ZTC4合金电子束焊接接头显微组织及力学性能研究

以ZTC4钛合金电子束焊接接头为研究对象,通过显微硬度试验、金相分析以及常规力学性能试验,讨论了电子束焊接接头不同位置的组织、形态差异,探究显微组织与接头显微硬度的相关性,以及电子束焊接接头的拉伸性能和冲击性能。通过组织分析及显微硬度测试发现,ZTC4合金电子束焊缝微观组织由原始β相转变为针状α'相,即针状马氏体,其热影响区组织为片状α相与原始β相的混合物,且焊缝处显微硬度最高,热影响区其次,母材最低。通过力学性能测试发现,电子束焊接接头的拉伸和冲击性能与母材相当,说明采用电子束焊接ZTC4可以得到力学性能良好的焊接接头。     

TA12钛合金电子束焊接的显微组织和力学性能

采用电子束焊接对10mm TA12钛合金进行了焊接,焊缝表面形成良好.对TA12钛合金电子束焊接试样进行了金相分析和静力试验、冲击试验和扫描电镜(SEM)分析.结果表明,焊接接头熔合区、热影响区和母材区的微观组织差别明显;随着等轴α相体积分数的减少,接头塑性和冲击韧性值降低,但是拉伸强度变化不大.     

双光束激光焊钛合金T形接头的组织特征与力学性能

利用双侧激光同步焊接的方法获得TC4合金T形接头,对接头进行光学显微组织观察以及拉伸性能测试,分析了接头的显微组织与力学性能。结果表明,T形接头母材显微组织为α+β等轴组织。焊缝区显微组织由粗大的β柱状晶和网篮状马氏体组成,蒙皮侧焊缝区柱状晶和马氏体晶粒比加强筋侧细小。热影响区显微组织由细小的针状马氏体、针状α相和少量等轴初生α相组成,蒙皮侧热影响区比加强筋侧窄。T形接头焊缝区拉伸强度大于母材,接头拉伸断裂均发生在离焊缝中心较远的母材上。     

TC4钛合金电子束焊接头微观组织结构和演变分析

利用OM、SEM、EDS和EBSD方法对TC4合金电子束焊接头的微观组织结构进行了分析。结果表明:电子束焊接后,接头微观组织结构发生显著改变。焊缝区为内含针状马氏体α’组织的粗大柱状晶,部分取向差集中于62.5°附近,表明较多α/α边界由同一β相晶粒产生。热影响区微观组织结构复杂,母材侧热影响区,经焊接热循环,原始择优取向特征消失,出现等轴特征,组织由原始α相、原始β相、块状α相和少量的针状马氏体α’组织组成,部分取向差集中于40.0°附近,表明较多的α相在不同的β相晶粒中产生。焊缝侧热影响区,因热循环峰值温度超过β相转变温度,且冷却速度较快,产生大量的针状马氏体α’组织以及少量块状α组织,部分取向差集中于62.5°附近,表明较多α/α边界由同一β相晶粒产生。     

Ti-6Al-4V电子束焊接焊缝区域精细组织特征

采用OM,XRD,EPMA,TEM分析了电子束焊接Ti-6Al-4V焊缝区域的精细组织结构特征。结果表明接头区域组织形态由基体等轴晶向焊缝柱状形态演化,焊缝区域呈现单一α′网篮状组织,TEM板束形态呈多向分布,焊缝区域的位错分布密度与基体母材相比呈现出减小的趋势,且熔合线附近存在V,Fe等β稳定元素浓度起伏现象。     

TC4钛合金激光窄间隙焊接工艺与组织特征研究

使用IPG YLS-5000多模光纤激光器实现了12mm厚TC4钛合金光纤激光窄间隙焊接,优化了焊接工艺,并对焊缝组织和显微硬度进行了分析.结果表明:激光窄间隙焊接容易产生气孔和侧壁未熔合缺陷,优化后的焊接工艺能显著减少气孔并消除未融合缺陷.母材显微组织为典型的等轴组织,焊缝区显微组织由粗大的β柱状晶和网篮状马氏体α'组成.热影响区晶粒尺寸明显细化.热影响区组织由细小的针状马氏体α'、转变α组织和β转变组织构成.焊缝区和热影响区的显微硬度高于母材,近焊缝热影响区显微硬度达到最大值.     

