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、比強度高、耐腐蝕、耐高溫、無磁、無毒、生物相容性好、導熱系數(shù)小、抗阻尼性能強、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)、機器制造業(yè)、交通運輸業(yè)、化學工業(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迷絹碓綇V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焊接具有以下諸多技術(shù)與經(jīng)濟的優(yōu)越

2、性：①焊縫截面積大幅度減小（見圖1.4一般雙V型坡口與窄間隙坡口的斷面對比），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，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，焊縫金屬的冶金純凈度更高。④較高的熔池冷卻速度，相對較小的焊接線能量，使焊縫組織相對細小，且焊接熱影響區(qū)較窄，塑、韌性損失也大大減少，缺口韌性相對提高。 本論文試驗選用不同低強度級

3、別的焊絲，采用窄間隙的方法焊接不同厚度的高強度級別的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”，從而在保證焊接接頭具有良好塑性的條件下使接頭的強度與母材相當。 對Ti6Al4V合金的窄間隙半自動TIG焊進行了焊接工藝研究，包括坡口的制備、焊件的裝配以及窄間隙對接工藝等。試驗中分別采用三種低強度級別焊絲（TA2焊絲、2B焊絲和BT6cb焊絲）對33mm、44mm、66mm不同厚度的Ti6Al4V

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

5、了能譜試驗，考察了焊接接頭合金元素在高溫下的擴散現(xiàn)象，表明合金元素向焊縫中心的過渡對于焊接接頭拉伸力學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焊縫強度的提高有一定貢獻。 焊接接頭的拉伸力學性能試驗結(jié)果表明：在窄間隙條件下，采用低強度級別的TA2焊絲、2B焊絲和BT6cb焊絲焊接后，接頭的各項機械性能

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厚度條件下，焊縫軟金屬的變形被周圍較高強度基體金屬包圍而受到限制，即三向應力的作用。在拉伸載荷作用下，接頭區(qū)晶粒發(fā)生變形，被拉長的同時發(fā)生相互勾嵌現(xiàn)象，產(chǎn)生了典型的嚙合效應，這對強度的提高也有一定的影響。 對拉斷的試樣進行斷口分析，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，證實了嚙合效應的存在。同時借助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，同時在載荷作用下焊縫晶粒發(fā)生相互勾嵌，即所謂嚙合效應。拉斷過程中，不是單一的斷裂機制在起作用，韌性斷裂機制占據(jù)主導作用，隨著焊絲強度的提高，接頭呈現(xiàn)塑性斷裂的傾向下降。一般而言，接頭中部的強度比表層的強度略高，表層頸縮現(xiàn)象較中層明顯。 對各個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，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，焊接接頭的綜合機械性能同相對應焊絲熔敷金屬綜合機械性能相比普遍有所提高。對接板材的相對厚度以及焊接過程中發(fā)生的晶粒、組織的變化對整個接頭的力學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接頭強度的影響，以及合金元素向焊縫中心區(qū)的過渡對接頭性能的影響、分析接頭的組織形貌和拉伸性能，對厚度較大的Ti6Al4V鈦合金板焊接工藝進行一系列探索,可為其他類型鈦合金的焊接提供理論指導，并且可為超細晶粒鋼