晶粒尺寸对钛合金TIG焊接接头组织及力学性能的影响

进行了2μm及8μm,19μm三种晶粒尺寸的细晶粒TC4钛合金常规TIG焊试验,分析了母材晶粒尺寸对钛合金焊接接头组织转变规律及力学性能的影响。结果表明,细晶粒TC4钛合金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,随着晶粒尺寸的减小,焊缝中心和热影响区组织由编织(网篮)状α组织向片状组织过渡;随着晶粒尺寸的减小,热影响区晶粒长大越来越明显,热影响区细晶区(FHAZ)明显变窄,热影响区粗晶区(CHAZ)明显变宽,焊缝—热影响区—母材的晶粒梯度增大,焊接接头三区域晶粒过渡越来越差;随着晶粒尺寸的减小,焊接接头拉伸强度和伸长率均有不同程度的提高。常温拉伸断口呈准解理断裂特征,随着母材晶粒度的增大,焊接接头解理断裂特征越明显。     

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。     

活性焊剂和热处理对TC17钛合金TIG焊接头组织和性能的影响分析

为了探明焊后热处理过程和焊前涂覆活性剂对TC17钛合金TIG焊接接头性能的影响,对不同状态的焊接接头进行了拉伸试验和硬度测试,并采用光学显微镜和扫描电镜观察焊接接头组织和拉伸断口形貌。结果表明,焊前涂覆活性剂可以有效防止焊缝出现气孔缺陷,降低焊接热输入,减少热影响区晶粒粗化倾向,同时减少焊接热影响区晶粒在宽度方向的不均匀性。焊后热处理使焊接接头Sn、Zr等元素扩散均匀,接头组织得到显著强化。对TC17板材,焊前涂覆活性剂,并且进行焊后热处理,可以获得良好的接头组织和性能。     

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。     

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。     

2219-T87/T852铝合金异质接头力学性能弱化及断裂机制

开展了航天贮箱用2219-T87和2219-T852铝合金变极性钨极氩弧焊接研究,通过拉伸试验确定了接头力学强度薄弱区,对接头焊缝晶粒特征、晶界偏析及强化相分布等微观组织分析,阐明接头力学性能弱化及断裂机制。结果表明,接头在-196℃低温条件下平均抗拉强度为314 MPa,平均延伸率为5.68%,接头力学强度薄弱区为2219-T852侧熔合区。在拉伸过程中,接头背部焊缝打底层边缘首先发生起裂,沿熔合区向上扩展,最终断口呈现混合断裂模式。微观组织分析表明,在接头力学强度薄弱区,组织为非均匀过渡混合晶粒特征,晶界偏析造成的沿晶共晶相呈粘连网状分布,基体强化相大量溶解与粗化,共同导致了接头强度和塑性的显著下降。     

铌合金与不锈钢异种金属焊接技术研究进展

铌与不锈钢作为重要的结构材料,在航空航天领域得到广泛应用。然而,二者焊接时容易生成脆性金属间化合物且接头内部焊接残余应力大,容易引发接头开裂。本文针对铌合金与不锈钢焊接的研究现状,综述了目前铌与不锈钢主要连接方式：爆炸焊、钎焊和熔焊等。爆炸焊和钎焊虽然能够抑制焊接裂纹,但爆炸焊接复杂的焊接工艺和钎焊较低的接头强度难以满足铌/不锈钢复合结构的应用需求。熔化焊接接头残余应力大,焊缝内部存在较多脆性Nb-Fe金属间化合物,导致接头力学性能较低。针对上述问题对铌合金与不锈钢熔化焊接进行了展望：开展有限元模拟工作指导焊接工艺优化,向焊缝中引入第3组元改善铌与不锈钢的焊接性并探索合理的热处理工艺提高接头强度。     

AZ31B变形镁合金激光-MIG复合焊焊接组织和性能分析

采用激光-MIC复合焊对10mm厚的AZ31B变形镁合金进行焊接.利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等手段分析了焊接接头的外观和截面特征、显微组织、元素分布、焊缝物相和断口形貌等,并检测了接头区域硬度和接头强度.试验结果表明:采用激光-MIG复合焊能获得成形美观的焊缝,无明显的缺陷;焊缝热影响最大宽度位于激光区,约为100μm,焊缝组织为15～25μm的等轴晶粒;相比于母材,焊缝区的镁元素出现烧损,铝和锰元素的比例有一定增加;焊缝区主要为Mg,Al和少量的MgO相.焊接接头硬度值较均匀;焊缝抗拉强度达到222MPa,断口形貌为混合断裂断口.     

