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1、TA0/Q235异种金属的等离子焊接工艺研究Study on Plasma Welding Technology of TA0 / Q235 Dissimilar Metals摘 要本课题对TA0与Q235低碳钢进行里等离子焊接实验,采用熔覆的方法,分析了无中间层与添加中间层的不同条件下,TA0与Q235钢的可焊性,研究了Cu作为中间层的情况下,焊接电流以及焊接速度对接头微观组织以及力学性能的影响,并采用ABAQUS有限元模拟软件对TA0与Q235两板直接对焊以及添加中间层铜的两种不同情况,进行了温度场与应力场的数值模拟。研究表明:在Q235基板上用等离子直接熔覆TA0粉末时,两者无法实现可靠
2、的连接,焊缝表面出现明显的裂纹,熔覆层甚至脱落。所以选用铜作中间层,并在铜作中间层的基础上研究最优良的焊接工艺参数。当等离子焊接电流在90A-100A之间时,焊缝表面成型良好,无缺陷。当焊接电流在95A-105A时,微观组织结合良好,无明显缺陷。随着焊接电流的增大,焊缝的宽度增加,枝晶组织变粗,晶粒尺寸增大。当焊接电流为100A时,达到了硬度最大值448HV。拉伸强度最大可达405MPa。当等离子焊接速度在18cm/min-22cm/min时,焊缝表面无焊瘤、弧坑等缺陷,成型良好。当焊接速度在16cm/min-20cm/min时,焊缝的微观组织无不熔合及孔洞缺陷,结合良好。随焊接速度的增大,焊
3、缝宽度变小,晶粒变细。当焊接速度为18cm/min时,硬度达到最大值441HV。随着焊接速度的增加,拉伸强度先增大后减小,其中当焊接速度为20cm/min时,拉伸强度最大为405MPa。熔覆层钛层中部,组织呈针状、长棒状形态,分布较均匀;铜层中部的显微组织为典型柱状树枝晶,且生长方向趋于垂直于基体表面;热影响区的显微组织出现了粗大的魏氏体组织和珠光体组织。铜与钢的结合界面出现平面结晶带,钛铜结合界面边界附近区域颗粒的尺寸偏小,但密度较大,外部的颗粒尺寸较大且分布稀疏。通过对模拟温度场发现,等离子焊过程中温度上升、下降的速度非常快。当钛与钢直接对焊时,焊缝温度高达2200C,而当有铜做中间层时,
4、温度下降到1700C。温度梯度明显减小。对应立场进行模拟发现,焊缝两侧不同金属的应力场分布不均匀。TA0与Q235直接焊接时,应力最大值高达433MPa,而添加中间层后下降到404MPa,残余应力也由606MPa下降到474MPa。并且添加中间层后,试件的应力分布较直接焊更为均匀,应力梯度也更小。关键词:TA0;Q235低碳钢;等离子焊接;数值模拟AbstractIn this subject, TA0 and Q235 low-carbon steels are subjected to internal plasma welding experiments. The cladding me
5、thod is used to analyze the weldability of TA0 and Q235 steels under different conditions with and without an intermediate layer. Cu is used as an intermediate layer. In the case of welding, the effect of welding current and welding speed on the microstructure and mechanical properties of the joint,
6、 and using ABAQUS finite element simulation software for two different cases of direct butt welding of TA0 and Q235 plates and the addition of copper in the middle layer, the temperature field and stress fields was performed Numerical simulation .research shows:When TA0 powder directly cladding on t
