大厚度TC4ELI钛合金EBW质量控制及球壳变形预测

摘要

本文对60mm厚TC4ELI钛合金平板进行电子束焊接，研究不同工艺参数对接头成形、组织和力学性能的作用规律，同时针对大型钛合金球壳电子束焊接过程中可能产生的缺陷制定了相应的控制及修复工艺，并基于有限元方法对TC4ELI钛合金球壳赤道环焊缝电子束焊接的残余应力及焊后变形进行预测。
　　对于60mm厚TC4ELI钛合金电子束焊接，达到一定焊接线能量后，焊缝可实现全熔透，横截面呈“锥形”形貌，焊缝正反面成形良好。焊缝区由柱状晶和等轴晶组成，晶内为呈“网篮状”分布的针状α′马氏体相；热影响区包含α+β+α′三相，呈连续分布特点。熔深方向上，焊缝由上至下由于热输入逐渐降低，使得柱状晶尺寸逐渐减小，晶内α′相尺寸同样变得细小。由于电子束焊接能量集中，热输入小，使得焊缝上部、下部及母材Ti、Al、V三种元素的含量基本相当。
　　不同工艺参数下，接头上中下三部分拉伸试样均断裂于母材，抗拉强度达到905MPa，断口呈现微孔聚集型断裂特征。对于未熔透焊缝，由于焊缝根部存在焊接缺陷，使该区域抗拉强度只有300MPa。全熔透焊缝室温冲击韧性平均值达到53.8J/cm2，与沿焊缝方向取样的母材基本相当，表明电子束焊接对于大厚度TC4ELI钛合金具有良好的加工性能。焊缝下部相对于上部侧弯强度更高而弯曲角更小，采用较大直径(7.5倍试样厚度)的压头时，接头可实现180°侧弯。
　　采用减小束流收束段下降梯度和120Hz电子束中频扫描的方法，可有效控制焊缝表面收束坑缺陷及内部气孔缺陷。在合适的重熔工艺下，可有效地对咬边、断束坑、气孔和冷隔等缺陷进行修复。修复后焊缝表面成形良好，焊缝区柱状晶尺寸增大，接头拉伸试样仍断裂于母材，焊缝区抗拉强度有所降低，但对接头强度无不利影响。采用电子束焊接方法对焊接过程中产生的缺陷进行修复完全可行。
　　焊接冷却后，球壳焊缝位置由于焊接热循环的作用表现为拉应力，最大横向拉应力为750MPa，焊缝两侧出现较宽的压应力区。焊缝及其附近区域发生收缩变形，最大变形量达到0.91mm，焊缝两侧区域发生膨胀变形。去应力退火热处理后，球壳结构等效残余应力得到降低，同时，焊缝附近的焊后变形量也有所减小。这表明去应力退火热处理能够有效降低球壳的残余应力和焊后变形，提高其使用性能。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 焊接设备与方法

2.3 分析测试方法

第3章 TC4ELI钛合金EBW接头组织性能分析

3.1 引言

3.2 焊接工艺参数

3.3 不同工艺参数下接头表面及横截面形貌

3.4 接头组织结构分析

3.5 接头力学性能分析

3.6 小结

第4章 大厚度TC4ELI钛合金EBW缺陷控制及修复

4.1 引言

4.2 大厚度TC4钛合金电子束焊接常见缺陷

4.3 大厚度钛合金电子束焊接缺陷控制

4.4 大厚度钛合金电子束焊接缺陷修复

4.5 小结

第5章 大厚度TC4ELI钛合金球壳EBW变形预测

5.1 引言

5.2 电子束深熔焊接模型建立

5.3 大厚度钛合金电子束焊接数值模拟可靠性

5.4 钛合金球壳体电子束焊接温度场与应力场分析

5.5 钛合金球壳体电子束焊接变形预测及控制

5.6 小结

结论

参考文献

声明

致谢