TC4钛合金激光焊接接头溶质元素分布及不均匀性的研究

发布时间：2017-10-14 23:38

  本文关键词：TC4钛合金激光焊接接头溶质元素分布及不均匀性的研究

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【摘要】：钛合金具有比刚度高、比强度高,耐腐蚀性好、耐热性高、良好的塑韧性以及较好的加工性等优点,已成为应用于生物医学、航空航天、石油化工和交通运输等领域的重要材料,在尖端科学和高新技术方面占有重要地位。激光焊接作为一种发展逐渐成熟的高能束焊接方式,其能量密度高、加热集中、焊接速度快、焊缝成形好、焊件变形小、易实现自动化生产,因此必将成为钛合金焊接的主流方式。本文试验研究了TC4钛合金光纤激光焊接工艺参数对焊接接头成形的影响,同时对焊接接头的溶质元素分布以及组织与力学性能的不均匀性进行了研究。采用扫描电子显微镜(SEM)、EDS、维氏硬度和万能拉伸试验机等技术研究了预置合金粉末TC4钛板激光焊接接头成分分布、组织结构和力学性能。同时探究了溶质元素分布形成机理及其对钛合金激光焊接接头力学性能的影响。现基于以上试验与分析结果得出如下结论:(1)针对3.0mm厚的TC4钛合金板材,进行光纤激光堆焊试验。实验结果显示,随着激光功率的增大,钛合金激光焊缝的熔深、熔宽和余高均逐渐增大,而激光功率对熔深的影响程度更大;随着焊接速度的减小,熔深、熔宽和余高均逐渐增加,且咬边程度也逐渐增大,而焊接速度对熔宽的影响更大。(2)钛合金激光焊缝气孔主要分为工艺特征气孔与冶金特征气孔两大类。(3)通过在TC4钛合金板上预制不同配比的Al、Si混合粉末进行激光焊接,得到不同种类的焊缝,分析认为,激光熔透焊焊缝溶质元素的分布,主要取决于熔池流动与自身的扩散作用。(4)元素硅的加入可显著改善熔池的流动性,使得熔池运动更为剧烈,从而使焊缝各区域溶质元素的分布更为均匀。(5)试验选取以针状马氏体为代表,通过测量计算其晶粒尺寸的变化来反映焊接接头组织的不均匀性。三组(组Ⅰ:未添加合金粉末的TC4钛合金、组Ⅱ:添加Al粉TC4钛合金、组Ⅲ添加90%Al粉和10%Si粉的TC4钛合金)焊接接头的晶粒尺寸在熔宽与中心线方向均显示出了一定程度上的变化。(6)试验选取三组焊接接头上部、中部、底部沿熔宽方向打点测试显微硬度,并且也测试了焊缝中心线方向上的硬度,从而发现了焊接接头力学性能上的不均匀性。组Ⅰ焊接接头各层硬度差别不大,且各层硬度均呈“马鞍状”分布,最高值出现在熔合线附近,焊缝中心线方向硬度变化也较为平缓,硬度最低值出现在焊缝中部;组Ⅱ焊缝各层硬度差别较大,且各层硬度均呈“凸台状”分布,硬度最高值出现在焊缝中心区域,焊缝中心线方向硬度变化较大,中上部硬度较高,硬度最低值出现在焊缝中下部;组Ⅲ焊缝各层硬度差别略大,但变化较组Ⅱ焊缝更为平缓。焊缝上部熔宽方向硬度呈“凸台状”分布,硬度最高值在焊缝中心,中部和底部熔宽方向则呈“马鞍状分布”,硬度最高值在熔合线附近。组Ⅲ焊缝中心线方向硬度自上往下依次降低。(7)力学性能对比试验显示,添加合金粉末中铝元素含量越高,焊接接头硬度的提高越明显,但焊接接头更脆,抗拉强度更低。添加了硅粉的焊接接头,由于改善了熔池流动性,晶粒细化程度更高,综合力学性能更好。三组焊接接头断口均为脆性断裂。
【关键词】：钛合金 光纤激光焊接 溶质元素分布 熔池流动行为 焊接接头不均匀性
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG456.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 1 绪论10-23
• 1.1 课题意义10
• 1.2 钛合金概述10-17
• 1.3 钛合金激光焊研究现状17-21
• 1.4 课题研究内容及目的21-23
• 2 材料及试验方法23-29
• 2.1 实验材料23
• 2.2 主要实验设备23-25
• 2.3 研究方法25-27
• 2.4 金相试样制备27
• 2.5 微观组织级成分分析27-28
• 2.6 焊接接头力学性能分析28
• 2.7 本章小结28-29
• 3 TC4钛合金激光焊接工艺研究29-38
• 3.1 激光焊接工艺对焊缝成形的影响29-32
• 3.2 焊缝宏观形貌和微观组织分析32-34
• 3.3 钛合金激光焊接气孔形成机理34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 TC4钛合金激光焊接焊缝溶质元素分布的研究38-51
• 4.1 试验方法38-39
• 4.2 焊缝形貌分析39-40
• 4.3 钛合金激光熔透焊溶质的分布特征40-48
• 4.4 钛合金激光熔透焊溶质的分布特征机理分析48-50
• 4.5 本章小结50-51
• 5 TC4钛合金激光焊接接头不均匀性的研究51-66
• 5.1 试验方法51-52
• 5.2 晶粒尺寸的不均匀性分析52-56
• 5.3 显微硬度的不均匀性分析56-60
• 5.4 焊缝力学性能对比60-64
• 5.5 本章小结64-66
• 6 结论66-68
• 参考文献68-71
• 致谢71-72
• 硕士期间发表学术论文72

【参考文献】

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本文编号：1033844