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TC4钛合金电子束焊接数值模拟及接头组织与性能

作　者: 吴新强
导　师: 王少刚
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TC4钛合金数值模拟电子束焊 TIG焊微观组织力学性能
分类号: TG456.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

TC4(Ti-6Al-4V)钛合金具有较高的比强度和比刚度、以及耐热、耐腐蚀等优异的综合性能,在航空航天、汽车船舶、生物医学等许多领域中应用广泛。但是,由于钛及钛合金的化学活泼性强,在熔化焊接过程中容易受到各种不利因素的影响,如果工艺参数控制不当,工件焊后会产生焊缝组织晶粒粗大、接头应力集中等缺陷,导致难以获得高质量的焊接接头。真空电子束焊接(EBW)作为高能束焊接方法之一,与普通的焊接方法相比,具有能量高度集中、获得焊缝深宽比大、热影响区小等许多优点,因此,较适合于钛及钛合金的焊接。在实际焊接时,如果能够利用计算机数值模拟来再现实际焊接过程,就可以通过计算机系统来确定焊接各种钛合金结构时的最佳设计及合理工艺参数。基于此,本课题主要开展了以下几个方面的研究:(1)基于ANSYS虚拟平台,建立TC4钛合金平板的真空电子束焊接模型,计算并获得在不同焊接工艺参数条件下,焊缝热应力的发展过程及残余应力的分布特征,优化试验条件下的焊接工艺参数;(2)针对不同厚度的TC4钛合金板材进行电子束焊接试验,分析测试接头的微观组织结构与力学性能,研究接头微观组织与力学性能之间的关系和接头抗拉强度与焊接热输入之间的关系,探讨焊接接头的形成机理;(3)为了更直观地反映电子束焊接的优越性,与TC4钛合金的TIG焊接试验进行对比,分析接头的组织特征及力学性能,研究钛合金在不同焊接工艺下组织与力学性能的差别及其原因。数值模拟计算结果表明,模拟的焊缝宽度及熔池形貌与实际焊接试验结果基本吻合;高温区集中于焊缝区域内,该区域在焊后存在复杂的三维应力,部分区域处于高应力的危险状态。数值模拟中,高应力的接头焊缝在焊后接头拉伸试验中均断裂在焊缝处或热影响区,而低应力焊缝断裂位置在母材部位。通过对工艺参数进行优化,应力峰值降低并向母材区移动。对电子束焊接头的微观组织分析表明,TC4钛合金焊缝组织基本为针状或篮网状α′马氏体,其组织细小,分布较为均匀,焊缝区存在彼此无固定取向关系的片状区域,区域内部的针状组织具有强烈的一致取向性;热影响区组织表现为α相和α′相两相共存或α相、β相及α′马氏体三相共存的组织状态;电子束焊接时加入扫描并非一定能改善焊缝的组织和性能,而是与所加扫描方式有关,圆形扫描会使焊缝组织粗大,降低其力学性能,而直线扫描则明显细化晶粒,提高接头的力学性能。力学性能测试表明,焊缝组织的硬度高于热影响区及母材;接头抗拉强度几乎与母材等强,呈延性断裂特征。母材断面的韧窝较深,尺寸较大且分布均匀,韧窝中弥散分布一些均匀的颗粒夹杂;焊缝处及热影响区断面的韧窝大小不一,形态各异,颗粒夹杂较母材金属的大,具有这种形态的组织在发生断裂时吸收的能量较少,表现出较低的裂纹抗力。在试验条件下,1.5mm厚TC4钛合金最佳工艺参数为电子束流I=11mA,焊接电压U=60kV,焊接速度V=800mm/min,直线扫描;6mm厚TC4钛合金最佳工艺参数为电子束流I=40mA,焊接电压U=60kV,焊接速度V=300mm/min,直线扫描。通过工艺对比发现,TC4钛合金TIG焊接头组织中的马氏体晶粒多为针状,整体比电子束焊接组织粗大,分布不均,焊缝区的片状区域偏大,内部的针状α′组织分布具有一定的取向差;焊缝硬度值低于电子束焊接头组织,且热影响区内存在明显的软化区间;接头的抗拉强度明显低于电子束焊接头,拉伸断裂位置基本位于焊缝及热影响区,TC4钛合金TIG焊接头的整体性能明显低于电子束焊接头。为了改善接头的性能,采用TIG焊接TC4钛合金时应尽量采用较小的热输入。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-29
  1.1 本课题的研究背景及意义  14-15
  1.2 钛合金的性能及焊接特点  15-25
    1.2.1 钛合金的性质及应用  15-18
    1.2.2 钛合金的焊接性分析  18-21
