氫對TC4鈦合金電子束焊接頭疲勞斷裂特性的影響

對大厚度鈦合金電子束焊接接頭的顯微組織、相組成和冷隔缺陷進(jìn)行研究。結(jié)果表明，焊縫區(qū)組織為馬氏體α′相；熱影響區(qū)由細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)兩部分組成，細(xì)晶區(qū)組織為初生α相＋β相＋等軸α相，粗晶區(qū)組織為少量的初生α相＋針狀α′相；母材區(qū)組織基本上都是長條狀和塊狀的初生α相，其間分布著少量殘余β相。對冷隔的形成原因進(jìn)行了分析，并提出了預(yù)防措施。

采用雙面潛弧焊焊接了45mm厚的tc4鈦合金,得到了內(nèi)部無缺陷的對接接頭,采用光學(xué)顯微鏡分析了接頭的顯微組織。結(jié)果表明:焊縫為β柱狀晶,柱狀晶內(nèi)為α′馬氏體組成的網(wǎng)籃組織,先焊焊縫受后一道焊縫影響,α′馬氏體呈條狀,后焊焊縫高溫停留時(shí)間較短,冷卻后α′馬氏體為針狀;熱影響區(qū)分為部分重結(jié)晶區(qū)、過渡區(qū)、細(xì)晶區(qū)與粗晶區(qū),且皆為等軸晶,但尺寸及形態(tài)不同;部分重結(jié)晶區(qū)為等軸α、β組織;過渡區(qū)為等軸α、針狀α′馬氏體和殘留β晶粒組織;細(xì)晶區(qū)則為針狀α′馬氏體和殘留β晶粒;粗晶區(qū)組織為網(wǎng)籃狀α′馬氏體和殘留β晶粒。

進(jìn)行了母材氫含量為0.008%和0.023%的tc4鈦合金氬弧焊焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在變形開始階段氫引起的軟化和后期階段的硬化和脆化現(xiàn)象.室溫下,變形速度在10-2-10-3s-1范圍內(nèi)面縮很低,出現(xiàn)脆性.分析認(rèn)為,軟化是由于氫減弱晶格結(jié)合強(qiáng)度、加快位錯(cuò)運(yùn)動所致,硬化和脆化則是由于氫在晶界附近富集和位錯(cuò)堆積難以運(yùn)動所致.為恢復(fù)因氫降低的力學(xué)性能,應(yīng)進(jìn)行真空去氫處理.

利用電子束焊接方法,焊接厚6mm的ta12鈦合金板材。通過拉伸實(shí)驗(yàn)、持久實(shí)驗(yàn)和疲勞實(shí)驗(yàn)對焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行研究,同時(shí)對疲勞斷口進(jìn)行分析。結(jié)果表明:在室溫和550℃時(shí),焊接接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng);在室溫時(shí),焊接接頭的塑性與母材存在明顯差異,焊接接頭的延伸率與母材相比有所下降;而在550℃時(shí),焊接接頭塑性與母材相當(dāng)或略大。疲勞斷裂位置位于靠近熔合線附近的焊縫區(qū)域,裂紋源處于試樣亞表面處;焊縫中存在氣孔缺陷,但沒有觀察到由氣孔形成的裂紋源;在疲勞實(shí)驗(yàn)過程中氣孔起加速裂紋擴(kuò)展的作用,氣孔越靠近表面對疲勞性能的影響越大。

鋁合金因其良好的性能在航空航天、交通工具、機(jī)械制造等領(lǐng)獲得了廣泛應(yīng)用,其焊接性限制了鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。電子束焊因其熔透性高、接頭性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)成為鋁合金焊接的重要方法之一。簡述了電子束焊接的基本原理和特點(diǎn),綜述了鋁合金電子束焊在工藝、接頭組織性能、接頭缺陷預(yù)測和有限元數(shù)值模擬技術(shù)等方面的研究工作,展望了鋁合金電子束焊接的發(fā)展方向,對于今后系統(tǒng)開展鋁合金電子束焊接具有一定的參考。

通過對tc4板材進(jìn)行兩種t型接頭的激光焊接試驗(yàn),分析了酸洗、焊接環(huán)境及焊后修復(fù)對鈦合金激光焊接接頭質(zhì)量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鈦合金激光焊具有較強(qiáng)的氣孔傾向,酸洗及焊后重熔并未明顯改善接頭氣孔的情況,但氣孔數(shù)量對濕度的變化較為敏感。不同焊接試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明,雖然接頭存在大量氣孔,但只有位于上下兩側(cè)板材的貼合面處的這一小部分氣孔才會造成受力面積的減小,因此接頭整體仍具有較高的抗剪力。