7、he Q235 substrate, the two could not be reliably connected, obvious cracks appeared on the weld surface, and the cladding layer even fell off.Therefore, copper is used as the intermediate layer, and the best welding process parameters are studied on the basis of copper as the intermediate layer.When
8、 the plasma welding current is between 90A- 100A, the weld surface is well formed without defects. When the welding current is between 95A-105A, the microstructure is well bonded without obvious defects. With the increase of welding current, the width of the weld seam increases, the dendrite structu
9、re becomes thicker, and the grain size increases. When the welding current is 100A, the maximum hardness of 448HV is reached. The maximum tensile strength can reach 405MPa.When the plasma welding speed is between 18cm / min-22cm / min, the surface of the weld is free of defects such as welding knobs
10、, arc craters, and good forming. When the welding speed is 16cm / min-20cm / min, the microstructure of the weld is free of non-fusion and hole defects, and the bonding is good. As the welding speed increases, the width of the weld seam becomes smaller and the grains become finer. When the welding s
11、peed is 18 cm / min, the hardness reaches a maximum of 441 HV. As the welding speed increases, the tensile strength increases first and then decreases. When the welding speed is 20cm/min,the tensile strength reaches a maximum of 405 MPa.In the middle of the titanium layer of the cladding layer, the
12、structure is in the form of needles and long rods, and the distribution is relatively uniform; the microstructure in the middle of the copper layer is a typical columnar dendrite, and the growth direction tends to be perpendicular to the surface of the substrate; The microstructure of the heat-affec
