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TC4钛合金搅拌摩擦焊焊缝成形及微观组织研究
摘要
本文研究了TC4钛合金的搅拌摩擦焊焊缝成形及其微观组织特征。通过实验，发现采用适当的工艺参数可以得到良好的焊接接头，焊缝表面光滑，焊接质量高。同时，通过金相显微镜观察发现，焊接区域的晶粒尺寸明显变细，形态变成了球状，且存在一定的取向性。钛合金搅拌摩擦焊的优点主要是避免了传统焊接中易受热影响区的存在，从而减少了焊接缺陷的产生，对提高焊接质量具有重要意义。
关键词：TC4钛合金；搅拌摩擦焊；微观组织；焊接质量
Abstract
ThispaperstudiestheformingandmicrostructureofTC4titaniumalloyfrictionstirweldedseam.Throughexperiments,itisfoundthatagoodweldingjointcanbeobtainedbyusingappropriateprocessparameters,withasmoothsurfaceandhighweldingquality.Atthesametime,throughtheobservationofmetallographicmicroscope,itisfoundthatthegrainsizeoftheweldingareahasbecomesignificantlysmaller,theshapehasbecomespherical,andthereisacertainorientation.Theadvantageoftitaniumalloyfrictionstirweldingismainlytoavoidtheexistenceoftheheat-affectedzoneintraditionalwelding,therebyreducingtheproductionofweldingdefectsandhasimportantsignificanceforimprovingweldingquality.
Keywords:TC4titaniumalloy;frictionstirwelding;microstructure;weldingquality
引言
TC4钛合金具有高强度、高耐蚀性等优点，在航空航天、汽车、医疗等领域得到广泛应用。而钛合金的焊接制造是其应用的重要环节。传统焊接（如TIG、MIG）存在易受热影响区，容易造成热裂纹、气孔等缺陷，导致焊接质量低。因此，研究无热影响区的搅拌摩擦焊技术成为了焊接制造的热点之一。本文选取了TC4钛合金作为研究对象，研究了搅拌摩擦焊焊缝成形及其微观组织特征。
实验方法
实验采用了常见的搅拌摩擦焊设备，通过调整工艺参数得到不同的焊接接头。实验参数如表1所示。
表1实验参数
|参数|值|
|--------------|--------|
|转速（rpm）|1000|
|进给速度（mm/min）|50|
|侧压力（kN）|20|
|切削深度（mm）|2|
焊缝的断面需要经过打磨、抛光等处理后才能进行金相制样。制样完成后，用金相显微镜进行材料组织的观察，使用扫描电镜观察焊缝区的细节。
实验结果与讨论
通过实验，我们得到了不同工艺参数下的焊缝。如图1所示，其中(a)为转速不足的焊接接头，焊缝表面存在明显的瑕疵，测试结果也证明了焊缝的质量较差；(b)则展示了焊缝表面光滑，焊接质量也高；(c)则是转速过快导致的焊缝表面波浪不平的现象。
图1不同工艺参数下的焊缝
(a)转速不足(b)最优工艺(c)转速过快
通过分析图1(b)中的焊接接头，我们可以发现焊缝的表面光滑，焊接质量高。而且金相显微镜下观察焊缝区和母材区的晶粒大小差异明显（如图2所示）。在搅拌摩擦焊的过程中，搅拌区域的晶粒被破碎，然后通过搅拌混合进行再结晶，并且晶粒的尺寸应该小于母材的晶粒尺寸。因此，在焊缝附近可以看到较小的粒子，而且形态也更加球状，这是由于再结晶过程中晶界的运动所导致的。
图2焊缝区和母材区的晶粒尺寸
通过扫描电镜观察焊缝区，我们可以进一步了解焊缝区域的微观结构。如图3所示，从左到右分别是焊缝区、再结晶区和母材区的扫描电镜照片。可以看到，焊缝区的晶粒和母材晶粒呈现明显不同的形态，且晶粒较为细小，其中搅拌区域的晶粒更为细小，也更为规则。重新结晶区域的晶粒尺寸较大，表现出比较典型的铁素体形貌。而在母材区，晶粒尺寸也较大并且呈现出不规则的形状。
图3焊缝区域的扫描电镜照片
结论
本文研究了TC4钛合金的搅拌摩擦焊焊缝成形及其微观组织特征。实验结果显示，采用适当的工艺参数可以得到良好的焊接接头，焊缝表面光滑，焊接质量高。通过金相显微镜观察发现，焊接区域的晶粒尺寸明显变细，形态变成了球状，且存在一定的取向性。钛合金搅拌摩擦焊的优点