選用yg30硬質(zhì)合金與45鋼進(jìn)行電子束對接焊復(fù)合試驗(yàn),用掃描電鏡、波長分散x射線譜儀對焊接接頭顯微組織進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:當(dāng)電子束電流小、焊接速度慢時(shí),焊接接頭易形成有害的η相,η相分布于yg30/焊縫界面區(qū)域,并聚集長大,η相層厚度約10μm;焊接過程中硬質(zhì)合金脫碳和鐵向硬質(zhì)合金遷移是η相形成的主要原因。

DINENISO5817鋼、鎳、鈦及其合金熔焊接頭(不包括電子束焊接)缺陷的質(zhì)量等級

2003年12月 鋼、鎳、鈦及其合金熔焊接頭 （不包括電子束焊接）缺陷的 質(zhì)量等級（iso5817:2003） dineniso5817的英文版本 din eniso5817 ics25.160.40取代了dinen25817，1992年9月版本 歐洲標(biāo)準(zhǔn)eniso5817具有din標(biāo)準(zhǔn)的地位。 在文中使用逗號代表十進(jìn)制標(biāo)記。 國家前言 本標(biāo)準(zhǔn)的出版印刷基于cen/tc121的一個(gè)決定，即接受iso5817國際標(biāo)準(zhǔn)作為一個(gè)歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，并且 不加修改。 此次出版印刷，在德國的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)是焊接標(biāo)準(zhǔn)委員會。 本標(biāo)準(zhǔn)的目的，是用來提供一種方法，為在多種應(yīng)用中對焊接頭進(jìn)行評估（例如鋼結(jié)構(gòu)工程、壓力容器、 水下焊接等）和測試（例如焊接工審核或者焊接工藝審核測試）提供規(guī)范。 本標(biāo)準(zhǔn)為熔焊接頭和裝配質(zhì)量的評估提供了一個(gè)基礎(chǔ)。它假定實(shí)

采用ansys有限元分析軟件,建立12mm厚tc4鈦合金平板電子束焊接溫度場和應(yīng)力場的三維有限元數(shù)值計(jì)算模型。模型采用圓錐體熱源考慮電子束焊接時(shí)的小孔效應(yīng);材料的熱學(xué)、力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化;相變和熔池內(nèi)液體的對流散熱通過比熱和熱導(dǎo)率的變化實(shí)現(xiàn)。計(jì)算結(jié)果表明:鈦合金電子束焊接時(shí),熔池呈典型的卵形分布。高值縱向殘余拉應(yīng)力集中分布在焊縫中心線兩側(cè)距焊縫中心線4mm的區(qū)域內(nèi),平板內(nèi)部出現(xiàn)接近材料屈服極限的局部三維殘余拉應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)得到的焊縫宏觀形貌和小孔釋放法檢測到的焊接殘余應(yīng)力對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果吻合較好,證明了有限元模型的正確性。

通過對ti-6al-4v合金板材預(yù)制一定深度的疲勞裂紋,研究母材與焊縫區(qū)疲勞裂紋尖端的tem顯微形態(tài)。結(jié)果表明:經(jīng)歷疲勞循環(huán)后,位錯(cuò)密度大大增加,α/β相界面位錯(cuò)密度高,易成為位錯(cuò)形核的源區(qū);在周期性疲勞載荷的作用下,位錯(cuò)以源區(qū)為原點(diǎn)呈放射狀向四周發(fā)散運(yùn)動;在焊縫區(qū)馬氏體板條之間的細(xì)碎相之間,位錯(cuò)聚集嚴(yán)重,說明細(xì)碎相也易成為位錯(cuò)萌生的源區(qū),從而成為疲勞裂紋形核的源區(qū);在焊縫區(qū)馬氏體板條寬度越窄,位錯(cuò)聚集密度越高,易成為疲勞裂紋萌生的位置。此外,tem觀察證實(shí)了裂紋尖端存在一定尺寸的塑性變形區(qū)。通過焊接接頭分區(qū)的tem對比分析,獲得焊縫區(qū)比母材區(qū)更易萌生疲勞裂紋的相關(guān)證據(jù)。

