毛刺减少和图1（b）所示表面粗糙度方面的改善。
图1. （a）中所示的搅拌摩擦焊是早期尝试搅拌钛合金的结果，（b）中所示的试样是最近使用高度优化的搅拌摩擦焊参数和设备进行试验的结果
图2显示了一个FSW的横截面，它突出显示了在第一次焊接试验中，其中一个试验的顶面上由销钉工具产生的非常尖锐的峰值和裂纹状谷，而没有使用优化的工艺。正是这些严重标记产生的应力集中导致最初的SPF试件因开裂失效，在后来的试验中，证明对疲劳寿命极为不利。
图2. FSW钛试样宽度上的显微照片。它清楚地显示了由于搅拌针在焊缝顶面上的运动而产生的尖峰和谷
2. 实验程序
2.1搅拌摩擦焊的发展
搅拌针承受高温和应力，使其设计和材料选择成为工艺的关键因素。为了避免钛氧化，需要使用惰性氩气进行保护，这意味着在冷却过程中，笨重的拖车必须覆盖搅拌区，这使得观察搅拌过程变得困难。图3显示了一个简单的氩“拖车”箱，用于在冷却时用氩气覆盖热FSW对接焊缝。
图3. 在FSW销钉工具和主轴后面使用一个简单的“拖车”，用氩气保护焊缝，防止焊接和冷却过程中发生氧化
钛摩擦搅拌焊是在熔核温度范围内进行的，熔核温度范围估计在750到950℃之间（从工艺和金相观察到的亮橙色判断）。上层温度梯度非常接近于β-transus温度，在短时间内不能超过该温度而不严重改变材料性能。另一方面，采用工艺参数制造的FSW焊缝温度低于正常焊缝（750到850°C） 倾向于具有高度精细的晶粒结构，这导致超细晶粒尺寸与母材相比过于超塑性，并导致焊缝极度变薄。发现必须使用销钉工具的水冷却和其他专有冷却方法从搅拌区域除去热量，以获得所需的结果。据观察，整个过程对排出热量的微小变化极为敏感。
FSW的主要工艺参数是z方向锻造载荷或相对于背砧的z尺寸位置（设置旋转销刀具底部与砧座之间的间隙距离，优化为约0.075 mm）、主轴转速、刀具销几何结构，针形刀具的水冷却系数（水流量）和进给速率。这些变量中的每一个都可以用来增加额外的能量，从而使热量进入搅拌区，或者减少它。由于搅拌摩擦焊是一个热力机械过程，搅拌机理在很大程度上取决于实际搅拌过程中熔核的温度。搅拌应力和销钉工具之间的摩擦力可以增加也可以减少，例如增加主轴的转速会明显提高搅拌焊接温度，而降低转速则会冷却搅拌焊接温度。
FSW钛的基本工艺参数（RPM和进给速度）必须比铝的控制好得多[4-6]。发现5到10的转速变化会导致焊接结果的显著差异，5至15 mm/min的进给速度变化对焊接质量有显著影响。这两个参数表明，钛搅拌摩擦焊工艺对变化的敏感性大约是搅拌摩擦焊工艺的5到10倍。因此，需要非常严格的过程控制。z方向（轴向）锻造载荷约为45 kN，这是搅拌可比铝部件所需力的三倍多，这意味着许多设计用于铝焊接的FSW机器可能不适合与钛一起使用。必须采取额外的措施，在焊接结构中将钢板紧紧地夹在一起，以保持钢板的边缘对接在一起，从而使钢板之间不会在横向方向上发生分裂。图4（a）显示了焊接过程中用于将两个试样固定在一起的简单夹紧装置，图4（b）显示了后来在南卡罗来纳大学设计的更安全的系统一对定制的桁架梁。
图4. （a）夹紧力不足的简单夹紧装置（b）采用桁架式夹梁装置
在进行钛FSW对接焊时，将两片钢板紧紧固定在一起
2.2超塑性成形发展
采用球磨退火的6Al-4V细晶钛对FSW接头的超塑性成形（SPF）特性进行了研究，以确定该工艺是否适用于制造复杂形状的深成形盘。初始范围界定试验计划包括热拉伸试件的制造和测试，FSW中心位于标距区域，如图5所示，其中大约一半标距长度作为母材，另一半为FSW材料。在太平洋西北国家实验室用774℃的成形温度测量了超塑性性能和恒定应变率为2.7×10-4s-1通常，在试验停止前，试件被拉至70%至100%之间的总超塑性应变水平。图5是在这个项目中测试的几个测试样本的照片。
