采用攪拌摩擦焊對TC1鈦合金和LF6鋁合金異種材料進行了連接，研究了工藝參數對焊縫表面成 形、焊接接頭橫截面形貌和接頭的抗拉強度的影響規律。結果表明，鈦合金/鋁合金異種材料焊接難度較大，容易產生裂紋、溝槽等缺陷，當攪拌頭旋轉速度n為750r/min和950r/min,且焊接速度v為118mm/min和150mm/min時均能獲得較好的焊縫表面成形，但n 為750r/min時焊接接頭橫截面鈦/鋁的界面結合不好，導致接頭強度很低。當n為950r/min、v為1118mm/min 時鈦合金/鋁合金異種材料攪拌摩擦焊接頭的強度最高，為131.1MPa。

　　鋁合金、鈦合金是航空航天、能源等高新技術領域中廣泛應用的金屬材料，其中鈦合金有許多獨特的 優點，如質輕、比強度高、抗沖擊等，成為航空航天重點發展的新材料之一[1]。減輕重量、提高推重比、增加有效載荷等一直是航空發動機和飛機結構設計追求 的目標，國內外統計數據表明，二、三、四代軍用戰斗機各類金屬結構材料的用量中鈦合金用量大幅度上升至達到整機結構重量的38.8%[2]。鈦合金研究與 推廣應用的關鍵之一是鈦與異種金屬的焊接問題。針對航空材料特殊性能的要求，將鈦合金與鋁合金連接形成復合結構可以發揮兩種金屬不同的性能優勢，能大大提 高航空航天領域對結構件性能的要求，具有重要的理論意義和實際應用價值，在未來航空結構等領域有廣闊的應用前景。

　　然而，鈦合金與鋁合金都 是活性、極易氧化的金屬，兩者熔點、熱導率、熱膨脹系數以及晶體結構等物理性能差異很大，采用常規的焊接方法難以獲得滿足使用性能要求的焊接接頭。目前， 國內外采用電弧熔釬焊[3]、激光熔釬焊[4]、固態擴散焊[5]、液相擴散焊[6]等方法對鈦和鋁異種材料的焊接進行了研究。攪拌摩擦焊是一種固態擴散 焊接方法，基本不受材料的物理化學性能、機械性能、晶體結構等的影響，對克服不同材料性能差異帶來的焊接困難具有極大的優勢，比較適合于異種材料的連接。 本文采用攪拌摩擦焊方法對鈦合金、鋁合金異種金屬進行了連接，研究了工藝參數對焊縫表面成形、焊接接頭橫截面形貌和抗拉強度的影響規律，為獲得較好的工藝參數提供指導。

　　1 試驗條件及方法

　　試驗材料為LF6 鋁合金和TC1鈦合金,試板厚度均為2.0mm。試驗采用的攪拌頭用高溫合金制成，攪拌頭軸肩直徑為13mm，探針直徑為5mm。用自制的焊接夾具在銑床 改裝的攪拌摩擦焊機上進行焊接試驗，攪拌頭的旋轉速度n 選用600r/min～1180r/min，焊接速度v 選用95mm/min～190mm/min,攪拌頭傾角為2°。攪拌摩擦焊時，將鈦合金置于前進邊、鋁合金置于返回邊，攪拌針偏移量為0.5mm，即攪拌 針邊緣與鈦合金-鋁合金對接縫的距離為0.5mm。焊后觀察焊縫表面成形情況，沿垂直于焊縫橫截面方向截取金相試樣，采用××腐蝕劑對接頭進行侵蝕，觀察 接頭橫截面形貌。按國標GB/T 2651-2008 加工拉伸試樣，在WDW-50型微機控制電子萬能試驗機上測試焊接接頭的強度。

　　2 試驗結果及分析

　　2.1 工藝參數對焊縫表面成形的影響

　　當攪拌頭旋轉速度n 為1180r/min、焊接速度v 在95mm/min～190mm/min 范圍內變化時，焊后在焊縫偏向鈦合金一側都會出現縱向裂紋，如圖1 所示。分析認為，對于鈦合金/鋁合金異種材料的攪拌摩擦焊，裂紋的產生與焊縫中金屬間化合物的形成有關。Ti、Al 均是活性元素，根據Ti-A1 二元相圖， Ti 與Al 能形成TiAl、Ti3Al、Al3Ti 等多種金屬間化合物。攪拌摩擦焊時，攪拌頭與工件間的摩擦熱使焊縫溫度提高，同時，焊縫區的Ti 與Al 在攪拌頭的作用下混合，并經歷劇烈塑性變形，二者的綜合作用使焊縫在固態下形成Ti-Al 金屬間化合物，大量脆性金屬間化合物的存在使得焊縫變脆，在焊接應力作用下導致焊縫開裂。攪拌頭旋轉速度越高，攪拌頭與工件間的摩擦發熱量越多，焊縫中形 成的金屬間化合物也就越多，焊縫開裂的可能性越大。因此當攪拌頭旋轉速度為1180r/min 時，焊縫極易開裂。