TC21细晶钛合金TIG焊接接头组织及力学性能研究

开展了不同晶粒尺寸的细晶粒TC21钛合金的TIG焊接实验,研究了母材及接头组织和力学性能。结果表明：细晶粒TC21钛合金TIG焊接接头抗拉强度达到母材的95％左右,焊接性较好;但是焊接接头脆化严重,伸长率和断面收缩率均较低。焊缝中心和热影响区组织相似,为α’马氏体组织。相同焊接规范下,21μm的细晶TC21合金焊缝及热影响区为片状或长粒状α’组织;而7μm的细晶TC21合金接头中α’丛的尺寸较小且相互交错,形成针状或短粒状α’组织。硬度测试表明：靠近母材的热影响区细晶区存在一个软化区,该区域硬度最低,而焊缝中心与热影响区粗晶区分界处（细晶过渡区（FTZ））也存在硬度的下降,不过此区域下降幅度不大。常温拉伸断口呈准解理断裂特征,随着母材晶粒度的增大,焊接接头解理特征越明显。     

2219铝合金厚板TIG焊接头组织与力学性能研究

采用氦弧打底+氩弧填充、盖面的焊接工艺对2219-T87铝合金15 mm厚板进行TIG焊接试验，研究其焊缝成形和组织力学性能。结果表明，此工艺焊缝成形美观，无可见焊接缺陷，气孔抑制效果好，接头平均抗拉强度为278.22 MPa，平均断后延伸率为3.89%，接头平均强度系数达到58.94%。接头硬度整体表现为焊缝中心最低，从焊缝中心到母材呈现先增大后局部降低再增大的趋势；且焊缝中心填充层硬度高于打底层和盖面层。熔合区的微观组织为柱状树枝晶和胞状树枝晶，且垂直于熔合线生长，在靠近熔合区两侧出现了等轴细晶带。焊接接头断面有较多撕裂棱和韧窝，局部发现第二相粒子和微孔，其断裂机制为典型的韧性断裂。     

Ti3Al基合金与Ti-6Al-4V合金的电子束焊接

研究了Ti3Al基合金和Ti-6Al-4V钛合金板材的电子束对接焊缝的组织和性能.焊后未热处理的熔合区的组织主要为无序的β和少量的α相,经焊后热处理的熔合区组织含有α,α2,β/B2等相.焊接熔合区的强度和硬度均高于两侧母材,经焊后热处理,熔合区的显微硬度下降.焊后未热处理和焊后热处理试样的拉伸性能均良好.     

铝钛异种合金电子束焊接接头组织与界面分析

采用真空电子束技术获得了7075铝合金和TC4钛合金异种接头。分别通过金相显微镜、扫描电镜和能谱分析仪等检测仪器观察了焊接接头的宏观形貌、微观组织特征和元素分布情况,同时分析了过渡层中金属间化合物的形成过程及其影响因素。试验结果表明:熔合区铝合金侧微观组织以柱状晶、等轴晶组织为主,还有少量的细晶组织,钛合金侧会析出呈针状或片层状的α相和α'相。由于Ti Al3的自由能最小,在铝焊缝和钛焊缝的界面生成的金属间化合物主要成分为TiAl3,元素扩散不充分导致少量的Ti Al、TiAl2等中间相生成,且随着热输入量的增加,金属间化合物层逐渐变厚,但化合物种类不变。试验结果为铝钛异种合金焊接界面研究提供了借鉴参考。     

