銅與鋼冷體熱絲TIG微熔堆焊工藝及界面行為研究.pdf

1、鋼基體表面堆焊銅合金技術(shù)在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，尤其對(duì)提高兵器的性能方面具有重要的意義。本文采用冷體熱絲TIG堆焊方法在35CrMnSiA中碳調(diào)質(zhì)鋼基體表面堆敷Hs201、CuSi3、B10銅合金，設(shè)計(jì)并制造了彈帶堆焊設(shè)備，優(yōu)化了焊接工藝，滿足了堆焊層與基體的性能要求。同時(shí)，在分析焊接工藝對(duì)溫度場(chǎng)分布影響以及電弧作用下熔池流動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了銅合金中泛鐵的分布、形態(tài)演變以及泛鐵規(guī)律。
　　發(fā)明了電弧熱絲方法，建立電弧

2、熱絲模型，系統(tǒng)分析了熱絲電流、送絲速度對(duì)預(yù)熱溫度的影響，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值吻合良好。研制了彈帶堆焊設(shè)備，并研究了堆焊工藝對(duì)堆焊層硬度、摩擦磨損性能的影響規(guī)律。考察了堆焊工藝對(duì)堆焊層剪切、拉伸及沖擊韌性的影響，確定了獲得良好綜合性能堆焊層的最佳堆焊工藝：背部水冷，熱絲堆焊，堆焊電流240-270A，堆焊速度160-170mm/min。
　　通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜分析和X-射線衍射等微觀分析方法對(duì)界面區(qū)和堆焊層進(jìn)行分析，利用

3、溫度場(chǎng)及熔池流場(chǎng)模擬結(jié)果闡明了堆焊層中泛鐵的分布、形態(tài)演變過(guò)程。結(jié)果表明：在電弧壓力的作用下，熔化基體流向堆焊層兩側(cè)，并在那里首先凝固形成泛鐵，而液態(tài)銅合金流入熔池，造成堆焊層中心與熔池中心泛鐵較少；隨著焊接電流的增大，泛鐵形態(tài)由最初的無(wú)可見(jiàn)泛鐵（I<270A）發(fā)展到細(xì)小的顆粒狀、類(lèi)樹(shù)枝狀泛鐵（I=270A），再發(fā)展到大塊球狀泛鐵（I=300A），最后發(fā)展到Cu/Fe界面模糊，堆焊層內(nèi)Cu、Fe相互包覆（I=330A）。采用EDXA方法

4、測(cè)量堆焊層內(nèi)的泛鐵量，建立了泛鐵量與堆焊電流的變化關(guān)系模型，為控制泛鐵量給出了依據(jù)。結(jié)果表明：背部水冷工藝的泛鐵量比空冷工藝降低了40％左右；熱絲堆焊的泛鐵量比冷絲堆焊降低了8.6%。
　　由于焊接熱輸入的增加，在焊接應(yīng)力的作用下，液態(tài)銅降低了原晶界的表面能，使得對(duì)鋼的晶界進(jìn)行潤(rùn)濕，從而在鋼的晶界處產(chǎn)生晶間滲入現(xiàn)象，隨著晶間滲入現(xiàn)象的深入，由于列賓捷爾效應(yīng)最終產(chǎn)生滲透裂紋。堆焊界面鋼側(cè)產(chǎn)生滲透裂紋的情況下，鋼基體的抗拉強(qiáng)度下降了7

5、8%；延伸率下降了73%。而銅-鋼接頭拉伸斷裂位置均發(fā)生在銅側(cè)，其結(jié)合強(qiáng)度并沒(méi)有明顯下降，強(qiáng)度薄弱區(qū)仍在銅側(cè)。
　　通過(guò)分析焊接傳熱過(guò)程，采用焊后堆焊層幾何參數(shù)建立實(shí)體模型，利用高斯面熱源和堆焊層體熱源相結(jié)合的復(fù)合熱源模型，模擬了擺動(dòng)熱源條件下的焊接溫度場(chǎng)。結(jié)果表明：基體內(nèi)部各點(diǎn)熱循環(huán)峰值溫度、冷卻速度隨著距界面距離增加而減?。幌嗤附与娏鲿r(shí)，擺動(dòng)焊基體表面處熱循環(huán)峰值溫度低于單道焊，冷卻速度也小于單道焊；背部水冷焊接時(shí)，基體與堆

6、焊層的冷卻速度大大提高。模擬值與實(shí)測(cè)值吻合良好。
　　結(jié)合溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與電弧壓力測(cè)量結(jié)果，研究了堆焊層與基體熔池內(nèi)液相的流動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明：不論是單一流場(chǎng)還是復(fù)合流場(chǎng)，都會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在雙相流場(chǎng)內(nèi)，熔化基體從熔池底部向堆焊層兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，液態(tài)銅合金由堆焊層頂部進(jìn)入基體熔池；在流動(dòng)過(guò)程中，接近熔池底部液相的流動(dòng)速度較小，而堆焊層頂部流動(dòng)速度較大。熔化的Fe在流場(chǎng)作用下向兩側(cè)與堆焊層表面移動(dòng)，大大影響了彈帶的使用性能。因