顯微組織對醫(yī)用TC4鈦合金U型釘縮口的影響

首先對50mm厚ta15鈦合金平板分別采用堆焊和對焊兩種方法進(jìn)行電子束焊接,然后采用盲孔法測量了熱處理和未熱處理情況下焊接試件殘余應(yīng)力的分布情況.測量發(fā)現(xiàn),對接焊和堆焊試件上表面縱向應(yīng)力在焊縫和熱影響區(qū)呈現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,且對接焊試件的縱向應(yīng)力大于堆焊試件;上表面橫向殘余應(yīng)力幅值較低,且整體呈現(xiàn)壓應(yīng)力分布.下表面的橫縱應(yīng)力整體上為壓應(yīng)力,且橫縱應(yīng)力的分布和大小非常接近.結(jié)果表明,熱處理工藝造成各試板的橫縱應(yīng)力趨于一致,整個(gè)試板上的應(yīng)力趨于均勻化,且堆焊試件的均勻化程度更明顯.

采用金相顯微鏡觀察了鈦合金激光對接接頭超塑性變形前后各區(qū)域顯微組織,并分析其形成機(jī)理.結(jié)果表明,變形溫度的增加或應(yīng)變速率的降低有利于tc4合金接頭超塑變形,母材晶粒發(fā)生一定程度的長大,且α相的數(shù)量相對減小,而晶間β相數(shù)量逐漸增加,兩相都有等軸化趨勢;焊縫超塑性變形時(shí),針狀組織增厚成為片層狀.變形過程中片層組織被打斷,片層長度變短,具有球化的趨勢;超塑性變形后焊縫截面顯微硬度最大為380hv,與變形前焊縫相比降低約50hv,滿足實(shí)際承載需求.

對inconel718高溫合金12mm厚板的真空電子束焊(ebw)接頭整體及分層的顯微組織和高溫力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:經(jīng)熔透焊+修飾焊的接頭,焊縫中心的上、下層為樹枝晶,中層為柱狀晶;熱影響區(qū)由上層至下層晶粒長大程度逐漸減小。經(jīng)固溶+雙時(shí)效熱處理后,ebw接頭各區(qū)域晶界處均有δ相析出,在焊縫中心最多,在熱影響區(qū)及母材較少,晶粒內(nèi)部均析出了γ″相。在650℃時(shí),接頭整體的抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σs和伸長率δ分別為1100mpa、800mpa和18%,達(dá)到了母材的90%、80%和80%。分層切片的力學(xué)性能下層最高,σb、σs和δ分別達(dá)到了1170mpa、870mpa和18%;上層最低,分別為1080mpa、780mpa和7%。上層斷口以脆性斷裂為主,中、下層斷口以韌性斷裂為主。顯微硬度分布為焊接中心最低,熱影響區(qū)與母材較高。晶界δ相的析出數(shù)量越多,顯微硬度值越低。

采用銅側(cè)偏束工藝實(shí)現(xiàn)了ta15鈦合金與qcr0.8鉻青銅的電子束自熔釬焊,采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和x射線衍射分析儀對焊縫組織進(jìn)行了分析,通過接頭抗拉強(qiáng)度對接頭力學(xué)性能進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明,電子束偏向銅合金1mm時(shí),鈦合金母材只有上部少量熔化,實(shí)現(xiàn)與銅合金的連接,而接頭中部和下部的連接則通過液態(tài)金屬對鈦合金母材的釬接而實(shí)現(xiàn)連接。釬縫界面由較薄的ti-cu化合物層組成,主要包括ticu、ti2cu3、ticu2和ticu4。而在銅側(cè)焊縫內(nèi),細(xì)小的ti-cu化合物彌散分布于銅基固溶體上,使焊縫得到強(qiáng)化。接頭強(qiáng)度達(dá)到300mpa,拉伸時(shí)斷裂發(fā)生在銅合金上,呈韌窩狀塑性斷裂模式。

截面平行的焊縫是保證中大厚度焊接結(jié)構(gòu)熔合區(qū)組織均勻性及力學(xué)性能連續(xù)性的重要條件,在工程中有著重要應(yīng)用。本文在對焊縫形貌進(jìn)行觀察及分析的基礎(chǔ)上,研究獲得平行焊縫的工藝方法。結(jié)果表明,對焊接速度、電子束流及聚焦電流等焊接參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)節(jié),可以有效改變焊縫形貌,使焊縫逐步趨于平行。增加偏擺掃描并控制掃描的頻率和幅度,可以獲得一系列具有不同熔寬的平行焊縫。

