TC4钛合金激光填丝焊成形工艺与间隙容错能力研究

摘要

整体叶盘技术被广泛用于航空发动机风扇、涡轮的制造，该技术在简化结构、减轻重量的同时，也增加了受损叶盘的修复的难度。激光填丝焊接技术在具备激光熔焊优势的同时还具有接头成形好、桥接能力强的优点，非常适合整体叶盘的修复，然而关于钛合金激光填丝焊基础研究和基础数据的不足是制约其在叶盘修复领域应用的关键因素。本文通过对TC4钛合金激光填丝焊成形工艺与间隙容错能力的研究，为激光填丝焊技术在叶盘修复领域的应用提供相关数据基础，文章主要研究内容如下:
　　首先，开展了焊接工艺参数对焊缝宏观成形影响的研究。通过对1mm厚TC4薄板的填丝拼焊实验，定性研究了气体保护流量、焊丝送入工艺和离焦量等基础工艺参数对焊缝成形的影响并优化出最佳工艺参数为:同轴保护气流量5L/min、拖罩夹具保护气流量20L/min;送丝方式采用前置送丝、送丝角度50°、丝光间距为零;拼焊最优离焦量为+2mm。在优化的基础工艺参数条件下，定量研究了激光功率、焊接速度和送丝速度对焊缝成形的影响，并得出良好焊缝成形的工艺条件为:在激光焊接线能量（K值）满足30≤K＜40的同时单位体积焊丝对应的激光能量（Q1值）也需满足Q1≤48。
　　其次，进行了焊接工艺参数对接头组织性能影响的研究。通过对不同工艺下焊接接头的微观组织和显微硬度的观测和分析，结果表明焊接接头组织由粗大等轴晶区、柱状晶区和热影响区过热组织构成，存在大量针状马氏体的柱状晶区显微硬度高于粗大等轴晶区。激光功率对接头组织影响最大，随着激光功率的增加，柱状晶尺寸增大，针状马氏体数量密集且分布杂乱，形成“篮网”状组织，同时EDS分析显示焊缝熔合区A1元素烧损明显增加。
　　最后，构建了间隙拼焊工艺参数理论模型并进行了间隙容错能力研究。通过单板自熔焊和填丝堆焊实验测量出焊时的基材和焊丝大致烧损量，并对拼焊间隙和焊丝填入量关系式进行修正，得到加入实际焊接材料烧损情况后的拼焊间隙、送丝速度和焊接速度的修正关系式，结合前文的焊缝宏观成形条件，建立了间隙拼焊工艺参数理论模型。利用该理论模型计算出的工艺参数进行间隙容错实验，实现了最大0.8mm的间隙良好桥接，焊接接头成形良好，力学性能优良，试样拉伸结果显示焊缝抗拉强度均大于母材。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 整体叶盘叶片修复技术现状

1．3 钛合金激光填丝焊接技术现状

1．3．1 激光填丝焊接技术简介

1．3．2 钛合金激光填丝焊接研究现状

1．4 钛合金激光填丝拼焊的关键技术问题

1．4．1 填丝焊接过程钛合金的氧化保护

1．4．2 焊丝送入工艺参数对成形的影响

1．4．3 激光填丝焊自动化设备的研发

1．5 本文主要研究内容

第二章 实验系统平台与实验研究方法

2．1 激光填丝焊接系统平台构建

2．2 钛合金焊接专用气体保护装置夹具设计

2．3 实验材料的制备

2．4 实验方法与检测设备

2．4．1 焊接工艺试验

2．4．2 显微组织观测实验

2．4．3 微观组织观测和焊缝成分分析实验

2．4．4 显微硬度实验

2．4．5 拉伸强度实验

2．5 本章小结

第三章 钛合金激光填丝焊接头成形工艺研究

3．1 保护气体流量对焊缝氧化程度影响研究

3．2 焊丝送入条件对焊缝成形影响研究

3．2．1 送丝方向对焊缝成形的影响

3．2．2 送丝角度对焊缝成形的影响

3．2．3 丝光间距对焊缝成形的影响

3．3 离焦量对焊缝成形影响研究

3．4 激光功率、焊接速度和送丝速度对焊缝成形影响研究

3．4．1 激光功率、焊接速度和送丝速度的对比实验研究

3．4．2 激光功率、焊接速度和送丝速度对焊缝成形影响的定性分析

3．4．3 激光功率、焊接速度和送丝速度对焊缝成形影响的定量分析

3．5 本章小结

第四章 钛合金激光填丝焊接头微观组织性能研究

4．1 引言

4．2 钛合金激光填丝焊接头微观组织特征分析

4．2．1 焊接接头整体组织形貌

4．2．2 焊缝熔合区典型微观组织特征

4．2．3 接头热影响区典型微观组织特征

4．3 工艺参数对接头组织结构与成分影响研究

4．3．1 线能量对接头热影响区范围的影响

4．3．2 激光功率对接头组织结构的影响

4．3．3 激光功率对接头成分变化的影响

4．4 焊接接头显微硬度分布变化研究

4．5 本章小结

第五章 钛合金激光填丝焊间隙容错能力研究

5．1 引言

5．2 激光填丝间隙拼焊工艺参数理论模型构建

5．2．1 焊丝送入量与拼焊间隙的理论模型建立

5．2．2 填丝间隙拼焊的工艺参数理论模型建立

5．3 钛合金激光填丝焊间隙容错实验研究

5．4 钛合金激光填丝间隙拼焊接头力学性能分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文