钛合金与不锈钢的激光焊接研究

摘要

本课题对TA2与304不锈钢进行了激光焊接试验，分析了不添加及添加中间过渡金属的条件下，TA2与304不锈钢的焊接性，研究了中间过渡金属的不同组合、不同宽度对接头组织和性能的影响。通过光学显微镜、扫描电镜、XRD对接头的组织、物相和断口形貌进行分析，通过抗拉强度和显微硬度测试对接头的力学性能作出评价，采用ANSYS软件对TA2/304不锈钢直接激光对焊与加5mmCu/V中间过渡金属的激光对焊的温度场和应力场进行数值模拟，并通过实测残余应力对模拟结果进行验证。研究表明：
　　TA2/304SS直接对接焊后就发生开裂，并断裂在钢侧，焊缝内生成大量的脆性Ti-Fe系列化合物。基于影响焊接质量的关键问题，提出了在界面处，使固溶体代替金属化合物的想法。
　　本课题首先采用单独的V作为过渡金属来连接钛与钢，当分别采用2mm、3mm、4mm、5mm宽的V过渡段时，可以有效的阻止Ti与Fe的结合，接头是由TA2/V接头，未熔 V和 V/304接头三个部分组成，每个界面只有固溶体。最高的接头强度为5mm过渡段的，有314.2MPa。加入1mmV过渡层时，焊后试样就断裂，中间已生成脆性化合物。当分别加入2mm-5mm宽的Cu/V过渡段时，接头由TA2/V接头、未熔V区、V/Cu接头、未熔Cu区、Cu/304接头五个部分组成，接头强度最高的是5mm过渡段的，为297.3MPa。采用1mmCu/V过渡层时，在两条焊缝中间出现未熔钒层，断裂起源于此，接头强度为135.8MPa。在1mmCu/V基础上，减少钒层的宽度为0.5mm，两条焊缝交界处未熔钒层厚度减少，拉伸强度为243.3MPa。试验在减少 V层厚度基础上，第二道激光束往铜侧偏移0.1mm，接头强度为251.5MPa。
　　TA2与304SS焊接温度场与应力场模拟结果表明，激光焊过程中温度上升、下降非常快，焊缝凝固过程为极端非平衡过程。直接对接焊应力结果表明最大的拉应力存在于钢侧界面化合物区。加入 Cu/V过渡段后的最终残余应力分布的比直接激光焊更加均匀，铜由于塑性好，缓解了应力的累积。虽然接头残余应力比直接焊的高，但接头每个界面都是由固溶体组成，这说明了接头性能的提高关键在于接头组织的优化和塑性的提高。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 钛与钢的焊接性分析

1.3钛与不锈钢焊接国内外研究现状

1.4 课题的研究意义及研究内容

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 TA2与304SS中间层设计及激光焊接

3.1 无中间层的TA2与304SS激光焊接

3.2 中间层的选择和接头组织的调控

3.3 Ti/V、V/Fe接头力学性能分析

3.4 TA2/304SS激光焊接接头关键问题

3.5 钛/钢接头优化路径

3.6 本章小结

第4章 V及Cu/V复合中间层对TA2与304SS接头性能影响

4.1 不同V过渡段宽度对TA2/304SS焊接的影响

4.2 采用V/Cu复合过渡段的TA2/304SS激光焊接

4.3 消除未熔钒层的焊接工艺措施

4.4 薄Cu/V中间层焊接接头形成过程研究

4.5 中间层组元调控机理

4.6 本章小节

第5章 TA2与304SS激光焊接数值模拟结果与分析

5.1 引言

5.2 有限元模型的建立与求解

5.3 温度场模拟分析

5.4 应力场模拟分析

5.5 残余应力的验证

5.6 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