0.   引言

钛及其合金具有高的比强度和良好的耐腐蚀性，在航空航天、石油化工等领域的承压管道、轴类构件上具有广泛的应用^[1-2]。其中，TA18（Ti-3Al-2.5V）为中强近α型钛合金，由于其良好的加工性能和服役性能，广泛应用于对耐蚀性、轻量化、抗氧化性等性能具有一定要求的航空发动机及航天器的管材、环件等构件中^[3-7]。

在生产与研究中，钛合金主要采用钨极氩弧焊（TIG焊）、电子束焊、激光焊等熔化焊接的方式进行连接。李军兆等人^[8]研究了直流TIG焊、脉冲TIG焊和激光焊接TA18板的组织与性能，发现激光焊接组织最为细小，且具有更高的延伸率。郭纪龙等人^[9]研究了TA18钛合金TIG焊接头的耐蚀性与应力腐蚀性能，发现焊接接头中耐蚀性从好到差依次为母材、焊缝、热影响区。陈伟等人^[10]进行了TA18钛合金薄板激光焊接工艺研究，发现激光焊接制备的TA18钛合金薄板接头质量良好，未观察到焊接缺陷，接头抗拉强度达到母材的92.46%。Long等人^[11]使用电子束焊接制备了80 mm厚TB18钛合金接头，结果表明，热处理后接头的抗拉强度与母材相当，达到1341 MPa。由此可见，熔化焊接仍是钛合金焊接的主要方法。

惯性旋转摩擦焊接（Inertial Rotary Friction Welding，IRFW，简称惯性摩擦焊接）是一种固相焊接方法，广泛应用于石油钻杆、航空发动机转子组件制备中^[12-13]。与熔化焊相比，惯性摩擦焊接加工速度快、焊接过程中焊缝温度较低、焊缝金属不易被氧化，在钛合金管、棒、环等轴类构件的焊接上具有显著的优势^[14-15]。TA18钛合金以管、轴状的形式获得了广泛应用，而目前使用惯性摩擦焊的方式焊接TA18钛合金鲜有报道。笔者采用惯性摩擦焊接的方式制备了TA18合金管焊接接头，研究了接头的组织和力学性能，为惯性摩擦焊接TA18钛合金构件提供技术支撑。

1.   试验材料与方法

试验材料为TA18钛合金锻棒，通过机加方式制备Ø208 mm×12.5 mm TA18钛合金无缝管，化学成分如表1所示。将TA18钛合金无缝试验管焊接面车光后装配在HWI-IFW-400K型惯性摩擦焊机（如图1所示）上进行焊接。HWI-IFW-400K型惯性摩擦焊机的最大顶锻力为400 t，主轴最大转速为560 r/min，主轴惯性盘的最大惯性量为3500 kg·m²。根据焊接工件的面积和焊接材料的种类制定焊接工艺参数，如表2所示。焊接前，使用酒精冲洗焊接面并吹干，防止杂质进入焊缝中对焊缝造成污染。在摩擦焊接过程中，焊接面上的金属在扭矩和顶锻力的作用下产生剧烈摩擦并挤出，在焊缝外侧形成飞边，从而保护焊缝金属不被氧化。因此，摩擦焊接时不需要使用保护气氛进行保护。

表  1  TA18钛合金管化学成分

Table  1.  Chemical composition of TA18 titanium alloy tube %

Al	V	Fe	C	O	N	H	Ti
3.0	2.5	0.2	0.05	0.08	0.03	0.01	Balance

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图  1  HWI-IFW-400K型惯性摩擦焊机

Figure  1.  Inertia rotary friction welding machine (HWI-IFW-400K model)

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表  2  TA18管惯性摩擦焊接工艺参数

Table  2.  Processing parameters for IRFW of TA18 tube

顶锻压力/MPa	转动惯量/（kg·m2）	主轴转速/（r·min-1）	保压时间/s
7	990	300	15

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焊接完成后的接头使用线切割机在TA18钛合、金管焊接接头处分别切取拉伸、冲击金相试样，接头区域的取样位置如图2所示。母材位置取样方向与接头处相同，均为轴向。根据GB/T 228.1-2021标准分别进行了焊接接头与母材的拉伸性能测试，拉伸开始时，拉伸速度为0.5 mm/min，到达屈服点后，将拉伸速度提高到5 mm/min以提高测试效率。冲击试样按照GB/T 228.1-2021进行取样测试，缺口形状为U型。冲击与拉伸试验均在室温下完成。金相试样磨抛后使用Kroll试剂(HF∶HNO₃∶H₂O＝3∶7∶90)腐蚀15 s后进行焊缝宏观形貌与显微组织观察。最后，采用显微硬度测试仪进行显微维氏硬度测试，载荷为1.96 N，保载时间为15 s。