基于Tanaka-Mura模型的电子束焊接头疲劳裂纹萌生模拟

为揭示高温合金电子束焊接头的疲劳特性,对其开展了疲劳裂纹萌生数值模拟研究。考虑焊缝区微观组织特性,对Voronoi图法进行改进,建立了焊缝区包含柱状晶、细等轴晶及粗等轴晶的混合晶区微观组织模型;对ABAQUS进行二次开发,考虑晶粒随机取向,生成晶粒多滑移带模型。基于Tanaka-Mura位错滑移模型,编写了疲劳裂纹萌生算法,考虑晶界处裂纹的连接与合并,对算法进行了改进,并结合有限元计算建立了电子束焊接头疲劳裂纹萌生数值模拟方法。基于上述方法对GH4169电子束焊接头不同载荷大小的疲劳裂纹萌生进行数值模拟,分析了裂纹萌生过程及萌生寿命,并与试验结果进行对比验证;还探讨了不同热影响区晶粒尺寸对焊接接头疲劳裂纹萌生的影响规律。结果表明,电子束焊接头疲劳裂纹均萌生于热影响区,但随着载荷水平的提高,萌生位置向熔合区一侧靠近;当热影响区晶粒尺寸与母材区晶粒尺寸越接近时,接头疲劳寿命越长。     

激光焊接ZL114A/5A06 异种铝合金接头组织及性能

采用激光焊接ZL114A/5A06异种铝合金,通过参数优化以获得性能优良的焊接接头,利用光学显微镜(OM)、拉力试验机、高温疲劳试验机、SEM和EDS对接头的显微组织、力学性能和拉伸断口进行了研究。结果表明:焊缝中心区的金相组织为等轴晶;接头焊后不经热处理,抗拉强度可达到265 MPa,为母材强度的80%以上,并有很好的抗疲劳性能;断口分析显示断裂位置在ZL114A母材一侧的熔合线附近;在保证焊透的前提下,激光功率越小,晶粒越细小,接头强度越高。对框架蒙皮结构铝合金贮箱产品试验件进行了焊接,试验件达到了产品各项性能指标要求。     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊接头组织特征及其形成机制

研究TC4-DT损伤容限型钛合金线性摩擦焊(linear friction welding,LFW)接头的组织特征及形成机制。利用光镜和扫描电镜对接头各区域微观组织进行表征,利用显微硬度计测试接头的显微硬度分布。结果表明:接头焊缝区(WZ)发生动态再结晶,焊接过程中WZ温度超过β转变点,焊后快冷的条件下发生了β→α′及β→α两种相变并析出了大量α′马氏体以及二次层片α;TC4-DT钛合金母材(BM)组织具有较高的变形抗力,使得接头形成的热力影响区(TMAZ)较窄。TMAZ内组织在强烈的热力耦合作用下拉长变形并破碎,焊后快冷的条件下析出少量α′马氏体及大量二次层片α;毗邻TMAZ的热影响区(HAZ)基本保留了BM不同位向的α集束的组织特征,但受热的影响α集束内α/β相界两侧元素相互扩散,层间β消耗,初生α长大;WZ组织的细晶强化和第二相强化,TMAZ组织的应变强化和第二相强化,以及HAZ内α相的长大使得接头上述区域显微硬度均高于BM。     

铝合金熔化极焊接接头组织分区

目前铝合金熔化极气体保护焊接头传统分区过于简单,难于表征解释接头性能及组织演变。本文采用彩色金相腐蚀观察技术,结合焊接热循环特征,进一步把铝合金焊接接头分为焊缝、未混合区、部分熔化区、真实热影响区、母材等区域。对各区微观组织特征进行观察分析,阐述未混合区的形成机理,部分熔化区的晶界液化现象,多层多道焊缝组织的影响规律。结果表明控制热输入,制定合理焊接工艺,减少高温停留时间,控制焊缝稀释率,设计合理的焊接接头,合理控制焊接接头组织对于提高厚板铝合金焊接接头力学性能具有重要意义。     