图5. 拉伸母材和FSW区后的四个FSW超塑性拉伸试件，以确定每个区域（母材和焊缝）的相对超塑性
在母材和FSW焊接区之间实现等效超塑性应变的钛搅拌摩擦焊的典型工艺参数的转速范围为150至400，进给速度为0.83至5.00 mm/s，锻造载荷约为25至65 kN。这可与铝合金5083-SP FSW焊缝进行比较，后者具有与母材相同的超塑性，其工艺公差带为200至1500 RPM，进给速度为1.25至6.67 mm/s，典型锻造载荷仅为5至25 kN。迄今为止，生产的最佳钛6Al-4V细晶粒试验焊缝的转速为325 RPM，进给速度为1.67 mm/s，锻造载荷为55 kN（使用z方向位置控制）。
超塑性拉伸试验之后，使用波音公司现有的试验模具制造小规模SPF盘，其产生的试验零件类似于半个飞艇（比航空船轻），通常被称为“齐柏林飞艇”，参考图6。FSW焊缝沿成形件宽度的中心。随着FSW工艺的进一步发展，表面撕裂和毛刺减少，但在试验盘的SPF成形过程中，仍然可以观察到焊缝内部宽度或长度的撕裂，参考图7。
图6. （a）所示为SPF成型齐柏林测试盘在热模具中成形后立即冷却（b） 成形的齐柏林平底平底锅，适用于切割试样
图7. SPF成形的第一批齐柏林飞艇平底船之一显示了严重的FSW表面缺陷：
（a）FSW顶面撕裂；（b）FSW整个厚度上有一个撕裂的孔
图8（a）显示了FSW区域的稍微放大的宏观视图，该区域在“齐柏林”盘的SPF成形过程中受到焊缝顶面上的销工具标记的高度影响。可以看出，销工具痕迹的小峰和谷受到了非常大的拉伸和材料的局部减薄，这也导致一些波谷在峰值之间以不同程度的严重程度变宽。人们发现，山谷地貌的形成量与山谷形成之前的深度和锐度有关。
图8. （a）销工具标记峰值之间严重变形的超塑性FSW焊缝顶面宏观视图
（b）针形工具在SPF后有漩涡痕迹，在许多高度拉长的山谷之间有许多非常小的裂缝
最深的针形工具漩涡痕迹往往具有最严重的局部拉伸，在某些情况下，变薄导致峰值之间形成裂纹。图8（b）显示了高度拉长超塑性成形熔核的顶面放大图，圆销工具标记的峰值之间有许多非常小的裂缝。
经过大量的开发和试验，发现在成形前完全加工或磨掉销刀痕迹，可以获得最佳的SPF性能，因此，SPF在焊缝处的性能与成形母材非常相似。
3. 结果
通过小尺度热拉伸超塑性试验，获得了更多关于搅拌摩擦焊超塑性特性的数据，通过调整搅拌摩擦焊工艺参数，焊缝质量得到了很大改善。最终，这使得齐柏林飞艇盘的形成更加容易，缺陷也少得多。尽管一些存在缺陷的小面试件尽管质量较差，但仍进行了拉伸试验，但在试验区域后期制作的具有较好焊缝的试件，其机械拉伸性能显著改善，其中一些试样的机械性能与母板非常接近，除了延伸率[1]。
根据FSW和SPF工艺的发展，在充分优化的基础上，对as-FSW焊道进行了疲劳性能测试。在试验过程中，“齐柏林飞艇”成形试验表明，如果通过机械加工去除FSW焊道锯齿状的顶面，则可以完全避免SPF成形过程中的撕裂。机械测试也显示出了巨大的改善，几乎接近母材的性能，前提是销工具的痕迹在测试前被磨掉或加工[7]。考虑到这一点，进行了疲劳试验，以测量横向和纵向FSW珠相对于试件长度的相对疲劳性能。图9（a）显示了一组FSW横向焊道的位置，图9（b）是单个疲劳试验样品上的纵向FSW图像。
图9. （a）从具有横向FSW焊缝的FSW面板上切下的四个疲劳试样（b） 纵向FSW疲劳试件
对首批测试的一个疲劳试件的微观结构进行了检查，发现有多个疲劳裂纹起始于几个销工具标记谷。图10（A）所示为as-FSW顶面照片。图10（b）是本研究过程中制作的第一个疲劳试件的30倍放大倍数，在该图中，可以清楚地看到整个FSW表面的多个疲劳裂纹萌生，其中包含重复的销工具标记。