　　當攪拌頭旋轉速度降低 到600r/min、焊接速度在95mm/min～190mm/min范圍內變化時，焊縫表面粗糙、兩側有較多的飛邊且出現溝槽型缺陷，如圖2所示。分析 其原因是，攪拌頭旋轉速度過低時單位長度焊縫上摩擦產生的熱量過少.焊縫區溫度偏低，不能形成A1/Ti塑性狀態下的連接，從而使接頭出現溝槽型缺陷。

　　大量工藝試驗結果發現，當攪拌頭旋轉速度為750r/min 和950r/min 時，焊接速度為118mm/min 和150mm/min 時能獲得較好的焊縫表面成形，如圖3 和圖4 所示。當焊接速度提高到190mm/min 時由于熱量不夠也會出現溝槽型宏觀缺陷。

　　2.2 工藝參數對橫截面形貌的影響

　　在攪拌頭旋轉速度為750r/min 和950r/min、焊接速度為118mm/min 和150mm/min 的焊接試樣上截取金相試樣，觀察焊接接頭橫截面形貌，如圖5 所示。由圖可知，攪拌頭旋轉速度為750r/min、焊接速度為118mm/min 時(圖5a)，在焊核區存在部分鈦，但鈦合金/鋁合金之間存在清晰的界面，且界面線與木材表面垂直，表明在攪拌摩擦焊過程中鈦合金、鋁合金沒有充分攪拌、 混合;當焊接速度提高到150mm/min 時(圖5b),軸肩下方鈦合金/鋁合金界面處存在裂紋。

　　當攪拌頭旋轉速度為950r/min、焊接速度為118mm/min 時(圖5c)，鈦合金/鋁合金界面處結合良好，且只有少數鈦合金進入了焊縫，而當焊接速度提高到150mm/min 時(圖5d), 靠近鈦合金母材一側的焊縫中存在大量的鈦，勢必會導致焊縫中存在較多的鈦/鋁金屬間化合物，降低接頭的強度。

　　2.3 焊接接頭的抗拉強度

　　在 成形較好的四組參數(攪拌頭旋轉速度為750r/min和900r/min、焊接速度為118mm/min 和150mm/min)的焊接試樣上制備標準拉伸試樣，測試焊接接頭的強度，每組參數取三個試樣以其平均值作為該組參數焊接接頭的抗拉強度，結果見表1。 由表1 結果可知，攪拌頭旋轉速度為750r/min、焊接速度為118mm/min 時接頭強度最低，有兩個試樣在拉伸試驗機上裝夾時即斷裂了，表明該組參數焊接接頭中鈦/鋁沒有很好的結合，這和焊接接頭橫截面形貌觀察結果是一致的。攪拌 頭旋轉速度為950r/min、焊接速度為118mm/min時接頭強度最高，為131.1MPa，但遠低于LF6 鋁合金母材的強度(314MPa)和TC1 鈦合金母材的強度(600MPa)。因此，對于鈦合金/鋁合金異種材料的攪拌摩擦焊，需要進一步采取措施(如攪拌頭設計、添加中間層材料等)提高接頭的強 度才有可能實現工程應用。

　　3 結論

　　(1) 對于鈦合金/鋁合金異種材料的攪拌摩擦焊，攪拌頭旋轉速度過高時焊縫表面易產生縱向裂紋，攪拌頭旋轉速度過低時焊縫表面粗糙且出現溝槽型缺陷。當攪拌頭旋 轉速度為750r/min和900r/min時，焊接速度為118mm/min和150mm/min時能獲得較好的焊縫表面成形。

　　(2)當攪拌頭旋轉速度為750r/min、焊接速度分別為118mm/min和150mm/min時，鈦合金/鋁合金的界面結合不是很好，導致接頭強度很低。

　　(3)攪拌頭旋轉速度為950r/min、焊接速度為118mm/min時鈦合金/鋁合金異種材料攪拌摩擦焊接頭的強度最高，為131.1MPa。