采用50ti-20zr-20ni-10cu粉末釬料對ti3al-nb合金與tc4合金進(jìn)行真空釬焊,通過sem、eds、電子探針及拉伸試驗(yàn)研究不同釬焊溫度下釬焊接頭的顯微組織及性能特征。結(jié)果表明,釬焊溫度升高釬焊接頭強(qiáng)度并不提高;不同溫度下釬焊接頭中靠近tc4合金基體邊界處均生成魏氏體組織,隨溫度升高魏氏體組織粗化程度加劇;整個(gè)釬焊接頭中ti3al-nb合金基體與釬料的反應(yīng)程度弱于tc4合金基體。

在釬焊時(shí)間3~30min,釬焊溫度860~1000℃的條件下,采用agcuti釬料對c/c復(fù)合材料和tc4合金進(jìn)行了釬焊試驗(yàn)。利用掃描電鏡及eds能譜分析的方法對接頭的界面組織及斷口形貌進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,接頭界面結(jié)構(gòu)為c/c復(fù)合材料/tic+c/ticu+tic/ag(s.s)+ti3cu4+ticu/ti3cu4/ticu/ti2cu/ti2cu+ti(s.s)/tc4。由壓剪試驗(yàn)測得的接頭抗剪強(qiáng)度結(jié)果可知,在釬焊溫度910℃,保溫時(shí)間10min的條件下,接頭獲得的最高抗剪強(qiáng)度為25mpa。接頭的斷口分析結(jié)果表明,接頭斷裂的位置與被連接界面的碳纖維方向有關(guān),當(dāng)碳纖維軸平行于連接面時(shí),斷裂發(fā)生在復(fù)合材料中;當(dāng)碳纖維軸垂直于連接面時(shí),斷裂主要發(fā)生在復(fù)合材料與釬料的界面處。

采用50ti-20zr-20ni-10cu粉末釬料對ti3al-nb(ti-13al-24nb)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金與tc4合金(ti-6al-4v)進(jìn)行真空釬焊,通過sem、eds電子探針及拉伸試驗(yàn),研究不同釬縫間隙的釬焊接頭的顯微組織及性能特征。結(jié)果表明,釬縫間隙對釬焊接頭的組織及性能有較大影響,當(dāng)釬縫間隙增大時(shí),釬焊接頭的組織變得復(fù)雜,在接頭中既形成了共晶組織又形成了化合物帶,這種組織特征會顯著降低接頭的強(qiáng)度。

對ta15鈦合金和304不銹鋼的電子束焊接進(jìn)行了研究,對接頭顯微組織、相組成和顯微硬度進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,ta15與304不銹鋼電子束焊接性較差,在較小的熱應(yīng)力下即在焊縫內(nèi)產(chǎn)生大量裂紋.焊縫內(nèi)生成連續(xù)分布的化合相,主要包括tife2,tife,cr2ti等,脆性化合物的產(chǎn)生是裂紋形成的根本原因.焊縫區(qū)內(nèi)顯微硬度明顯高于母材,且tife2的硬度高于tife相,貫穿裂紋在tife2相富集的區(qū)域產(chǎn)生.二者的直接電子束焊接難以實(shí)現(xiàn),需要添加中間層以改善焊縫的冶金條件,改變化合物的種類和分布,從而實(shí)現(xiàn)可靠連接.

1 國內(nèi)外電子束焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀 摘要綜述了電子束焊接技術(shù)的國內(nèi)外研究發(fā)展動態(tài)。簡述了電子束焊接基本 原理及國內(nèi)外研究者已取得的部分研究成果,并展望了異種材料電子束焊接技術(shù) 的研究方向。 關(guān)鍵詞電子束焊接 0引言 隨著全球工業(yè)化步伐的加快及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn),焊接這門古老而現(xiàn) 代的技術(shù)也在不斷地完善和發(fā)展,可以說焊接已在現(xiàn)代的生產(chǎn)生活中占有極為重 要的地位。近代焊接技術(shù),自1882年出現(xiàn)碳弧焊開始,迄今已經(jīng)歷了100多年的 發(fā)展歷程,為了適應(yīng)工業(yè)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步的需要,先后產(chǎn)生了埋弧焊、電阻焊、電 渣焊及各種氣體保護(hù)焊等一系列新的焊接方法。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后,隨著焊 接新能源的開發(fā)和焊接新工藝的研究,等離子弧切割與焊接、真空電子束焊接及 激光焊接等高能束技術(shù)也陸續(xù)應(yīng)用到各工業(yè)部門,使焊接技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新的水 平。特別是近年來,航空、