船用钛合金旁路热丝等离子弧焊接工艺研究

摘要

钛合金的性能优越，广泛应用于核潜艇、深潜器、极地船等高技术船舶建造领域。为解决传统填丝等离子弧焊熔敷效率低的问题，本文提出采用旁路热丝等离子弧焊技术进行TC4钛合金的焊接。该技术将等离子弧穿透能力强、电弧热丝金属熔敷效率高、旁路分流热输入可控等特点结合起来，实现了中厚板钛合金的高效焊接。本文的研究内容如下: 通过钛合金旁路热丝等离子弧焊接试验确定了最优工艺参数，实现了8mm厚TC4钛合金的单面焊接双面成型，焊缝呈现亮银色，成型美观，无焊接缺陷;通过对照试验分析了主路电流、旁路热丝电流、焊接速度、送丝速度、保护气流量对焊缝成型的影响。采用高速图像采集系统研究了钛合金旁路热丝等离子弧焊的熔滴过渡形式，分析了喷嘴高度、送丝速度、主路电流、旁路电流对熔滴过渡的影响。 通过公式推导热丝电流对母材热输入和焊丝熔化效率的影响，结果显示热丝电流可以在不增加母材热输入的情况下，提高焊丝熔化效率。通过钛合金增材试验验证了热丝电流对焊丝熔化效率的影响，结果显示随着热丝电流的增加，其极限送丝速度明显增加，焊丝熔化效率提升。 对钛合金旁路热丝等离子弧焊接头进行金相分析，结果显示焊缝区的晶粒尺寸最大，焊缝区上部的晶粒呈长条状，向电弧中心发展;焊缝区中下部的晶粒尺寸相对减小，形状不规则，方向性不明显。粗晶区的晶粒尺寸较大，形状较为规则;细晶区的晶粒尺寸较小，多为形状规则的细小等轴晶;过渡区的等轴晶尺寸逐渐减小。 钛合金旁路热丝等离子弧焊接头的平均抗拉强度为964MPa，断裂于热影响区，为韧性断裂;传统填丝等离子弧焊接头平均抗拉强度为928MPa，断裂于熔合线区，断口形貌多为稍浅的韧窝，接头强度和韧性稍差。旁路热丝等离子弧焊接头的热影响区软化范围相对较小，无明显硬度陡降现象。此外，测试了旁路热丝等离子弧焊熔敷金属的力学性能，结果显示增材结构的成型良好;横向抗拉强度为977MPa，断裂于尾部;竖向抗拉强度为936MPa，断裂于上部;断裂形式均为韧性断裂;增材结构纵向硬度差别并不明显，底部热影响区出现了小范围软化区。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2钛合金材料特性与应用

1．2．1钛合金的种类和材料特性

1．2．1钛合金在船舶领域的应用

1．3钛合金的焊接性与常见的焊接方法

1．3．1钛合金的焊接性

1．3．2常用的钛合金焊接方法

1．4热丝等离子弧焊接技术

1．4．1热丝技术概述

1．4．2旁路热丝等离子弧焊技术

1．5本文主要内容

第2章试验条件与试验方法

2．1试验材料与加工

2．2试验设备

2．2．1焊接试验设备

2．2．2保护装置

2．3试验方法

2．3．1试件焊前处理

2．3．2焊接试验步骤

2．3．3工艺参数设计

2．4焊接接头组织观察

2．4．1金相试件制备

2．4．2组织观察

2．5焊接接头力学性能分析

2．5．1拉伸强度试验

2．5．2接头硬度测试

第3章钛合金旁路热丝等离子弧焊接工艺研究

3．1最优工艺参数和焊缝成型

3．2焊接工艺参数对焊缝成型的影响

3．2．1主路等离子电流对焊缝成型的影响

3．2．2旁路热丝电流对焊缝成型的影响

3．2．3送丝速度对焊缝成型的影响

3．2．4焊接速度对焊缝成型的影响

3．2．5正面保护气体流量对焊缝成型的影响

3．3钛合金等离子弧增材制造工艺

3．4本章小结

第4章旁路热丝等离子弧焊熔滴过渡与热分析

4．1旁路热丝等离子弧焊接熔滴过渡分析

4．1．1焊丝高度对熔滴过渡的影响

4．1．2送丝速度对熔滴过渡的影响

4．1．3主路等离子弧电流对熔滴过渡的影响

4．1．4小电流下旁路电流对熔滴过渡的影响

4．1．5大电流下旁路电流对熔滴过渡的影响

4．2旁路热丝等离子弧焊接热分析

4．2．1传统填丝等离子弧焊接热分析

4．2．2旁路热丝等离子弧焊接的母材热输入和焊丝熔化效率

4．3本章小结

第5章旁路热丝等离子弧焊接头微观组织分析

5．1钛合金接头宏观形貌

5．2典型钛合金接头微观组织形貌

5．3钛合金增材结构宏观形貌

5．4钛合金增材结构微观组织形貌

5．4本章小结

第6章钛合金接头力学性能分析

6．1概述

6．2对接焊接头力学性能

6．2．1拉伸性能分析和断口扫描

6．2．2硬度测试分析

6．3增材构件力学性能

6．3．1拉伸性能分析和断口扫描

6．3．3硬度测试分析

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