TC4鈦合金電子束焊接數(shù)值模擬及接頭組織與性能.pdf

1、TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金具有較高的比強度和比剛度、以及耐熱、耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、汽車船舶、生物醫(yī)學等許多領域中應用廣泛。但是，由于鈦及鈦合金的化學活潑性強，在熔化焊接過程中容易受到各種不利因素的影響，如果工藝參數(shù)控制不當，工件焊后會產生焊縫組織晶粒粗大、接頭應力集中等缺陷，導致難以獲得高質量的焊接接頭。真空電子束焊接(EBW)作為高能束焊接方法之一，與普通的焊接方法相比，具有能量高度集中、獲得焊縫深寬比大、熱影

2、響區(qū)小等許多優(yōu)點，因此，較適合于鈦及鈦合金的焊接。在實際焊接時，如果能夠利用計算機數(shù)值模擬來再現(xiàn)實際焊接過程，就可以通過計算機系統(tǒng)來確定焊接各種鈦合金結構時的最佳設計及合理工藝參數(shù)?；诖?，本課題主要開展了以下幾個方面的研究：（1 ）基于ANSYS 虛擬平臺，建立TC4 鈦合金平板的真空電子束焊接模型，計算并獲得在不同焊接工藝參數(shù)條件下，焊縫熱應力的發(fā)展過程及殘余應力的分布特征，優(yōu)化試驗條件下的焊接工藝參數(shù)；（2 ）針對不同厚度的TC4

3、 鈦合金板材進行電子束焊接試驗，分析測試接頭的微觀組織結構與力學性能，研究接頭微觀組織與力學性能之間的關系和接頭抗拉強度與焊接熱輸入之間的關系，探討焊接接頭的形成機理；（3 ）為了更直觀地反映電子束焊接的優(yōu)越性，與TC4 鈦合金的TIG 焊接試驗進行對比，分析接頭的組織特征及力學性能，研究鈦合金在不同焊接工藝下組織與力學性能的差別及其原因。
　　 數(shù)值模擬計算結果表明，模擬的焊縫寬度及熔池形貌與實際焊接試驗結果基本吻合；高溫區(qū)集

4、中于焊縫區(qū)域內，該區(qū)域在焊后存在復雜的三維應力，部分區(qū)域處于高應力的危險狀態(tài)。
　　 數(shù)值模擬中，高應力的接頭焊縫在焊后接頭拉伸試驗中均斷裂在焊縫處或熱影響區(qū)，而低應力焊縫斷裂位置在母材部位。通過對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，應力峰值降低并向母材區(qū)移動。
　　 對電子束焊接頭的微觀組織分析表明，TC4 鈦合金焊縫組織基本為針狀或籃網狀α′馬氏體，其組織細小，分布較為均勻，焊縫區(qū)存在彼此無固定取向關系的片狀區(qū)域，區(qū)域內部的針狀組織具

5、有強烈的一致取向性；熱影響區(qū)組織表現(xiàn)為α相和α′相兩相共存或α相、β相及α′馬氏體三相共存的組織狀態(tài)；電子束焊接時加入掃描并非一定能改善焊縫的組織和性能，而是與所加掃描方式有關，圓形掃描會使焊縫組織粗大，降低其力學性能，而直線掃描則明顯細化晶粒，提高接頭的力學性能。力學性能測試表明，焊縫組織的硬度高于熱影響區(qū)及母材；接頭抗拉強度幾乎與母材等強，呈延性斷裂特征。母材斷面的韌窩較深，尺寸較大且分布均勻，韌窩中彌散分布一些均勻的顆粒夾雜；焊縫

6、處及熱影響區(qū)斷面的韌窩大小不一，形態(tài)各異，顆粒夾雜較母材金屬的大，具有這種形態(tài)的組織在發(fā)生斷裂時吸收的能量較少，表現(xiàn)出較低的裂紋抗力。在試驗條件下，1.5mm 厚TC4 鈦合金最佳工藝參數(shù)為電子束流I=11mA，焊接電壓U=60kV，焊接速度V=800mm/min，直線掃描；6mm 厚TC4 鈦合金最佳工藝參數(shù)為電子束流I=40mA，焊接電壓U=60kV，焊接速度V=300mm/min，直線掃描。
　　 通過工藝對比發(fā)現(xiàn)，TC4