    1.2.3 TC4 钛合金的焊接工艺  21-25
  1.3 焊接过程数值模拟研究现状  25-27
    1.3.1 焊接温度场数值模拟研究现状  25-26
    1.3.2 焊接应力场数值模拟研究现状  26-27
  1.4 本课题主要研究内容与方法  27-29
第二章 TC4 钛合金电子束焊接数值模拟  29-58
  2.1 焊接温度场及应力场有限元分析理论基础  29-33
    2.1.1 焊接温度场有限元分析理论基础  29-31
    2.1.2 焊接应力场有限元分析理论基础  31-33
  2.2 有限元分析模型的建立及网格划分  33-36
  2.3 热源模型的选取及钛合金材料属性  36-38
  2.4 过程控制  38-41
    2.4.1 相关简化与假设  38
    2.4.2 子步数与时间步长  38-39
    2.4.3 牛顿—拉普森(Newton-Raphson)平衡迭代  39-40
    2.4.4 耦合场计算  40-41
  2.5 焊接温度场及应力场计算结果与分析  41-54
    2.5.1 焊接温度场的计算结果及讨论  42-47
      2.5.1.1 1.5mm 厚钛合金温度场的计算结果及分析  42-44
      2.5.1.2 6mm 厚钛合金温度场的计算结果及分析  44-47
    2.5.2 焊接应力场的计算结果及讨论  47-54
  2.6 基于模拟结果进行焊接工艺优化  54-57
  2.7 本章小结  57-58
第三章焊接工艺过程及其实验分析  58-65
  3.1 试验材料及焊接试验  58-62
    3.1.1 试验材料  58
    3.1.2 真空电子束焊接(EBW)试验  58-60
    3.1.3 钨极氩弧焊接(TIG)试验  60-62
  3.2 试验结果分析  62-64
    3.2.1 微观组织观察与分析  62-63
    3.2.2 X 射线衍射物相分析  63
    3.2.3 显微硬度试验  63
    3.2.4 拉伸试验  63-64
    3.2.5 SEM 扫描观察及EDX 能谱分析  64
  3.3 本章小结  64-65
第四章 TC4 钛合金焊接接头显微组织结构分析  65-80
  4.1 TC4 钛合金母材显微组织观察  65
  4.2 TC4 钛合金焊接接头的显微组织观察  65-73
    4.2.1 接头焊缝区的显微组织观察与分析  65-71
      4.2.1.1 1.5mm 厚钛合金电子束焊焊缝组织  65-67
      4.2.1.2 6mm 厚钛合金电子束焊焊缝组织  67-69
      4.2.1.3 6mm 厚钛合金TIG 焊焊缝组织  69-71
    4.2.2 接头片状区域组织观察与分析  71
    4.2.3 接头TEM 亚结构观察与分析  71-73
  4.3 焊接接头组织演变过程的分析和讨论  73-75
    4.3.1 焊缝金属的组织演变  73-75
    4.3.2 热影响区的组织演变  75
    4.3.3 合金元素烧损对焊缝组织演变的影响  75
  4.4 电子束扫描方式对接头组织的影响  75-76
  4.5 焊接热输入对接头组织的影响  76-78
  4.6 本章小结  78-80
第五章 TC4 钛合金焊接接头力学性能及断口分析  80-95
  5.1 接头显微硬度测试及分析  80-82
  5.2 接头拉伸性能测试及分析  82-92
    5.2.1 拉伸强度与断口分析  82-90
    5.2.2 接头强度与热输入之间数学模型的建立  90-92
  5.3 有关影响接头力学性能的因素探讨  92-94
    5.3.1 焊缝组织形态对显微硬度和拉伸强度的影响  92-93
    5.3.2 颗粒夹杂对接头拉伸强度的影响  93-94
    5.3.3 焊接热输入的选择  94
  5.4 本章小结  94-95
第六章结论  95-97
参考文献  97-103
致谢  103-104
攻读硕士学位期间发表(录用)论文情况  104

TC4钛合金电子束焊接数值模拟及接头组织与性能

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