GH3044线性摩擦焊接头组织特征及其形成机制

进行了固溶强化型镍基高温合金GH3044线性摩擦焊接试验,光镜与扫描电镜组织观察、EDS成分分析及拉伸测试表明,接头中焊缝与热力影响区晶粒明显细化,碳化物分布发生改变使焊缝与热力影响区均可见明显流线,但未对接头拉伸强度造成影响,接头拉伸强度与母材相当。EBSD分析表明,接头主要发生了不连续动态再结晶,并伴随部分连续动态再结晶及静态再结晶,使焊缝与热力影响区中小角度晶界比例大幅增高,孪晶界大幅减少。热力影响区中小角度晶界比例更高,是因为该区形成较强织构而焊缝区再结晶更为充分。     

TiAl/TiAl、TiAl/TC4真空电子束焊接头组织及缺陷分析

采用电子束焊接方法对航空航天用的新型结构材料TiAl合金的自体及与TC4的异体对接接头进行了焊接试验,并利用光学金相和元素能谱分析方法(EDS)对TiAl/TiAl及TiAl/TC4电子束焊接接头的组织结构和连接状况进行了研究.研究结果表明TiAl/TiAl的焊缝组织为铸态TiAl柱状晶组织,焊缝内部及熔合线热影响区附近有大量冷裂纹产生,接头强度恶化;过高的焊接速度及粗晶的TiAl母材是导致TiAl/TiAl接头中产生裂纹的主要原因;TiAl/TC4焊缝为近Ti3Al的支晶混合组织,因TiAl与TiAl相比具有较好的延塑性,从而使TiAl/TC4焊缝的抗裂性能提高,接头中未见有冷裂纹出现,这说明TiAl/TC4接头拥有比TiAl/TiAl接头更好的电子束焊接性.     

TC17 合金焊接接头显微组织与疲劳裂纹扩展特性

研究了TC17钛合金惯性摩擦焊焊接接头的疲劳裂纹扩展规律,并利用光学显微镜、扫描电镜对材料的显微组织和断口形貌进行分析。结果表明:TC17钛合金母材为α+β网篮状组织,晶粒较大;焊缝区和热影响区内可以看到明显的原β相晶界,焊缝区的原β晶粒较细小,热影响区的原β晶粒较粗大,晶粒内部存在细小的α相。在室温下,当ΔK≤15 MPa.m1/2时,焊缝区疲劳裂纹扩展速率较小,而当ΔK≥15 MPa.m1/2时,焊缝区的扩展速率最大,其次是热影响区,母材的裂纹扩展速率最小;在高温下,焊接接头各部位的裂纹扩展速率相差不大,均小于室温。     

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。     

铝合金搅拌摩擦焊后人工时效力学性能数值模拟

采用KWN模型构建搅拌摩擦焊接中Al-Mg-Si系铝合金沉淀相演化计算模型,通过将屈服强度分为晶粒大小、固溶相和析出相三部分贡献,可以计算平板搅拌摩擦焊后的屈服强度和硬度。进一步研究不同焊后人工时效条件下,焊接平板力学性能变化的机理。结果表明:更长的焊后保温时间有利于搅拌区力学性能的回复;较高的保温温度有利于搅拌区力学性能的快速回复,但是当温度高于200℃时,长时间保温会使母材软化,不利于力学性能回复;通过焊后人工时效不能明显改善热影响区的力学性能。     

2219 T852过渡环与T87箱筒段电子束焊接接头性能

基于贮箱用2219 T852整体过渡环与T87箱筒段的电子束环焊缝,开展了部段级电子束焊接接头常、低温力学性能测试,同时对焊接接头错缝量、断裂类型及金相组织进行了分析。研究结果表明:部段级常、低温2219 T852与T87电子束焊接接头的强度影响系数为0.63,低温状态下焊接接头的力学性能比室温状态下有所提高;错缝量与焊接接头力学性能成反比,其中对延伸率影响最为显著,低温有助于缓解错缝对焊接接头力学性能的弱化影响;电子束焊接接头组织不均匀性和结构形貌上的不连续性,特别是T852侧热影响区晶粒粗大,导致T852侧热影响区和焊缝接头根部为电子束焊缝的薄弱区域,焊接接头极易在该区域发生断裂。     

TA15钛合金电子束焊缝形貌及其组织研究

采用不同工艺参数对TA15钛合金进行电子束焊接,通过观察焊缝形貌、测量其形状参数研究了焊接接头形貌的变化规律,并分析了焊接接头组织。结果表明:增大电子束流时,熔深、半熔深熔宽、焊缝宽度都增大,焊缝横截面的形状从"钉形"转变为"钟罩形";增大焊接速度,对焊缝形状影响不大,熔深、半熔深熔宽及焊缝宽度均减小,深宽比先增大后减小;聚焦电流的增大对熔深作用较明显,半熔深熔宽及焊缝宽度变化不大;扫描幅值的增加使焊缝熔深减小,半熔深熔宽增大。靠近母材的热影响区组织与母材组织相近,主要由初生等轴状α相及转变β相组成,并出现针状(α+β);靠近熔合线的组织由α相和针状(α+β)相构成,并出现α'马氏体;熔合区组织由α'组成,熔合线周围柱状晶垂直于焊缝中心生长,并在焊缝中心形成单列或多列的等轴状晶。     

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。     

铝合金厚板FSW焊缝成形及金属流动行为分析

采用三角平面圆锥形搅拌针焊接20 mm厚的铝板,分析工艺参数对焊缝成形及金属流动特征影响。随着旋转速度增加,单位时间内金属迁移量增大,焊核区面积增加,疏松区面积减小至消失;而过大的旋转速度反而使疏松缺陷再次出现。适当减小焊接速度,增大单位长度内焊缝热输入,改善焊缝成形,但焊接速度过小易导致焊缝上部受热过多,疏松区及内部孔洞变大。在合适的参数下焊接时,瞬时空腔的出现可使更多塑化金属绕搅拌针做圆周迁移,即提高了沿水平方向的“抽吸-挤压”效应,改善了金属流动性,减少甚至消除焊缝内部缺陷。