本文關(guān)鍵詞： 大厚度鈦合金 電子束焊接 焊縫形狀 組織 力學(xué)性能因子　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著我國大型專用裝備的國產(chǎn)化戰(zhàn)略的實(shí)施,電子束焊接已成為航空、航天、航海、兵器等領(lǐng)域大型鈦合金構(gòu)件輕量化、整體化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一,特別是航空大厚度鈦合金結(jié)構(gòu)。隨著航空零件結(jié)構(gòu)、性能的飛速發(fā)展,大厚度鈦合金電子束焊接面臨著如下難點(diǎn)：焊接厚度不斷擴(kuò)展、尺寸越趨大型化、結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜化,質(zhì)量、性能要求也越來越高。然而,對(duì)于大厚度鈦合金電子束焊接焊縫形貌、組織性能及力學(xué)性能國內(nèi)外尚缺乏系統(tǒng)深入研究,對(duì)其工藝、焊縫形狀特征、焊縫微觀組織與接頭力學(xué)行為之間的相關(guān)性機(jī)理缺乏認(rèn)識(shí),從而影響了大厚度鈦合金航空結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此,本文針對(duì)50mm厚TC4-DT鈦合金,深入開展了電子束焊接工藝、焊縫形狀、焊縫組織及力學(xué)性能相關(guān)性研究,分析了大厚度鈦合金焊接接頭力學(xué)行為,探索了力學(xué)性能調(diào)控方法。首先,采用連續(xù)變聚焦焊接試驗(yàn)方法,優(yōu)化了電子束焊接聚焦電流、速度等參數(shù)。設(shè)計(jì)了連續(xù)變換高度位置的測(cè)試方法,獲得了大厚度鈦合金焊接束流品質(zhì)特征�；诤附訜嵫h(huán)測(cè)試和理論分析,建立了數(shù)值計(jì)算方程和模型,實(shí)現(xiàn)了電子束焊接熱過程模擬,揭示了大厚度鈦合金電子束深熔“匙孔”焊接機(jī)理。針對(duì)深熔焊接焊縫根部缺陷問題,設(shè)計(jì)了分解探傷檢測(cè)方法,分析了焊縫根部工藝氣孔缺陷特征；采用帶放氣槽的墊條結(jié)構(gòu),提出了引／收束流控制方法,解決了工藝氣孔問題。其次,采取偏擺掃描焊接工藝方法,優(yōu)化了掃描參數(shù),改善了焊縫成形。通過電子束焊接焊縫形貌分析,提出了典型的T形和I形焊縫形狀特征,研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫形狀尺寸的影響規(guī)律,建立了焊縫形狀分類準(zhǔn)則,優(yōu)化了T形和I形焊縫焊接工藝�；谑魈匦约昂缚p形狀分析,提出了焊接形狀特征參量焊縫深寬比H/B及相關(guān)的工藝參量n1、n2,分析建立了n1、n2與H/B的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型。第三,深入研究了T形和I形焊縫晶粒尺寸、組織形態(tài)。與T形焊縫相比,沿熔深方向I形焊縫柱狀晶尺寸更均勻。隨著焊接熔深位置的增加(沿熔深從上到下),焊縫馬氏體組織逐漸細(xì)化,其寬長比MBL逐漸減小：I形焊縫組織比T形焊縫更均勻,其馬氏體組織寬長比MBBL變化更平緩�；诤缚p組織分析,提出將馬氏體組織寬長比MBL作為表征大厚度鈦合金電子束焊接組織特征的參量。第四,測(cè)試分析了T形和I形焊縫／接頭顯微硬度、拉伸性能及沖擊性能,研究了焊接工藝、焊縫深寬比H/B、馬氏體組織寬長比MSL對(duì)焊縫／接頭力學(xué)性能的影響。沿熔深方向,焊縫由上至下顯微硬度逐漸增加,I形焊縫的顯微硬度分布比T形焊縫更均勻。焊縫金屬沿熔深方向拉伸性能也存在差異,I形焊縫的拉伸性能更均勻。隨著焊縫馬氏體組織寬長比MBL的增加,焊縫的拉伸強(qiáng)度逐漸降低,熔深方向的強(qiáng)度差異也逐漸變小。隨著焊縫深寬比H/B的增加,I形焊縫的拉伸強(qiáng)度存在降低的趨勢(shì),與T形焊縫的變化趨勢(shì)相反。與T形焊縫相比,I形焊縫的沖擊韌性值較高,且沿熔深方向存在不均勻性；隨著焊縫深寬比、馬氏體組織寬長比的增加,T形和I形焊縫沖擊韌性均先增加、后減小。根據(jù)強(qiáng)度匹配理論分析,提出了鈦合金電子束焊接力學(xué)性能因子[Ue,SDM),建立了焊縫形狀參量H/B、組織參量MBL與力學(xué)性能因子[Ue,SDM]的相關(guān)性數(shù)學(xué)模型,表征了大厚度鈦合金電子束焊接接頭力學(xué)行為。第五,研究了偏擺掃描電子束焊接、“嵌料”電子束焊接及多重電子束焊接等調(diào)控方法對(duì)接頭力學(xué)性能的影響。采用偏擺掃描焊接+焊后熱處理方法提高了I形焊縫的深寬比H／B,降低了焊縫馬氏體組織寬長比MBL參量,修正了焊接力學(xué)性能因子[Ue,SDM]相關(guān)性模型；焊縫斷裂韌性、接頭疲勞強(qiáng)度分別達(dá)到了基材的80%和90%,改善了焊縫/接頭斷裂韌性、疲勞等性能�！扒读稀焙附臃椒ń档土撕缚p的深寬比H/B,提高了焊縫馬氏體組織寬長比MBL,提高了焊縫延伸率,降低了焊接力學(xué)性能因子,實(shí)現(xiàn)了焊縫強(qiáng)度／塑性匹配調(diào)控。多重焊接方法降低了焊縫H/B,提高了焊接強(qiáng)度,驗(yàn)證了性能因子相關(guān)性公式的合理性；雖然多重焊接焊縫沖擊、斷裂性能有所降低,但基本滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和局部缺陷修復(fù)質(zhì)量需求。
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【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG456.3
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本文編號(hào)：1555178