2219厚板铝合金TIG和MIG焊接接头组织与性能对比研究

对15mm厚2219-C10S铝合金分别进行钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）对接试验,对接头焊缝成形、内部质量、组织形貌及力学拉伸性能进行对比分析。结果表明：TIG焊缝表面光亮洁净,鱼鳞纹美观,焊缝内部近无缺陷,MIG焊接头焊缝飞溅较多,焊缝表面较为粗糙,焊缝内部存在少数单个小气孔。TIG焊缝晶粒尺寸较为细小,分布均匀,MIG焊盖面的焊缝组织晶粒则比较粗大,分布不均,热影响区比TIG焊接头的晶粒更为粗大。两种接头的熔合区组织不均匀,晶粒大小不一。常温拉伸试验中,两种接头均沿熔合区断裂,TIG焊接头强度和塑性要优于MIG接头。     

TA15钛合金电子束焊接接头不同区域的疲劳裂纹扩展行为研究

对TA15电子束焊接接头的熔凝区和热影响区的显微组织、硬度、疲劳裂纹扩展速率、以及疲劳断口形貌进行了研究。结果表明:熔凝区的显微组织主要为粗针状α′马氏体组织,热影响区组织为α′马氏体组织+条片状的α相和β相,由接近熔凝区组织向母材组织过渡。母材的硬度较低,熔凝区平均硬度最高,热影响区的硬度介于两者之间。疲劳裂纹扩展速率高低与其显微组织密切相关,含塑性较好的片状α相较多的热影响区比熔凝区有较高的裂纹扩展抗力。     

Microstructures and fatigue properties of electron beam welds with beam oscillation for heavy section TC4-DT alloy

With the development of the manufacturing technology, electron beam welding（EBW） is capable of producing titanium alloy large parts in aero fields. To increase the applications and improve the properties, EBW with beam oscillation was investigated on TC4-DT alloy with50 mm thickness. We detected the welding samples by X-ray NDT, observed the microstructures of the welds, and tested the fatigue properties of the joints. The results showed that EBW with beam oscillation improved the weld morphology as well as welding quality, and the microstructure homogeneity of the welds and HAZ along the weld penetration were also improved. The fatigue properties of the joints with beam oscillation were more excellent than those of conventional EBW, even equal to those of the base metal under high stresses. The influences of the processing and the microstructure on the properties with beam oscillation were discussed.     

铜/镍箔中间层对铝/钢激光焊接接头组织与力学性能的影响

研究以Ni、Ni/Cu箔片为中间层的铝/钢异种金属激光焊接行为,系统考察Cu/Ni箔片复合中间层的添加对铝/钢异种激光焊接接头组织与性能的影响。利用扫描电子显微镜和能谱仪对焊缝横截面的组织形貌和各区域的元素分布进行观察分析,利用X射线衍射仪对焊接接头的主要物相进行分析,并利用电子万能试验机对焊接接头进行拉伸实验以表征其力学性能,结果表明:Cu/Ni箔片做复合中间层加入时,其中加入0.02 mm厚Cu箔片时焊接接头的最大剪切力提高至1754.72 N;加入0.05 mm厚Cu箔片时的最大剪切力为734.97 N,相比只添加Ni箔片时焊接接头的最大剪切力反而下降。Cu箔片的添加使得铝/钢界面的物相组成、元素分布和微观组织形态发生改变,同时增加了熔池的流动性。在靠近不锈钢侧的Fe-Al脆性相中的部分Fe原子被Cu原子取代生成新的二元韧性相,从而抑制Fe-Al二元脆性金属间化合物的生成,有效改善铝/钢的焊接性。因此,Cu/Ni箔片复合中间层的加入,可以有效地改善铝/钢异种激光焊接过程中的冶金反应,进而提高焊接接头的力学性能。     

TC17钛合金焊接接头组织与力学性能分析

对TC17钛合金薄板采用氩弧焊和电子束焊两种焊接方法焊接,进行了拉伸试验,结合拉伸试验结果与断口形貌,对比分析了力学性能与焊接接头组织之间的联系。研究结果表明,TC17钛合金在经历TIG焊接热循环后,焊缝及靠近焊缝的热影响区晶粒粗化,电子束焊接头热影响区较窄且没有粗晶区形成;两种焊接试样抗拉强度均与母材等强;相对延伸率有所降低,主要是热影响区及焊缝的组织变化所致;氩弧焊焊缝组织较不均匀性更为显著。