钛合金与不锈钢电子束焊接工艺优化研究

摘要

本文对异种难焊材料钛合金与不锈钢进行了电子束焊接试验,研究了添加不同组元、不同接头形式和不同工艺参数对接头组织和性能的影响。基于添加复合填充层的钛合金与不锈钢电子束焊接过程有限元分析,对气孔、裂纹等焊接缺陷的产生和抑制方法进行了阐述,并对焊接工艺进行了进一步的优化,最终获得了高强度和较好塑性的钛合金与不锈钢电子束焊接接头。
　　对于添加Cu、V组元的钛合金与不锈钢电子束焊接,设计了添加Cu/V复合填充层和添加QCr0.8过渡段两种接头形式。当添加形状优化的Cu/V填充层进行焊接时,可以有效地避免焊缝下表面出现未熔V层,但在两道焊缝界面处会生成σ-FeV,且焊缝中间存在未熔V层,接头平均抗拉强度为298.9MPa。当添加QCr0.8过渡段进行焊接试验时,接头呈现脆性断裂和塑性断裂两种断裂模式,过渡段尺寸、焊接顺序对接头强度和断裂类型产生明显影响。当过渡段尺寸X=1.5mm,并先进行QCr0.8/304SS的焊接时,接头平均抗拉强度可达338MPa。
　　当添加Cu、V、Cr组元进行钛合金与不锈钢电子束焊接时,单一的Cu-Cr合金层无法避免焊缝中TiFe、TiCr2等化合物的形成,接头强度较低。当添加Cu-Cr/V复合层并先进行V层焊接时,接头的组织结构为304SS/ss(Fe,Cr)/Cu(s,s)/V(s,s)/Cu(s,s)/ss(Ti,V),接头平均抗拉强度可达419MPa。
　　基于添加复合填充层的钛合金与不锈钢电子束焊接过程有限元模拟结果,对焊接接头中的气孔、裂纹缺陷进行了解释。气孔产生的主要原因是母材与填充层直接存在间隙且冷却速度极快;裂纹的产生是由于焊缝中存在较大的残余应力。减少填充层与母材之间的间隙和采用三道焊与缓冷工艺可以有效减少或避免焊缝中的气孔、裂纹缺陷。当添加Cu9Cr/V复合层,并采用三道焊工艺时,接头平均抗拉强度可达459MPa,且接头具有较好的塑性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 钛与钢焊接性分析

1.3钛/钢焊接的国内外研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验过程

2.4 焊接接头的分析测试

第3章 添加Cu、V组元的钛/钢电子束焊工艺研究

3.1引言

3.2 钛/钢电子束焊接V/Cu复合填充层的优化

3.3 添加QCr0.8过渡段的TA15/304SS接头的组织与力学性能

3.4 本章小结

第4章 Cr组元对钛/钢电子束焊接接头的影响

4.1 引言

4.2 TA15/Cu2Cr/304SS接头的组织与力学性能

4.3 TA15/V/Cu2Cr/304SS接头的组织与力学性能

4.4工艺优化对焊接质量的影响

4.5本章小结

第5章 添加复合填充层的钛/钢电子束焊接有限元分析及缺陷控制

5.1 有限元模型的建立及求解

5.2 温度场及应力场分析

5.3 温度场分布对焊接质量的影响

5.4 应力场分布对焊接质量的影响

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致谢