TC4鈦合金電子束焊接數(shù)值模擬及接頭組織與性能.pdf

1、TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、以及耐熱、耐腐蝕等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、汽車(chē)船舶、生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但是，由于鈦及鈦合金的化學(xué)活潑性強(qiáng)，在熔化焊接過(guò)程中容易受到各種不利因素的影響，如果工藝參數(shù)控制不當(dāng)，工件焊后會(huì)產(chǎn)生焊縫組織晶粒粗大、接頭應(yīng)力集中等缺陷，導(dǎo)致難以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。真空電子束焊接(EBW)作為高能束焊接方法之一，與普通的焊接方法相比，具有能量高度集中、獲得焊縫深寬比大、熱影

2、響區(qū)小等許多優(yōu)點(diǎn)，因此，較適合于鈦及鈦合金的焊接。在實(shí)際焊接時(shí)，如果能夠利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)再現(xiàn)實(shí)際焊接過(guò)程，就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)確定焊接各種鈦合金結(jié)構(gòu)時(shí)的最佳設(shè)計(jì)及合理工藝參數(shù)?；诖?，本課題主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究：（1 ）基于ANSYS 虛擬平臺(tái)，建立TC4 鈦合金平板的真空電子束焊接模型，計(jì)算并獲得在不同焊接工藝參數(shù)條件下，焊縫熱應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程及殘余應(yīng)力的分布特征，優(yōu)化試驗(yàn)條件下的焊接工藝參數(shù)；（2 ）針對(duì)不同厚度的TC4

3、 鈦合金板材進(jìn)行電子束焊接試驗(yàn)，分析測(cè)試接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，研究接頭微觀組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系和接頭抗拉強(qiáng)度與焊接熱輸入之間的關(guān)系，探討焊接接頭的形成機(jī)理；（3 ）為了更直觀地反映電子束焊接的優(yōu)越性，與TC4 鈦合金的TIG 焊接試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析接頭的組織特征及力學(xué)性能，研究鈦合金在不同焊接工藝下組織與力學(xué)性能的差別及其原因。
　　 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，模擬的焊縫寬度及熔池形貌與實(shí)際焊接試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；高溫區(qū)集

4、中于焊縫區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域在焊后存在復(fù)雜的三維應(yīng)力，部分區(qū)域處于高應(yīng)力的危險(xiǎn)狀態(tài)。
　　 數(shù)值模擬中，高應(yīng)力的接頭焊縫在焊后接頭拉伸試驗(yàn)中均斷裂在焊縫處或熱影響區(qū)，而低應(yīng)力焊縫斷裂位置在母材部位。通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)力峰值降低并向母材區(qū)移動(dòng)。
　　 對(duì)電子束焊接頭的微觀組織分析表明，TC4 鈦合金焊縫組織基本為針狀或籃網(wǎng)狀α′馬氏體，其組織細(xì)小，分布較為均勻，焊縫區(qū)存在彼此無(wú)固定取向關(guān)系的片狀區(qū)域，區(qū)域內(nèi)部的針狀組織具

5、有強(qiáng)烈的一致取向性；熱影響區(qū)組織表現(xiàn)為α相和α′相兩相共存或α相、β相及α′馬氏體三相共存的組織狀態(tài)；電子束焊接時(shí)加入掃描并非一定能改善焊縫的組織和性能，而是與所加掃描方式有關(guān)，圓形掃描會(huì)使焊縫組織粗大，降低其力學(xué)性能，而直線掃描則明顯細(xì)化晶粒，提高接頭的力學(xué)性能。力學(xué)性能測(cè)試表明，焊縫組織的硬度高于熱影響區(qū)及母材；接頭抗拉強(qiáng)度幾乎與母材等強(qiáng)，呈延性斷裂特征。母材斷面的韌窩較深，尺寸較大且分布均勻，韌窩中彌散分布一些均勻的顆粒夾雜；焊縫

6、處及熱影響區(qū)斷面的韌窩大小不一，形態(tài)各異，顆粒夾雜較母材金屬的大，具有這種形態(tài)的組織在發(fā)生斷裂時(shí)吸收的能量較少，表現(xiàn)出較低的裂紋抗力。在試驗(yàn)條件下，1.5mm 厚TC4 鈦合金最佳工藝參數(shù)為電子束流I=11mA，焊接電壓U=60kV，焊接速度V=800mm/min，直線掃描；6mm 厚TC4 鈦合金最佳工藝參數(shù)為電子束流I=40mA，焊接電壓U=60kV，焊接速度V=300mm/min，直線掃描。
　　 通過(guò)工藝對(duì)比發(fā)現(xiàn)，TC4