13、ted zone showed coarse Weissite structure and pearlite structure. There is a plane crystalline band at the interface between copper and steel. The size of the particles near the boundary of the titanium-copper interface is small, but the density is large, and the external particles are large in size
14、 and sparsely distributed.It is found from the simulated temperature field that the temperature rises and falls very fast during the plasma welding process. When titanium and steel are directly butt-welded, the temperature of the weld seam is as high as 2200 C, and when copper is used as the interme
15、diate layer, the temperature drops to 1700 C. The temperature gradient is significantly reduced. Corresponding to the simulation, it was found that the stress field distribution of different metals on both sides of the weld was uneven. When TA0 and Q235 are directly welded, the maximum stress is as
16、high as 433 MPa, but after adding the intermediate layer, it is reduced to 404 MPa, and the residual stress is also reduced from 605 MPa to 474 MPa. And after adding the intermediate layer, the stress distribution of the test piece is more uniform than the direct welding, and the stress gradient is
17、also smaller.Key Words: TA0; Q235 low carbon steel; plasma welding; numerical simulation目录第1章 绪论11.1背景及意义11.2钛/钢焊接性分析21.2.1物理性能差异对焊接性的影响21.2.2化学性能差异对焊接性的影响31.3钛与钢异种金属连接研究现状41.3.1熔化焊41.3.2摩擦焊61.3.3钎焊71.3.4爆炸焊81.4焊接数值模拟研究现状.91.5课题主要研究内容9第2章 试验材料、设备及方法102.1焊接试验设备102.2焊接材料及处理112.3试样制备与分析122.3.1金相试样的制备12
18、2.3.2金相试样的观察122.3.3显微硬度测试132.3.4拉伸试验13第3章 铜作为中间层的钛-钢等离子焊接试验研究143.1无中间层的TA0粉末与Q235钢板的等离子焊接143.2焊接电流对铜作中间层的钛钢焊接接头的影响153.2.1焊接电流对焊缝成型表面的影响163.2.2焊接电流对熔覆层微观组织的影响173.2.3焊接电流对焊缝力学性能的影响193.3焊接速度对铜作中间层的钛钢焊接接头的影响213.3.1焊接速度对焊缝成型表面的影响223.3.2焊接速度对焊缝微观组织的影响233.3.3焊接速度对焊缝力学性能的影响243.4覆层的微观组织分析263.5本章小结27第4章 钛/钢等离
