TiAl金屬間化合物電子束焊接接頭組織及防裂紋工藝研究.pdf

1、本文對板厚2.5mm的TiAl/TiAl、TiAl/TC4電子束焊接進(jìn)行了研究。TiAl金屬間化合物電子束焊接性較差，焊后接頭極易產(chǎn)生冷裂紋。目前，國內(nèi)外有關(guān)裂紋產(chǎn)生的機(jī)理和如何有效防止裂紋產(chǎn)生的報(bào)道較少。為此，本文在綜合分析接頭組織演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合焊接熱循環(huán)中熱致應(yīng)力的分布特征，提出了一種TiAl電子束復(fù)合控制焊接方法，最終獲得了TiAl/TiAl、TiAl/TC4電子束焊宏觀無裂紋接頭。
　　TiAl電子束焊接頭極易產(chǎn)生

2、宏觀冷裂紋，其原因主要包括接頭組織的脆化和熱致應(yīng)力兩個(gè)致裂因素。首先分析了接頭組織對裂紋產(chǎn)生的影響，快速冷卻抑制了α(α2)相分解，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物以α2相為主，這種單一的脆硬相結(jié)構(gòu)顯著地降低了接頭塑韌性，成為接頭易產(chǎn)生冷裂紋的組織因素。接頭抗拉強(qiáng)度普遍不高，拉伸斷裂發(fā)生在焊縫及熱影響區(qū)，為脆性穿晶斷裂。計(jì)算了TiAl電子束焊接接頭形成第一道裂紋的冷卻時(shí)間和溫度，該溫度定義了有利于接頭組織充分轉(zhuǎn)變的高溫區(qū)間下限。由此可間接評(píng)價(jià)冷裂紋產(chǎn)生的敏感性

3、，并作為復(fù)合控制焊接方法的主要理論基礎(chǔ)。
　　TiAl/TC4電子束焊接接頭冷裂紋僅產(chǎn)生在TiAl一側(cè)。由于兩種母材化學(xué)成分和熱物理參數(shù)存在差別，焊縫Al原子含量相對較低，接頭強(qiáng)度較TiAl/TiAl有所提高。根據(jù)這些特點(diǎn)采用偏Ti進(jìn)行側(cè)偏焊，側(cè)偏量hs值在一定范圍內(nèi)增大時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度有所提高。計(jì)算了側(cè)偏量與兩側(cè)母材熔化量比值之間的關(guān)系。分析了同為Ti-Al系金屬間化合物的Ti3Al和TiAl電子束焊接性差別的原因。
　　電

4、子束焊接特有的快速加熱和冷卻過程使接頭形成較大的熱致應(yīng)力，這是造成接頭易產(chǎn)生裂紋的力學(xué)因素。TiAl/TiAl沿焊縫方向均為殘余拉應(yīng)力，在焊道中部達(dá)到較高水平，所以冷裂紋均為垂直于焊縫分布。TiAl/TC4接頭沿焊縫方向三向應(yīng)力均為殘余拉應(yīng)力，且幅值均較高。此外，因?yàn)閮煞N母材材料參數(shù)存在差別，板厚方向表現(xiàn)出較高的殘余拉應(yīng)力。當(dāng)開裂處拉應(yīng)力達(dá)到最大值590MPa時(shí)接頭還處在高溫塑性狀態(tài)，可通過自身塑性變形釋放一部分應(yīng)力，因此接頭冷裂紋在非

5、最大應(yīng)力作用下產(chǎn)生。由于室溫時(shí)接頭中仍有153MPa的殘余拉應(yīng)力，加載時(shí)疊加到外加載荷上，從而使接頭在低應(yīng)力下拉伸斷裂。
　　根據(jù)上述研究結(jié)果，本文提出一種TiAl金屬間化合物電子束無裂紋復(fù)合控制焊接方法。其步驟及作用包括：采用添加隔熱墊板、焊前逐級(jí)預(yù)熱和隨焊熱處理的方式調(diào)控焊接熱循環(huán)曲線，增加接頭在高溫區(qū)間的停留時(shí)間以改善組織；改變待焊試件的夾持方式以減小拘束，緩解和釋放熱致應(yīng)力。采用該方法最終成功獲得了板厚2.5mm的TiAl

6、/TiAl、TiAl/TC4電子束焊接無裂紋接頭。對比了常規(guī)焊接方式和復(fù)合控制焊接方式所獲接頭組織在相含量、晶粒尺寸和組織類型等方面的不同，采用X射線衍射技術(shù)測定了復(fù)合控制焊接方法接頭的殘余應(yīng)力場分布特征，從定量分析方面論證了這種方法的可行性。
　　采用電子束復(fù)合控制焊接方法除了獲得平板對接無裂紋接頭之外。還對Ti-43Al-9V-0.3Y、Ti-45Al-5Nb-0.3Y等不同金屬間化合物、不同壁厚的管材進(jìn)行了環(huán)焊縫連接，說明該