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【6h】

钛合金与铜、钢异种金属焊接性研究

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摘要

1 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 钛-铜、钛-钢焊接性及难点分析

1.2.1 物理性能对焊接性的影响

1.2.2 化学性能对焊接性的影响

1.2.3 钛-铜、钛-钢焊接的难点

1.3 钛-铜、钛-钢焊接研究现状

1.3.1 熔化焊

1.3.2 固相焊

1.4 异种金属焊接研究概论

1.4.1 异种金属电子束焊研究概论

1.4.2 异种金属摩擦焊研究概论

1.5 课题研究内容及研究方案

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究方案

2 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 焊接设备与焊前准备

2.3 检测设备与试验方法

2.3.1 金相分析试验

2.3.2 扫描电镜及EDS分析试验

2.3.3 显微硬度试验

2.3.4 拉伸试验

2.3.5 物相分析试验

3 钛合金与铜电子束焊接工艺试验研究

3.1 钛-铜电子束焊接工艺参数前期调试

3.2 钛-铜电子束对中焊接工艺研究

3.3 钛-铜电子束偏束焊接工艺研究

3.3.1 焊缝宏观形貌

3.3.2 金相显微组织分析

3.4 添加邻焊工艺的钛-铜电子束焊接工艺研究

3.4.1 添加钛侧邻焊工艺的钛-铜电子束焊接工艺研究

3.4.2 添加铜侧邻焊工艺的钛-铜电子束焊接工艺研究

3.5 本章小结

4 钛合金与铜电子束焊接接头界面组织与力学性能研究

4.1 电子束偏束焊接界面组织与力学性能研究

4.1.1 扫描电镜及EDS分析

4.1.2 接头力学性能

4.1.3 XRD物相分析

4.2 添加钛侧邻焊工艺的界面组织与力学性能研究

4.2.1 扫描电镜及EDS分析

4.2.2 接头力学性能

4.2.3 XRD物相分析

4.3 添加铜侧邻焊工艺的界面组织与力学性能研究

4.4 添加钛侧邻焊工艺高强度接头形成原因分析

4.4.1 偏铜焊提高接头强度的原因分析

4.4.2 钛侧邻焊提高接头强度的原因分析

4.5 本章小结

5 钛合金与钢焊接工艺研究

5.1 TC4与304SS焊接性研究

5.1.1 TC4与304SS电子束焊

5.1.2 TC4与304SS螺柱摩擦焊

5.2 铜为过渡段的TC4与304SS电子束焊

5.2.1 焊接工艺试验

5.2.2 显微组织分析

5.2.3 力学性能研究

5.3 铜为过渡段的TC4与304SS摩擦焊

5.3.1 焊接工艺试验

5.3.2 摩擦时间对接头抗拉强度的影响

5.3.3 接头显微硬度

5.3.4 显微组织分析

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

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摘要

本文主要对TC4钛合金与T2紫铜的电子束焊接工艺进行了研究,对电子束焊接工艺参数进行了前期调试,探究了不同的电子束偏束量对接头力学性能的影响,对电子束偏铜焊接接头界面相组成进行了研究分析,并且进一步研究了添加钛侧邻焊工艺和添加铜侧邻焊工艺电子束焊接接头界面相组成和力学性能;同时也探索了添加紫铜过渡层的TC4-304SS电子束和摩擦焊接工艺。
  研究获得了合适的焊接工艺参数为:加速电压60kV,电子束流45mA,聚焦电流680mA,焊接速度10mm/s,并在此条件下调整不同电子束偏束量进行焊接,试验结果表明,随着电子束偏束量的增加接头抗拉强度先增加,后减小。电子束偏铜焊接接头被分为钛合金侧面积非常小的树枝晶区、铜侧大面积的枝晶区和夹在它们之间的最后凝固区。在铜-钛界面近TC4钛合金处形成一层宽度约39μm的反应层,反应层中大部分区域为富铜区,靠近钛侧极薄的一层为金属间化合物层。整个焊接过程中,Ti元素的扩散距离为23μm,在最靠近TC4钛合金内侧的区域为CuTi相,除此之外还存在CuTi2、 Cu4Ti、Cu2Ti、Cu3Ti和Ti3Cu4相。接头强度为162MPa,为脆性断裂,断口内存在大量的CuTi相。
  研究结果表明,添加钛侧邻焊工艺后,在反应层内靠近钛合金的区域,枝晶的形态和生长方向都有了很大的变化,之前依附于钛合金基体向着第一道焊接熔池生长的枝晶几乎都不存在了,枝晶依附于最后凝固区域的前沿形核并向着第二道焊接熔池的方向生长,直到未熔钛合金的边缘,形成了新的界面形态。在不同的偏束距离下,添加邻焊工艺的电子束焊接接头抗拉强度为210MPa,断口内主要存在CuTi2相;添加铜侧邻焊工艺的接头抗拉强度为84MPa。
  钛-钢焊接工艺试验结果显示,不添加中间过渡段时难以获得钛合金与钢的有效连接,采用电子束先焊接钛合金与铜,切割预留出2cm宽的紫铜过渡段,再将其与钢焊接,接头强度可以达到196MPa;添加的铜片厚度为0.5mm时,随着摩擦时间的增加,接头的抗拉强度先增大后减少,抗拉强度最高达到178MPa。断裂发生在钛-铜界面,在界面处主要存在CuTi相。

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