19、子弧焊接温度场有限元的建立及结果分析294.1温度场有限元模型的建立304.1.1焊接温度场数值模拟的基本理论304.1.2热源模型的建立334.1.3建立焊件几何模型344.1.4网格划分344.1.5初始条件与边界条件354.1.6移动热源的加载364.2TA0/Q235直接对接的温度场模拟结果374.2.1TA0/Q235直接对焊温度场云图374.2.2TA0/Q235直接对焊热循环曲线384.3Cu作中间层TA0/Q235等离子焊接温度场模拟结果404.3.1Cu为中间层的TA0/Q235焊接温度场云图404.3.2Cu作中间层时的热循环曲线414.4本章小结42第5章 钛/钢等离子弧
20、焊接应力场有限元的建立及结果分析435.1应力场有限元模型的建立435.1.1焊接应力场数值模拟的基本理论445.1.2热-应力耦合分析过程465.2.3 初始条件与边界条件475.2 TA0/Q235直接对接的应力场模拟结果475.2.1TA0/Q235直接对焊应力场云图475.2.2TA0/Q235直接对焊应力应变曲线485.3Cu作中间层TA0/Q235等离子焊接应力场模拟结果505.3.1Cu为中间层的TA0/Q235焊接应力场云图505.3.2Cu作中间层TA0/Q235焊接的应力应变曲线525.4本章小结53结论54参考文献55攻读硕士学位期间的学术成果59致谢59V第1章 绪论第
21、1章 绪论1.1背景及意义人类物质文明的不断发展推动了科学技术向更高水平迈进,而科学技术的进步又会反作用于经济社会的向前发展。具体到实际生产领域又需要以生产效率的提升为前提,其中包括生产工具的改进、劳动力素质的提升、生产材料的优化与完善等多个方面。近年来,工业生产对于材料的整体性能要求越来越高,尤其是涉及国家战略发展的航空航天、武器装备、核能及医疗器械等关键领域不仅需要材料在制造成本方面具有优良表现,而且能够满足多样化的加工生产条件,传统的常规材料很难满足如此严苛的生产加工要求,在这种情况下,复合型生产材料应运而生,这类材料一般是由两种或两种以上的金属材料通过一定的技术手段连接而成,充分满足了
22、现代工业生产对于材料成本与性能的双重要求。鉴于其广阔的应用发展前景,国内外越来越多的学者投身到对新型复合材料的研发工作当中。钛/钢复合构件是近年来在载人深潜与航空航天等高精尖科技领域被广泛应用的一种新型材料,是由不锈钢与钛合金复合而成 1-3。近年来,钛及钛合金在现代化工业发展中所起的作用越来越重要,这与其稳定的生产加工性能密不可分,且具有优良的耐腐蚀性能,目前在化工、电力、石油等关系国计民生的重要领域应用广泛,作为钢材的独特替代材料,不仅继承了前者在硬度与强度方面的优势8,同时还具备较高的比强度,便于进行切削加工操作4,能在大多数环境中长期服役,被誉为“当代第三金属”5-7。国内钛资源储量虽
23、然较大,但是单一钛矿的数量非常稀少8,但限制钛及钛合金应用发展的主要问题还在于相关的制造工艺所耗费的成本高、且工序较为复杂,一些加工技术还有待进一步优化与完善9。从长远来看,钛及钛合金全面替代普通钢材还不太现实,且其自身性能也存在一定的缺陷,比如弹性模量低、抗蠕变性能较差等。钛/钢复合材料综合了钛材卓越的耐蚀性和钢材优良的力学性能,同时,钛/钢复合板材的成本仅仅相当于高级不锈钢的价格,成本方面实现了大幅下降,但总体性能却有显著提升,为工业生产的广泛应用奠定了基础。由钛/钢复合材料加工生产的异质接头构件在国家战略发展领域已经实现了深度应用10-12。钛-钢层状复合管是由复合板经卷板后焊接而成的具
24、有优异综合特性的新型金属管,其综合性能比单一金属管优越得多13。随着社会的发展,以钛/钢复合板材为基础的材料应用会出现更加多样化的形式,相关领域的研究工作将会进一步推动更多新型复合材料的问世,具有较强的理论与现实意义14-17。1.2钛/钢焊接性分析材料焊接性反映了经焊接加工后由同种或异种材料形成的接头是否在综合性能与使用性能方面满足一定的使用条件18。很明显,钛合金与不锈钢之间为异种材料焊接,两种材料在物理及化学方面的差异性在很大程度上影响它们的焊接性19。1.2.1物理性能差异对焊接性的影响表1-1所列的为Ti、Fe 的基本物理性质,不难发现,作为钛与钢的主要元素,两者存在着较大的物理及化