图  2  试样取样位置示意

Figure  2.  Schematic diagram of sampling location of samples

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2.   试验结果及讨论

2.1   焊接过程与接头宏观形貌

图3为焊接过程中主轴转速、顶锻压力和位移的变化情况。焊接开始后，主轴开始提速，达到目标转速（300 r/min）的110%后，主轴电机与主轴惯性盘之间解耦，主轴速度开始下降。当主轴的转速降低至焊接速度时，尾座端开始向主轴侧推进并与主轴侧接触，此时记录系统开始记录焊接过程的特征参数。两侧工件接触后，尾座的轴向顶锻压力持续增加并达到设定的顶锻压力。在顶锻压力的作用下，焊接工件两端产生剧烈摩擦，部分金属被挤出形成飞边，焊接位移开始增加，试管总长度降低；摩擦过程中主轴惯性盘的能量迅速消耗，导致主轴转速降低归零。主轴停止运动后，焊机继续进行保压，防止材料在高温状态下产生变形。保压结束后，等待焊缝冷却到低于150 ℃时，即可将试管从焊机上拆卸。

图  3  焊接过程中主轴转速、顶锻压力和位移的变化

Figure  3.  Spindle speed, upset pressure, and displacement during welding process

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图4为TA18管摩擦焊接接头的宏观形貌。焊接前后对管的总长度进行测量，测得管的焊接缩短量为5.1 mm。焊接过程中缩短的部分主要以飞边的形式挤出，从而保护焊缝金属不被氧化，并防止界面处杂质污染焊缝。从接头的宏观形貌可以看出，接头两侧飞边均匀、连续，呈现灰黄色。焊缝周围未观察到裂纹或未结合的缺陷。

图  4  TA18管摩擦焊接头的宏观形貌

Figure  4.  Macromorphology of IRFW joint of TA18 tube

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图5为TA18管摩擦焊接头的横截面形貌，按照不同特征可以分为焊缝区（Weld zone，WZ）、热影响区（Thermal-mechanically affected zone，TMAZ）和母材区（Base metal，BM）。其中，焊缝区没有明显的熔合界面，未观察到气孔、未熔合、裂纹等宏观缺陷。焊缝区平均宽度为1.63 mm，小于熔化焊接钛合金接头^[8-9]。TA18合金为近α合金，焊接过程中容易被挤出并消耗大量的焊接能量^[14]，这导致了接头处热影响区的宽度较窄，约为0.2 mm。

图  5  TA18管摩擦焊接头横截面形貌

Figure  5.  Cross-sectional morphology of IRFW joint of TA18 tube

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2.2   焊接接头显微组织

图6为TA18管摩擦焊接头横截面不同区域的显微组织。图6 (a)～ (c)为接头母材区的组织形貌，可以看出TA18管母材处组织为等轴α相和少量分布在α相界面处的β相，等轴α相的尺寸为10～20 μm；图6 (d)～ (f)为接头热机影响区的组织形貌，该区域中存在原始的等轴α相，同时也存在部分针状α′相和残余β相；图6 (g)～ (i)为接头焊缝区的组织形貌，接头焊缝区域的组织主要为针状α′相。

图  6  TA18管摩擦焊接头横截面显微组织

Figure  6.  Microstructures of cross section of IRFW joint of TA18 tube

(a)~(c) BM；(d)~(f) TMAZ； (g)~(i) WZ

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惯性摩擦焊接过程中，焊缝区的组织会在惯性盘的旋转摩擦作用下与尾座提供的顶锻力作用下产生剧烈的塑性变形，焊缝区温度快速增加。近α钛合金旋转摩擦焊接时，焊缝的温度通常会达到1100 ℃左右，远高于TA18合金的β相转变温度（～910 ℃）。因此，在焊接过程中，焊缝处组织几乎全部转变为高温β相。这部分组织在焊接完成后发生快速冷却，从β晶界处向晶内以非扩散型相变的形式析出了取向不同、相互交错的针状α′相。在焊接过程中，热机影响区所经历的最高温度要显著低于焊缝区的温度。该区域原始组织中的部分等轴α相得以保留，而原始组织中晶界处的β相有所长大，在冷却的过程中形成了图6（f）中的针状α′相和残余β相。

