鈹激光焊接性研究及焊接過(guò)程微觀(guān)組織模擬.pdf

1、鈹具有低密度、高熔點(diǎn)、高比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，成為功能結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，廣泛地運(yùn)用在航空、航天和核工業(yè)中。但鈹焊接過(guò)程中易形成焊縫區(qū)和熱影響區(qū)裂紋、氣孔等缺陷，成為阻礙鈹應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
　　本文采用激光焊接方法，在對(duì)采用不同填充金屬(AlSi合金、Al、非晶態(tài)材質(zhì)、Zr+AlSi+Zr)的鈹-鈹激光熔焊接頭組織結(jié)構(gòu)觀(guān)察分析及接頭性能測(cè)試基礎(chǔ)上，獲得鈹焊接接頭組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能間的關(guān)系，研究不同填充金屬與鈹激光熔焊時(shí)的組織形成規(guī)

2、律，對(duì)其接頭組織結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行對(duì)比分析。從理論上探討上述四種材質(zhì)作為鈹激光焊接填充材料的可行性，以指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化。采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)確定和概率模型，建立宏微觀(guān)藕合模型，對(duì)焊接熔池凝固和熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大過(guò)程的微觀(guān)組織進(jìn)行數(shù)值模擬研究，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)再現(xiàn)激光焊接接頭微觀(guān)組織演化規(guī)律。
　　AlSi合金、Al、ZrTiNiCuBe非晶、Zr+AlSi+Zr疊層為填充材料的鈹焊接接頭微觀(guān)組織形成機(jī)理認(rèn)為:AlSi合金、Al為填充

3、材料焊接的焊接接頭熔合區(qū)和焊縫區(qū)由鈹與填充金屬形成了類(lèi)似復(fù)合材料的雙相組織。當(dāng)焊縫中鈹含量小于70％，隨鈹含量增加，鈹分布形態(tài)為分散晶粒結(jié)構(gòu)或聚集晶粒結(jié)構(gòu)，能夠很好地改善鈹?shù)暮附有浴＋@得了高焊深的Be/AlSi/Be和Be/Al/Be激光焊接接頭(Be/AlSi/Be:焊深0.6mm，焊接工藝為預(yù)熱溫度393K、線(xiàn)能量114J/mm。Be/Al/Be:焊深0.4mm，焊接工藝為預(yù)熱溫度393K、線(xiàn)能量120J/mm);ZrTiNiCuB

4、e非晶為填充材料焊接鈹時(shí)，工藝焊接性一般，Be/ZrTiNiCuBe/Be焊接接頭焊縫中心為非晶狀態(tài)，熔合區(qū)形成了一層結(jié)構(gòu)稀疏、成分均勻的金屬間化合物層，通過(guò)調(diào)整焊接工藝，縮小熔合區(qū)面積可以提高焊接接頭工藝焊接性; Zr+AlSi+Zr疊層為填充金屬的Be激光焊接接頭焊縫熔合區(qū)附近形成的Be5Zr和Al2Zr等金屬間化合物層在焊接熱應(yīng)力作用下極易生成焊接裂紋，焊接性較差。
　　研究了鈹激光焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，建立了鈹晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力

5、學(xué)方程:D=D。+7.7×10-1t06215 exp(-40985/RT)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量熱循環(huán)曲線(xiàn)和鈹晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程推測(cè)出焊接熱影響區(qū)鈹晶粒長(zhǎng)大約1μm，熱影響區(qū)鈹晶粒長(zhǎng)大區(qū)域?qū)挾燃s0.5mm，與金相觀(guān)察無(wú)明顯差別。
　　AlSi合金和Al為填充金屬的鈹焊接接頭剪切強(qiáng)度試驗(yàn)和剪切斷口觀(guān)察顯示，焊接工藝不同會(huì)引起焊接接頭微觀(guān)組織變化，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能，斷裂形式和斷口形貌發(fā)生改變。AlSi合金和Al為填充金屬的鈹激光焊接接頭

6、剪切強(qiáng)度分別為88.5MPa～283MPa和109.6MPa～240.4MPa，介于填充金屬和鈹?shù)募羟袕?qiáng)度之間，隨著焊縫組織中鈹含量增加，接頭剪切強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)焊縫中鈹含量小于40％時(shí)焊接接頭為塑性斷裂;鈹含量位于40％-70％時(shí)，焊接接頭斷裂形式從塑性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，斷口形貌由韌窩斷口向解理斷裂為主伴有局部塑性斷裂的混合斷口過(guò)渡。針對(duì)焊接接頭在不同使用條件下對(duì)接頭強(qiáng)度和斷裂形式的要求，焊縫中鈹含量是重點(diǎn)控制因素。
　　Z

7、rTiNiCuBe非晶為填充金屬的鈹激光焊接接頭平均剪切強(qiáng)度為230MPa、熔合區(qū)顯微硬度低于ZrTiNiCuBe非晶和鈹?shù)娘@微硬度，接頭斷裂位置位于焊縫熔合區(qū)，呈現(xiàn)脆性斷裂，具有冰糖狀斷口形貌。熔合區(qū)生成的脆性相Be2Zr、α-BeO、BeCu、NiZr、Be13Zr等，降低了焊接接頭剪切強(qiáng)度，是焊接接頭薄弱部位，并且熔合區(qū)域隨著焊接預(yù)熱溫度和焊接輸入線(xiàn)能量增加會(huì)加大，因此在保證焊接接頭實(shí)現(xiàn)有效連接情況下，應(yīng)盡量降低焊接熱輸入。

8、>　　結(jié)合宏觀(guān)熱流計(jì)算和微觀(guān)組織模擬，確定模型和概率模型，提出CellularAutomaton(CA)技術(shù)為基礎(chǔ)并輔以Monte Carlo(MC)法修正生長(zhǎng)的CAMC宏微觀(guān)藕合模擬技術(shù)。CAMC技術(shù)以CA模擬技術(shù)搭起晶粒生長(zhǎng)骨架，MC法則在內(nèi)部進(jìn)行輔助生長(zhǎng)，體現(xiàn)枝晶分枝機(jī)制。該模擬技術(shù)能夠定量地描述晶粒數(shù)目、尺寸和形貌演變過(guò)程，從而能夠很好地模擬金屬凝固組織形成過(guò)程。
　　基于晶粒正常長(zhǎng)大過(guò)程中的能量和曲率因素，建立了晶粒正常