25、学性质差异。具体总结为以下四点: 表 1-1 Ti、Fe 结晶化学与热物理性质Table1-1 Chemical and Thermophysical Properties of Ti and Fe Crystals材料晶格类型晶格常数/原子直径密度g/cm-3熔点/线膨胀系数/10-6K-1热导率/Wm-1K-1钛密排六方a=2.950 c=4.6832.934.5017257.1413.8铁体心立方a=b=c=2.862.527.86153511.566.7(1)Ti 和 Fe 的晶体结构有很大差别,原子半径相差较大。(2)Ti的熔点比Fe的要高大约190。两者的熔化过程并不同步,会导致过
26、热区晶界出现已熔化材料的渗透现象,不仅造成低熔点材料的浪费,还提高了合金元素发生烧损的风险20。(3)Ti和Fe两者热导率的不同会对最终焊缝金属的成分及接头质量产生较大影响,由于热导率的巨大差异,引起热输入量的不同,从而使两侧金属出现受热不均的现象。 (4)从上表不难看出,在线膨胀系数方面,铁的数据更高一些。焊接后很容易产生冷却残余应力,进而出现变形量的差异,反映在外形上即导致热影响区与焊缝区出现裂纹,情况严重时会产生材料内部的剥离现象。1.2.2化学性能差异对焊接性的影响室温或低温条件下,钛及钛合金在表面致密氧化膜的保护下不易受到腐蚀21。由于氧化膜的致密性与温度呈现负相关,且钛在高温环境下
27、对H、O、N表现出极强的亲和性,这容易造成接头构件内部产生脆性相或者气孔,无法满足工业生产对其性能的要求22,23。从冶金反应的化学机理并结合金属材料二元相图来分析,不难发现,能够与钛之间发生稳定冶金反应的金属元素并不多,Fe与Al并不包括在内,主要是因为钛与两者进行冶金连接的过程中会有脆性金属间化合物的产生,这对于复合材料整体性能的发挥是非常不利的。结合Fe-Ti 二元相图24,可以很好地说明这个问题,如图1-1:图1-1 Ti-Fe二元相图24Fig.1-1 Ti-Fe binary phase diagram 24(1)温度对于钛的存在形式及钛、铁间的冶金反应过程都有很大影响。钛在高温与
28、低温条件下分别以体心立方晶格-Ti及密排六方晶格-Ti的形式存在,其相变温度为882C。铁在钛的两种存在形式中,其溶解度也表现出较大的差异性。相比较而言,高温下的-Ti表现出对铁更好的溶解性能,研究表明其对铁溶解能力与焊接温度呈现负相关,这就可以很好地解释焊缝中铁在钛中过饱和组织及TiFe、TiFe2、Ti2Fe等金属间化合物的形成原因。受此影响,所形成的接头脆硬性明显提高,在强度及塑性方面表现较差。(2)钛在高温条件下与氢、氧、氮元素的亲和力极强,此性质对于焊接区纯度的影响较大,不可避免地会形成气孔或产生脆化现象,使焊接产品的性能严重下降。(3)需要特别说明的是,铬、镍会与钛在高温条件下反应
29、生成TiCr2、TiNi2等金属间化合物,因此在钛的焊接过程中若遇到含铬、镍的奥氏体不锈钢时,不可避免会生成相应的金属间化合物,另外考虑到钢中的碳元素极易与钛结合产生脆性相TiC,以上情况都会导致焊接过程出现较多的工艺缺陷,如气孔、裂纹等。不难发现,Ti、Fe间较大的物理化学性质差别导致钛与钢的焊接性极差。实现钛与钢稳定连接的关键是控制焊缝中脆性相的生成。因此,在钛/钢焊接时,选用适当的焊接工艺规范及有效的气体保护措施来避免钛/钢的直接接触反应,来解决上述问题,从提升塑性与韧性的角度入手,不断优化焊接工艺,降低接头残余应力,为钛/钢异种金属可靠性连接创作有利条件。1.3钛与钢异种金属连接研究现
30、状为了解决钛/钢异种金属焊接过程中存在的各种工艺问题,国内外相关领域的研究人员自上世纪50年代就开始积极探索,陆续取得了一些重大突破。从焊接工艺的优化方面来看,熔化焊、钎焊和压力焊等焊接技术在目前的钛/钢焊接领域中应用较为广泛。下面做一些简要的介绍。1.3.1熔化焊 熔化焊无任何外界载荷的要求,通过物理加热的形式将待焊母材熔化,之后经过重熔再结晶的方式实现连续焊缝,是目前较为常用的一类焊接方法。一直以来,国内外研究人员期望从改进焊接工艺参数的角度来制得满足生产要求焊接接头。Shanmugarajan等24在钛/钢异质接头焊接过程中使用了激光焊的方法,并根据产品要求对焊接工艺相关参数进行了调整,