2.3   焊接接头力学性能

TA18管焊接接头与母材的拉伸性能如表3所示。可以看出TA18管母材的平均抗拉强度为752.5 MPa，平均屈服强度为643 MPa，平均断后伸长率为14.75%；TA18管焊接接头的平均抗拉强度为759.5 MPa，平均屈服强度为585.5 MPa，平均断后伸长率为15%。TA18管惯性摩擦焊接头的抗拉强度和断后伸长率均与母材相当，而惯性摩擦焊接头的屈服强度相比母材较低，为母材的91.05%。TA18管焊接接头的拉伸曲线如图7所示，由结果可知TA18管焊接接头试样在屈服后仍然表现出了良好的塑性。图8为TA18管惯性摩擦焊接头拉伸试样照片。从断后试样的照片中也可以看出，TA18管焊接接头试样均在母材处发生断裂。

表  3  TA18管摩擦焊接头与母材的拉伸性能

Table  3.  Tensile test result of BM and IRFW joint of TA18 tube

试样	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	断后伸长率/%	断面收缩率/%
焊接接头1#	757	585	15.5	44
焊接接头2#	762	586	14.5	38
母材1#	747	635	13.5	41
母材2#	758	651	16.0	44

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TA18管焊接接头与母材的冲击性能如表4所示。可以看出，TA18管惯性摩擦焊接头冲击韧性的平均值为76.8 J/cm²，TA18管母材的冲击韧性平均值为79.3 J/cm²，焊缝的冲击韧性达到母材冲击韧性的96.85%。熔化焊接钛合金接头的冲击韧性通常会显著低于母材，而TA18管摩擦焊接头的冲击韧性却达到了母材的96.85%，主要有以下两个原因：首先，与熔化焊接头相比，摩擦焊接后TA18管接头焊缝处的组织更加精细；而熔化焊接时焊缝处为铸态组织，较为粗大，细小的组织有助于提高焊缝处的冲击韧性^[16]。其次，摩擦焊接时，焊缝外侧挤出的飞边能够保证焊缝处金属不会被氧化，在顶锻压力的作用下也不易产生孔隙等焊接缺陷；而熔化焊接焊缝重熔的过程中容易氧化，若工艺不当还会产生气孔、夹杂等缺陷。因此，摩擦焊接的工艺特点使得摩擦焊接头具有更好的冲击韧性^{[14-15,17-18]}。

表  4  TA18管摩擦焊接头与母材的冲击韧性

Table  4.  Impact toughness of BM and IRFW joint of TA18 tube

试样	冲击功/J	冲击韧性/（J·cm−2）
焊接接头1#	47.3	78.5
焊接接头2#	45.2	75
母材1#	45.8	76
母材2#	49.8	82.6

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图  7  TA18管摩擦焊接接头拉伸曲线

Figure  7.  Tensile curve of IRFW joint of TA18 tube

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图  8  TA18管摩擦焊接接头拉伸断后试样

Figure  8.  Tensile fracture sample of IRFW joint of TA18 tube

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TA18管摩擦焊接头处的显微硬度如图9所示。可以看出，焊缝区的显微硬度与母材区的显微硬度（HV）较为接近，约为245，而热机影响区的显微硬度（HV）有所增加，约为255。整体来看，TA18管接头中焊缝区、热机影响区及母材区硬度差异不大，呈现出良好的硬度匹配性。

图  9  TA18管摩擦焊接接头显微硬度

Figure  9.  Microhardness of IRFW joint of TA18 tube

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3.   结论

1）TA18管具有良好的摩擦焊接性能，焊接接头的平均抗拉强度为759.5 MPa，平均断后伸长率为15%，与母材相当；平均屈服强度达到了母材的91.05%，略低于母材；焊接接头的断裂位置远离焊缝中心区域，表明焊接接头的最薄弱位置为母材区。

2）TA18管摩擦焊接头焊缝区温度超过了β相转变温度，高温β相在快冷的情况下在焊缝区形成了针状α′相；热影响区形成了等轴α相、部分针状α′相和残余β相的混合组织。

3）TA18管摩擦焊接头的冲击韧性为79.3 J/cm²，达到母材的96.85%；TA18管摩擦焊接头焊缝区、母材区的平均硬度（HV）为245 ，热影响区的平均硬度（HV）为255 ；良好的冲击韧性和硬度匹配性表明惯性摩擦焊是一种高质量的焊接TA18轴类部件的方法。