鈹激光焊接性研究及焊接過程微觀組織模擬.pdf

1、鈹具有低密度、高熔點、高比強度等優(yōu)點，成為功能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域關(guān)注的焦點，廣泛地運用在航空、航天和核工業(yè)中。但鈹焊接過程中易形成焊縫區(qū)和熱影響區(qū)裂紋、氣孔等缺陷，成為阻礙鈹應用的關(guān)鍵問題之一。
　　本文采用激光焊接方法，在對采用不同填充金屬(AlSi合金、Al、非晶態(tài)材質(zhì)、Zr+AlSi+Zr)的鈹-鈹激光熔焊接頭組織結(jié)構(gòu)觀察分析及接頭性能測試基礎(chǔ)上，獲得鈹焊接接頭組織結(jié)構(gòu)與力學性能間的關(guān)系，研究不同填充金屬與鈹激光熔焊時的組織形成規(guī)

2、律，對其接頭組織結(jié)構(gòu)及性能進行對比分析。從理論上探討上述四種材質(zhì)作為鈹激光焊接填充材料的可行性，以指導工藝參數(shù)優(yōu)化。采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合，通過確定和概率模型，建立宏微觀藕合模型，對焊接熔池凝固和熱影響區(qū)晶粒長大過程的微觀組織進行數(shù)值模擬研究，實現(xiàn)計算機再現(xiàn)激光焊接接頭微觀組織演化規(guī)律。
　　AlSi合金、Al、ZrTiNiCuBe非晶、Zr+AlSi+Zr疊層為填充材料的鈹焊接接頭微觀組織形成機理認為:AlSi合金、Al為填充

3、材料焊接的焊接接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)由鈹與填充金屬形成了類似復合材料的雙相組織。當焊縫中鈹含量小于70％，隨鈹含量增加，鈹分布形態(tài)為分散晶粒結(jié)構(gòu)或聚集晶粒結(jié)構(gòu)，能夠很好地改善鈹?shù)暮附有?。獲得了高焊深的Be/AlSi/Be和Be/Al/Be激光焊接接頭(Be/AlSi/Be:焊深0.6mm，焊接工藝為預熱溫度393K、線能量114J/mm。Be/Al/Be:焊深0.4mm，焊接工藝為預熱溫度393K、線能量120J/mm);ZrTiNiCuB

4、e非晶為填充材料焊接鈹時，工藝焊接性一般，Be/ZrTiNiCuBe/Be焊接接頭焊縫中心為非晶狀態(tài)，熔合區(qū)形成了一層結(jié)構(gòu)稀疏、成分均勻的金屬間化合物層，通過調(diào)整焊接工藝，縮小熔合區(qū)面積可以提高焊接接頭工藝焊接性; Zr+AlSi+Zr疊層為填充金屬的Be激光焊接接頭焊縫熔合區(qū)附近形成的Be5Zr和Al2Zr等金屬間化合物層在焊接熱應力作用下極易生成焊接裂紋，焊接性較差。
　　研究了鈹激光焊接熱影響區(qū)晶粒長大，建立了鈹晶粒生長動力

5、學方程:D=D。+7.7×10-1t06215 exp(-40985/RT)，根據(jù)實驗測量熱循環(huán)曲線和鈹晶粒生長動力學方程推測出焊接熱影響區(qū)鈹晶粒長大約1μm，熱影響區(qū)鈹晶粒長大區(qū)域?qū)挾燃s0.5mm，與金相觀察無明顯差別。
　　AlSi合金和Al為填充金屬的鈹焊接接頭剪切強度試驗和剪切斷口觀察顯示，焊接工藝不同會引起焊接接頭微觀組織變化，導致焊接接頭力學性能，斷裂形式和斷口形貌發(fā)生改變。AlSi合金和Al為填充金屬的鈹激光焊接接頭

6、剪切強度分別為88.5MPa～283MPa和109.6MPa～240.4MPa，介于填充金屬和鈹?shù)募羟袕姸戎g，隨著焊縫組織中鈹含量增加，接頭剪切強度呈上升趨勢。當焊縫中鈹含量小于40％時焊接接頭為塑性斷裂;鈹含量位于40％-70％時，焊接接頭斷裂形式從塑性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，斷口形貌由韌窩斷口向解理斷裂為主伴有局部塑性斷裂的混合斷口過渡。針對焊接接頭在不同使用條件下對接頭強度和斷裂形式的要求，焊縫中鈹含量是重點控制因素。
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7、rTiNiCuBe非晶為填充金屬的鈹激光焊接接頭平均剪切強度為230MPa、熔合區(qū)顯微硬度低于ZrTiNiCuBe非晶和鈹?shù)娘@微硬度，接頭斷裂位置位于焊縫熔合區(qū)，呈現(xiàn)脆性斷裂，具有冰糖狀斷口形貌。熔合區(qū)生成的脆性相Be2Zr、α-BeO、BeCu、NiZr、Be13Zr等，降低了焊接接頭剪切強度，是焊接接頭薄弱部位，并且熔合區(qū)域隨著焊接預熱溫度和焊接輸入線能量增加會加大，因此在保證焊接接頭實現(xiàn)有效連接情況下，應盡量降低焊接熱輸入。

8、>　　結(jié)合宏觀熱流計算和微觀組織模擬，確定模型和概率模型，提出CellularAutomaton(CA)技術(shù)為基礎(chǔ)并輔以Monte Carlo(MC)法修正生長的CAMC宏微觀藕合模擬技術(shù)。CAMC技術(shù)以CA模擬技術(shù)搭起晶粒生長骨架，MC法則在內(nèi)部進行輔助生長，體現(xiàn)枝晶分枝機制。該模擬技術(shù)能夠定量地描述晶粒數(shù)目、尺寸和形貌演變過程，從而能夠很好地模擬金屬凝固組織形成過程。
　　基于晶粒正常長大過程中的能量和曲率因素，建立了晶粒正常