31、即便如此依旧无法获得良好的焊接接头。王廷等7采用了电子束焊对TA15钛合金和304不锈钢进行了直接对焊。通过对焊接接头分析表明,焊缝内存在裂纹,且主要集中在不锈钢侧,很难形成良好接头(图1-2),脆硬组织TiFe、TiFe2等金属间化合物在焊缝中的积累,会使焊缝对焊接热应力的敏感度增强,导致大量裂纹产生。研究结果表明,钛/钢的电子束焊接性能较差,无法实现可靠连接。在此基础上,越来越多的学者将研究重点放到添加适宜的过渡层上来。图1-2 焊缝横截面宏观形貌24Fig.1-2 Macro morphology of weld cross section 24因此,王廷等人25分别以Cu、V、Ni、A
32、g为中间层进行了钛/钢的电子束焊接。实验结果表明所有过渡金属层均能阻碍Ti/Fe接头中Ti-Fe金属化合物的形成。但当V作为中间层时,接头处依旧产生了大量裂纹,金属间化合物为TiFe,接头质量不好。当Ni作为中间层时,界面间金属间化合物为 Fe2Ti + Ni3Ti + NiTi2,具有良好的抗裂性,抗拉强度为124MPa。Cu作为中间层时,接头的金属间化合物主要为Cu2TiCuTiCuTi2,从金属间化合物脆性的角度来看,铜元素的加入不仅有助于提升接头的韧性26,并且使接头在纵向最大热应力与残余应力方面的加工性能有较大提升27,拉伸强度达到了234Mpa。当Ag作为中间层时,生成了Ti2Ag
33、金属间化合物,有效的抑制了脆性相的产生,抗拉强度最高可达 310MPa,并且表现为塑性断裂。Tomashchuk等28以500m 厚纯Cu薄层为中间层对 Ti6Al4V/AISI 316L进行了激光焊接。研究结果表明, Cu 层使焊缝中大量分布着CuTi2+FeTi 混合相,无法完全阻断Fe-Ti 和 Cr-Ti 脆性相在焊缝中的积累。Tomashchuk 等29选择 1.06mm 厚的 V 为过度层,保护气体选择氩气,在单道焊接、双道焊接及双光束单道焊三种不同的激光焊接方式下对Ti6Al4V和316L不锈钢做焊接处理,对三种情况下所得接头进行显微组织与断口分析后发现,获得接头强度最大的焊接方
34、式是双道焊接,对其做简要分析可知,焊缝晶粒的粒度受未熔化钒的影响,且V在Fe-V熔化区域的含量很少。M.Gao等人30对Ti-6Al-4V与304L不锈钢进行激光焊接的过程中,为了将Ti与Fe完全隔离开,将Mg选作填充焊丝的主要材料,同时对焊接全过程的热量输入进行严格控制,经扩散作用在钛/焊缝界面有Mg17Al12化合物的产生,不仅有效地避免了焊接中裂纹的出现,还可以通过调整激光功率,来进一步提升抗拉强度,最大可达221MPa。 张莹瑛等人31应用TIG熔焊连接的方式对TC4钛合金与1Cr18Ni9Ti进行焊接,为了提升焊接接头的连接强度,阻断脆性金属间化合物的形成过程,试验人员加入了Cu、C
35、uNi合金和Nb作为过渡层材料,起到了良好的效果。进一步提高工艺要求后,可使接头拉伸强度为210MPa,完全消除裂纹的出现,焊缝组织呈现均匀分布,TC4-Nb-Cu-Cu-SS可作为此时的接头形式。根据以上的文献可知,通常情况下钛与钢在进行熔化焊接的过程中难以避免会出现直接接触融化的情况,导致在焊缝中积累大量的Ti-Fe金属间化合物,削弱了焊接接头的韧性,而通过添加适宜的中间过渡层可以阻碍脆性金属间化合物的形成,使焊缝中Ti-Fe金属间化合物含量减少,从而提高焊缝质量。1.3.2摩擦焊作为一类典型的固态焊接方法,摩擦焊需要在有规律的压力或扭矩存在的条件下在焊接接触面之间产生相对运动,通过变形热
36、或摩擦热促使摩擦面或其附近区域的温度上升,以材料熔点作为其升温上限,进而使材料发生一定的物性变化,存在于界面的氧化膜被破坏,形变量与塑性增大,从微观角度来看,与界面分子的扩散与重结晶密切相关。Y.Gao 等人32在搭接搅拌摩擦试验中以1.0mm的纯钛和3.2mm的结构钢为试验材料,研究了不同长度搅拌针对接头的影响。试验结果表明,搅拌针长度在0.9mm与1.0mm时能获了良好的接头。在0.9mm的搅拌针长度条件下,钛/钢界面处会出现宽度为50-100nm的单一非混合层FeTi相;当针长为1.0mm时,会产生以FeTi+Fe2Ti 和 Ti 为主的混合界面区。H.C.Dey等人33采用摩擦焊的方式