图10. 典型的FSW试样亚表面和疲劳断裂面：（a）5X处的分段焊核；（b）30X处疲劳试件顶面的多个疲劳断裂
设计了一个实验测试方案，以评估as-FSW钛的拉伸疲劳性能，并确定通过将搅拌态的顶面加工成平面、消除应力和/或低塑性抛光来去除刀具痕迹所产生的疲劳改善。在机械加工的情况下，FSW表面的去除量为200-300lm，保证了粗糙表面和浅亚表面缺陷的完全消除。
将厚度为2.5和3.0 mm的钛合金6Al-4V细晶粒金属板制成的试件通过FSW对接连接在一起，形成20个20 mm宽、60 mm长的试板。图11显示了在切割穿过焊缝的试件之前，四个完整试板的照片。
图11. 连接后的照片中显示了一组四个FSW试板
本研究中使用的测试板是使用位于华盛顿州奥本市波音工厂的FSW机器制造的，并根据研究合同提供给华盛顿大学。所有面板在对接接头底部用1 mm宽x 1 mm深的焊道进行激光焊接，以消除FSW完成后出现未焊透（LoP）的可能性。FSW后，激光焊接被抹去，除了在接头底部中心有1 mm宽90.05 mm深的熔核。使用的其他关键FSW参数如下：300rpm，1.27mm/s进给速度，a3主轴偏离行程方向倾斜，z方向锻造负载为31至40 kN。注意，记录的过程负荷是其他参数的结果。因为输入的是一个进程，所以没有使用forge参数。然而，载荷用于补偿设备中的缺陷并保持所需的插入深度。
在FSW连接之后，大多数试板使用温度为730℃的真空炉进行应力消除,炉内冷却30分钟，然后进行C。表1给出了使用各种工艺参数选项（包括应力消除和低塑性抛光（LPB）选项）生产和疲劳试验的准确数量。
表1. 使用七种不同的FSW工艺组合和焊后条件，为本研究制作了疲劳试样
在U.W.机械工程部的喷水切割机,我们的机器车间被用来切割狗骨头标本。水射流切割后，用一个精细的复合抛光轮抛光试件边缘，然后用320400湿手打磨，最后600粗砂砂纸。所有的镍铁边在进行疲劳试验之前，消除了台阶，并仔细包装试样，以避免划伤。如果FSW顶部表面的前进侧或后退侧出现一个大的突出毛刺，则在进行疲劳试验之前，应使用尖嘴钳将其咬掉。
对于拉-拉疲劳试验，使用了位于美国材料科学部试验实验室的50 kN计算机控制材料试验系统（MTS）伺服液压拉伸试验架式试验机。在负荷控制运行模式下，所有试验的负荷比（R=最小应力/最大应力）保持在0.1。正弦波形被设置为15赫兹的频率。液压驱动的夹具用于固定钛试件。疲劳试验后对试件的检查表明，焊态试件从FSW宽度内发生的开裂中断裂，机加工试件倾向于出现脆性破坏，与完全由母材金属制成的试件（无FSW）类似，参考图12。疲劳试验的结果如图13所示。
图12. 所示照片为横向FSW焊接的疲劳寿命试样。疲劳试验后显示出断裂
（a） 疲劳试验前已机加工的试件和（b）留在as FSW表面的试件
图13. 所示为疲劳试验数据，这些数据与制造它们所用的不同工艺条件相对应
表1进一步解释了试样特性和试验条件
4. 结论
根据图13中的疲劳试验结果，可以估计母材的疲劳寿命极限约为620 MPa。其次是横向FSW试件的最佳性能，该试件通过机械加工去除了表面的搅拌针工具痕迹，还进行了LPB以诱导抗疲劳压缩应力。这种工艺组合的表观疲劳极限为565MPa，相当于观察到的母材的91%耐久极限。这一发现相当显著，因为其他钛焊接工艺的疲劳性能下降幅度要大得多。钨极惰性气体（TIG）、激光熔接和电阻焊工艺通常设计用于疲劳应用，其耐久极限为205 MPa，符合ASTM手册，该手册通常用于非航空机械设备的设计[8]。通过机械加工去除搅拌针痕迹的横向FSW试件的性能几乎与使用LPB的零件一样好，观察到的持久极限为496 MPa，即母材强度的81%。
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