鈦合金厚板窄間隙手工TIG焊接工藝和性能研究.pdf

1、鈦及鈦合金由于密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、無磁、無毒、生物相容性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、抗阻尼性能強(qiáng)、良好的加工性等一系列優(yōu)異的特性，在航空工業(yè)、航天工業(yè)、現(xiàn)代船體結(jié)構(gòu)、海洋工程、武器工業(yè)、機(jī)器制造業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、冶金工業(yè)、造紙工業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)療保健和體育器械等軍用及民用領(lǐng)域發(fā)展非?？欤瑧?yīng)用越來越廣泛。鈦合金焊接技術(shù)也隨之受到關(guān)注。 與鈦合金傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，窄間隙惰性氣體保護(hù)焊接具有以下諸多技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越

2、性：①焊縫截面積大幅度減?。ㄒ妶D1.4一般雙V型坡口與窄間隙坡口的斷面對(duì)比），節(jié)約焊接材料與電能，在大幅度提高焊接生產(chǎn)率的同時(shí)，降低了焊接生產(chǎn)成本。②焊道的減少，熱輸入的減少，使得接頭的殘余應(yīng)力、殘余變形減小。③深而窄的坡口側(cè)壁有利于焊接區(qū)的冶金保護(hù)，焊縫金屬的冶金純凈度更高。④較高的熔池冷卻速度，相對(duì)較小的焊接線能量，使焊縫組織相對(duì)細(xì)小，且焊接熱影響區(qū)較窄，塑、韌性損失也大大減少，缺口韌性相對(duì)提高。 本論文試驗(yàn)選用不同低強(qiáng)度級(jí)

3、別的焊絲，采用窄間隙的方法焊接不同厚度的高強(qiáng)度級(jí)別的Ti6Al4V厚板，通過調(diào)整工藝參數(shù)及焊縫間隙大小，使焊接接頭產(chǎn)生“嚙合效應(yīng)”，從而在保證焊接接頭具有良好塑性的條件下使接頭的強(qiáng)度與母材相當(dāng)。 對(duì)Ti6Al4V合金的窄間隙半自動(dòng)TIG焊進(jìn)行了焊接工藝研究，包括坡口的制備、焊件的裝配以及窄間隙對(duì)接工藝等。試驗(yàn)中分別采用三種低強(qiáng)度級(jí)別焊絲（TA2焊絲、2B焊絲和BT6cb焊絲）對(duì)33mm、44mm、66mm不同厚度的Ti6Al4V

4、合金板材進(jìn)行了窄間隙焊接，為獲得較大的強(qiáng)度和較好的強(qiáng)韌配比，具體工藝條件下，每對(duì)板材的對(duì)接間隙采用最小化的原則，實(shí)際為8.5±0.5mm。 對(duì)焊接接頭進(jìn)行了金相試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫組織為典型的針狀馬氏體α′組織，組織較為細(xì)小，性能較好。相對(duì)較小的焊接線能量、較高的冷卻速度和窄間隙對(duì)接條件下，焊縫區(qū)域多為針狀馬氏體組織，晶粒相對(duì)細(xì)小，焊接熱影響區(qū)相對(duì)其他對(duì)接方式較窄,提高了焊接接頭的性能。 對(duì)5組焊接接頭的熔合比進(jìn)行了研究并進(jìn)行

5、了能譜試驗(yàn)，考察了焊接接頭合金元素在高溫下的擴(kuò)散現(xiàn)象，表明合金元素向焊縫中心的過渡對(duì)于焊接接頭拉伸力學(xué)性能的提高有很大的影響。焊縫金屬是由焊絲和少部分的母材共同熔合而成，由于高溫條件下元素的活性，使得焊縫合金成分介于母材和焊絲熔敷金屬之間，母材合金元素向焊縫中心方向的熔入對(duì)焊縫強(qiáng)度的提高有一定貢獻(xiàn)。 焊接接頭的拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明：在窄間隙條件下，采用低強(qiáng)度級(jí)別的TA2焊絲、2B焊絲和BT6cb焊絲焊接后，接頭的各項(xiàng)機(jī)械性能

6、均優(yōu)于單純的熔敷金屬的性能。這是由于在較小的相對(duì)厚度條件下，焊縫軟金屬的變形被周圍較高強(qiáng)度基體金屬包圍而受到限制，即三向應(yīng)力的作用。在拉伸載荷作用下，接頭區(qū)晶粒發(fā)生變形，被拉長的同時(shí)發(fā)生相互勾嵌現(xiàn)象，產(chǎn)生了典型的嚙合效應(yīng)，這對(duì)強(qiáng)度的提高也有一定的影響。 對(duì)拉斷的試樣進(jìn)行斷口分析，觀察了在拉斷過程中斷口及熱影響區(qū)附近的晶粒變形情況，證實(shí)了嚙合效應(yīng)的存在。同時(shí)借助SEM觀察了斷口的微區(qū)形貌，研究了不同匹配的鈦合金接頭的主要斷裂機(jī)制。

7、從斷口分析得出的結(jié)論看來，斷口處晶粒在拉伸過程中被拉長，同時(shí)在載荷作用下焊縫晶粒發(fā)生相互勾嵌，即所謂嚙合效應(yīng)。拉斷過程中，不是單一的斷裂機(jī)制在起作用，韌性斷裂機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)作用，隨著焊絲強(qiáng)度的提高，接頭呈現(xiàn)塑性斷裂的傾向下降。一般而言，接頭中部的強(qiáng)度比表層的強(qiáng)度略高，表層頸縮現(xiàn)象較中層明顯。 對(duì)各個(gè)接頭的顯微硬度作了考察，從得到的數(shù)據(jù)分析了硬度從母材區(qū)域到焊縫中心的區(qū)域逐漸變化的趨勢(shì)，為考察不同區(qū)域的綜合性能提供了參考。在窄間隙條

8、件下，焊接接頭的綜合機(jī)械性能同相對(duì)應(yīng)焊絲熔敷金屬綜合機(jī)械性能相比普遍有所提高。對(duì)接板材的相對(duì)厚度以及焊接過程中發(fā)生的晶粒、組織的變化對(duì)整個(gè)接頭的力學(xué)性能的提高起著不可忽視的作用。 本論文按照這樣的思路，考察間隙與厚度的比值對(duì)接頭強(qiáng)度的影響，以及合金元素向焊縫中心區(qū)的過渡對(duì)接頭性能的影響、分析接頭的組織形貌和拉伸性能，對(duì)厚度較大的Ti6Al4V鈦合金板焊接工藝進(jìn)行一系列探索,可為其他類型鈦合金的焊接提供理論指導(dǎo)，并且可為超細(xì)晶粒鋼