37、对钛和304不锈钢做焊接操作时,发现会有脆性Fe-Ti 金属间化合物在接头处形成,这会引起母材钛侧有断裂现象出现,由于形变硬化及残余应力的存在,焊接接头弯曲韧性极差,而强度却比钛基体高很多。另外在抗腐蚀性能方面,接头也有优良的表现。C.H.MURALIMOHAN等人34应用连续驱动摩擦焊的方法对钛和304不锈钢进行金属焊接的过程中,中间层材料选用100m的Ni,结果发现焊接界面处Fe-Ti、Cr-Ti金属间化合物的生成量很少,从而大大提升了接头强度。接头抗拉强度最高可达 352MPa。接头的拉伸强度与中间层的厚度有很大关系。R.Kumar 35等人应用连续驱动摩擦焊的方法对Ti-6Al-4V与
38、304不锈钢进行金属焊接的过程中,中间层材料选用了Cu,结果发现不仅Ti-Fe相的产成受到阻碍,而且马氏体的转变过程也得到了抑制。通过调整中间层Cu的厚度,可以使接头处的抗拉强度达到523.6MPa的极大值。综上所述,钛/钢摩擦焊时,要想获得良好的焊接接头首先需要确定合适的摩擦焊工艺,从而减少脆性相的生成。再通过添加合适的中间层,避免Ti与Fe的接触,从而提高焊缝的力学性能,获得良好的焊接接头。1.3.3钎焊以钎料的熔化温度为基准,通过加热的方式,钎焊是一种在固态工件的缝隙中加入液态钎料的填充物实现金属连接的焊接方法。Jung G. Lee 36等人采用 Ag-28Cu/Ag 作为复合中间层,
39、进行了钛和不锈钢的钎焊,在靠近不锈钢一侧形成了Ag-Cu共晶组织,无脆性相形成,接头抗拉强度高达 410MPa。R.K. Shiue37等人采用Ni/Cr 作为中间层对Ti-6Al-4V与17-4PH不锈钢进行了红外线真空钎焊。实验结果表明,Ni/Cr复合层有效的将Ti、Fe元素分隔开,抑制了Ti-Fe金属间化合物形成,使得接头性能得到了显著的提高。张鹏贤38等人应用高频感应钎焊对0Cr18Ni9和TC4钛合金进行金属焊接,钎料选用四元合金Ag45CuZn3.5Ni,在这种情况下Ti-Fe金属间化合物的形成过程被抑制。而金属间化合物Ni-Ti的含量又会对接头的加工性能造成一定的影响,含量较多时
40、会增大接头的脆性,较小时可以优化接头的塑性。通过调整钎料中Ni元素的含量,可以使接头的剪切强度达到148.2MPa的极大值。R.S. Tashi等人39采用AgCuZn作为钎料,对Ti6Al4V与316L不锈钢进行了真空钎焊。实验结果表明,在钛合金与钎料界面处形成了一层连续的 AgTi 相。随着钎焊温度和保温时间的增加,接头的剪切强度不断降低。马光40等人采用Ag、Cu 含量不同的四种 AgCuMnNiSiB 钎料对TA2和Q345R钢进行了TIG-熔焊连接实验,结果表明,Ag65.5Cu21.2Mn8.0Ni5Si0.3B0.1钎料的焊接质量最好,无论是钢侧还是钛侧都无裂纹产生,也无碳化物以
41、及其他脆性化合物生成,且钎料与母材有明显互扩散现象。综上所述,焊接所用的混合钎料元素种类越多,得到的钛/钢钎焊接头性能更为优良。这样才可以有效地抑制Ti-Fe金属间化合物的生成。并且添加银基作为钎料时,钛钢进行焊接接头效果较好,可获得较为优质的钎缝,但由于银基所需成本较高,应用领域一般较为局限。1.3.4爆炸焊冲击力作为爆炸焊能量的主要来源,一般是通过炸药爆炸形成的,它可以使工件在较短时间内产生碰撞到达焊接的目的。这种焊接是利用炸药爆炸时的冲击波,使金属受到高速撞击,在十分短暂的冶金过程中相结合。爆炸焊已广泛应用于各种金属和合金组合的复合板、双金属管、热交换器的管与管板连接、各种过渡接头、大直
42、径管线爆炸焊等。Nizamettin Kahraman41等人通过调整爆炸载荷,对钛合金与不锈钢的爆炸焊接过程进行了研究,结果表明界面组织的不均匀性、试件的剪切强度都与爆炸冲击波的强度呈现正相关,高强度的爆炸载荷下没有金属间化合物生成,出现熔化结合的复合界面,接头强度优良。李敬勇42等人采用爆炸焊对TA2-Q345 复合板进行了焊接。试验结果表明,TA2-Q345界面之所以有多样化的漩涡形态与漩涡区金属的流动状态有关,缩松类空洞是由金属流动不畅造成的,同时还伴随有氧化物、多余铁元素及脆性化合物的生成。塑性变形在结合界面处最为剧烈,波谷处小于波峰位置,钛侧处小于钢侧。从硬度的方面来看,波谷处最小
43、、波峰处较大,钢侧漩涡去最大。爆炸焊复合过程所需要的时间时微秒量级的,这并不利于脆性金属间化合物的产生,因为金属板材界面的元素扩散过程需要一定的时间。但是爆炸焊通常成本较高,普遍用于大型钛钢复合板的焊接,并不能完成小件钛/钢接头的焊接。在实际操作中,焊接过程的很多工艺参数很难控制,尤其是在热输入方面,导致制得的接头在热稳定性、形变方面都不稳定,因此这种焊接方式目前很难在工业生产中得到普及43。1.4焊接数值模拟的研究现状鉴于焊接过程会受到温度场的影响,近年来全球本领域科研人员利用构建热源模型及有限元分析等方式对其进行了深入研究。众所周知的“计算焊接力学”这门学科就是随着对焊接数据仿真原理的研究
44、应运而生44。自上世纪七十年代以来,Gick45及其他科研人员成功实现了对熔宽的数据仿真分析,同时提出了一种关键的研究方法被称为线热源法。自上世纪八十年代末以来,本领域研究人员Giedt46使用上面提出的方法对熔深进行了深入分析,并合理评估了焊接过程中温度场的动态变化,以上方法存在很大弊端,因为线热源体系十分单一,针对对流热传导问题的研究不够到位。上世纪九十年代,Wei47及相关研究人员深入分析了熔池变化及温度的关系,提出了一种基于高斯原理的多维度建模方法,最终证明与预期判断相符。当两个极板相接触时在某一位置处可能会因为应力集中而导致覆板失效,为了研究产生失效的原因,相关研究人员使用有限元分析
45、原理对钛或钢等多种材料组成的结构进行数据仿真分析,此项实验由国内著名教授薛治国48及其所在的团队实施。在研究温度与应力之间关系时,当前使用一款名为ANSYS的软件进行数据仿真分析。分析结果表明在焊接时,整个操作环节温度变化平稳,会产生一定的残余应力,这种应力不会对工件表面造成损伤,随着焊接的进行内部应力会发生相应的改变,最终转化成压应力。开始提出此项研究的是陈芙蓉49及相关研究人员。在焊接过程中残余应力产生的原因有很多种,其中对调质钢和含量为99%的铝在一起焊接时产生的残余应力进行数据仿真分析,由实验观察表明多数应力表现为与横向相反的应力,发现局部含有一定的与压应力相反的力,但是随着焊接完成,
46、冷却,接口处会产生一定的距离,慢慢又回到与拉应力相对的状态。最开始提出此项研究的是范玲50等相关研究人员。秦晓旭51采用有限元分析软件,详细阐述了铝合金等在温度场虚拟仿真中解析解及数值的关系并对其进行了深入研究。对铜合金的激光焊、钨极氩弧焊的温度场模拟,并通过三种不同的焊接方法来对比温度场宽度。为了获取优良的接触点也可以保证实验中很小的能量。本焊接技术的优良特点包括高能量及高温度等,在本次实验中得到了充分的体现。关于焊接数据仿真分析中,温度场的计算是后面进一步研究的基础。由上分析可知,国内外学者们已在不断探索二者之间的关系,利用数据仿真技术进行深入研究及对比。以上分析有助于全面掌握焊接时内部发
47、生的物理变化规律,针对一种材料的仿真分析是当前研究的局限性,不言而喻对不同材料的数据仿真分析情况恰恰相反。 1.5课题主要研究内容综上所述,钛/钢焊接时要解决的问题是如何规避Ti-Fe的生成。现在有两种方法解决此问题,最为常见的是形成中间空隙,此方法对禁止产生杂质有立竿见影的效果,第二种方法是当生成杂质时,将其置于具有韧性的夹层里。摩擦焊可形成较为良好的接头,但是焊件形状受限制;钎焊目前所用的钎料大多是金基或银基,成本过高;熔化焊具有工艺简单等较好特性,在Ti-Fe混合金属焊接时表现出了更加优秀的品质。因为Ti/Fe熔化焊效果差,所以本文使用添加中间层的方法进行等离子高能束焊接试验,从而完善钛与钢的连接方法,本文主要研究内容如下:(1)对TA0与Q235直接等离子焊接;(2)添加Cu作为中间层,改变焊接工艺参数,研究焊接电流以及焊接速度对等离子焊接表面成型、微观组织以及力学性能的影响。(3)分析Cu作中间层时,钛层、铜层、钢层组织的结合形态。(4)采用ABAQUS进行有限元数值模拟,研究TA0/Q235直接对接和添加铜为中间层时等离子焊接接头的温度场与应力场分布,并进行分析计算。- 63 -第2章 试验材料、设备及方法第2章 试验材料、设备及方法2.
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