TC4钛合金惯性摩擦焊接头温度场分析

通过对惯性摩擦焊过程摩擦机理的分析 ,讨论了TC4钛合金惯性摩擦焊工艺参数与焊接过程界面摩擦扭矩及能量转换的关系 ,采用热电偶对TC4钛合金惯性摩擦焊焊接过程接头温度分布进行了测试 ,焊接接头沿径向温度梯度很大 ,中心温度接近80 0℃ ,边缘达 136 0℃。通过显微组织分析验证了测量结果 ,焊缝中心为细小的等轴组织 ,沿径向晶粒长大飞边为针片状组织。     

TCA钛合金惯性摩擦焊接头温度场分析

通过对惯性摩擦焊过程摩擦机理的分析，讨论了TC4钛合金惯性摩擦焊工艺参数与焊接过程界面摩擦扭矩及能量转换的关系，采用热电偶对TC4钛合金惯性摩擦焊焊接过程接头温度分布进行了测试，焊接接头沿径向温度梯度很大，中心温度接近800℃，边缘达1360℃。通过显微组织分析验证了测量结果，焊缝中心为细小的等轴组织，沿径向晶粒长大飞边为针片状组织。     

TC4钛合金搅拌摩擦焊连接组织形貌研究

使用搅拌摩擦焊技术成功地实现了TC4(Ti-6Al-4V)钛合金的有效连接,并对焊接接头组织进行了研究.结合TC4钛合金搅拌摩擦焊的特点,分析了TC4钛合金搅拌摩擦焊接头焊合区的组织形貌及特征.结果表明:TC4钛合金搅拌摩擦焊接头焊合区组织为细密的等轴晶组织,焊接过程中焊缝最大温度并未超过相变温度,且经历了很大的塑性变形.焊缝与母材过渡区域存在大量α/β界面相及界面产物,α/β界面相及界面产物会对接头力学性能造成不良影响,应进行焊后热处理予以消除.     

置氢TC4钛合金激光焊接接头超塑变形性能研究

摘 要: 置氢处理可以调节TC4钛合金激光焊接接头超塑性变形组织状态,提高焊接接头超塑变形组织均匀性;本项目采用置氢处理研究了TC4钛合金激光焊纵向焊缝接头超塑性变形行为,是置氢提高钛合金激光焊接接头超塑变形均匀性的基础性研究。主要研究了置氢量对TC4激光焊接接头峰值流变应力、焊板延伸率、组织均匀性的影响。研究表明：激光焊板超塑性变形中的峰值流变应力随含氢量的增大而增大,随变形温度的升高而降低,随变形速率的增大而增大;试样延伸率随含氢量的增大而减小,随变形温度的升高而增大,随变形速率的增大而减小。在含氢量0.291%,变形温度920℃,变形速率10-4S-1时,峰值流变应力最小达到20.7MPA,焊板延伸率达到最大312%。置氢TC4钛合金激光焊接接头可以承受超塑性变形而不破坏,在初始应变速率为10-3S-1和10-4S-1时,试样峰值流变应力低于80MPA。     

TC17线性摩擦焊界面温度分析与测量

焊接过程中的界面温度是研究接头组织形成变化机理的关键参量。根据线性摩擦焊接过程准稳定摩擦阶段焊件中（不包括飞边）准稳定温度场基本保持不变,所产生的热量主要被飞边带走的特点,通过理论分析,求解出了线性摩擦焊接过程准稳定摩擦阶段焊接界面的平均温度,利用半自然热电偶实际测量了TC17钛合金线性摩擦焊接时的焊接界面不同位置的温度变化。结果表明,典型参数下TC17准稳定摩擦阶段焊接界面的实测温度大约为1 228℃,焊后冷却至500℃的速度约52℃/s,准稳定摩擦阶段焊接界面中心点和边缘点的温度相差不超过10℃,界面中心点的升温速率以及降温速率均高于边缘点,测量值与理论计算值相差不超过10%。     

置氢TC4钛合金激光焊接接头纵向焊缝超塑变形性能研究

采用置氢处理的方法调节TC4钛合金激光焊接接头组织状态,以期提高接头超塑变形均匀性,而置氢TC4钛合金激光焊纵向焊缝接头超塑性变形行为的研究是改善结构均匀性的基础。因此针对置氢量对TC4激光焊接接头峰值流变应力、焊板延伸率、组织均匀性的影响展开了研究。结果表明:激光焊板超塑性变形峰值流变应力随含氢量的增大而增大,随变形温度的升高而降低,随变形速率的增大而增大;试样延伸率随含氢量的增大而减小,随变形温度的升高而增大,随变形速率的增大而减小。在含氢量0.291%,变形温度920℃,变形速率10~(-4)s~(-1)时,峰值流变应力最小达到20.7 MPa,焊板延伸率达到最大312%。     

钛/铝异种材料搅拌摩擦搭接焊过程的温度场研究

以2 mm厚TC4钛合金板与6.5 mm厚7075-T6铝合金板为对象,建立了钛上铝下的搅拌摩擦搭接焊有限元模型,利用Abaqus软件模拟了不同转速下焊接过程的温度场,并利用测温试验进行了验证。结果表明,焊接温度峰值位于搅拌头作用区,其值随转速的减小而降低;在本文的试验条件下,焊接速度为30 mm/min,转速小于230 r/min时,搭接界面处的温度峰值低于铝合金的固相线温度,可实现固相下的钛/铝异种材料搅拌摩擦搭接焊。     

TC4钛合金搅拌摩擦搭接焊的温度场模拟

建立了TC4钛合金搅拌摩擦搭接焊的有限元模型,基于温度测试结果设置了搅拌摩擦搭接焊的边界条件,进行了搅拌摩擦搭接焊温度场的数值模拟,并对温度模拟结果与测温试验结果进行了对比。结果表明,温度模拟曲线与实测温度曲线趋势相同,二者的焊接温度峰值相差较小;焊接温度峰值随焊接速度的增加而减小。焊缝温度峰值出现在与搅拌头直接接触的区域,位于搅拌头作用区的后方。焊缝区域的温度场沿板厚方向呈上宽下窄的碗型形貌分布。     

TC4线性摩擦焊过程的功率曲线研究

用自制的XMH-160型线性摩擦焊机进行TC4钛合金线性摩擦焊工艺试验,检测了焊接过程摩擦功率及界面温度的变化曲线,结合焊接过程界面剪切强度的变化曲线,论述了摩擦功率曲线的变化规律,并探讨了TC4线性摩擦焊焊接接头的形成机理.     

振幅对线性摩擦焊接头组织和元素分布的影响

针对航空发动机整体叶盘常用的TC11和TC17钛合金,在线性摩擦焊设备上进行了试件焊接,对TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头进行了金相组织观察和电子探针测试,并测量了焊接过程的温度.结果表明,当其它工艺参数不变时,TC17侧焊合区的宽度随着振幅的减小而变宽,两侧热力影响区的组织沿着受力方向被拉长,而焊核区的组织为动态再结晶组织.Cr元素的浓度变化距离随着振幅的增加而增大.焊接过程的温度可达到1 200℃,超过了钛合金的β转变温度.     

连续驱动摩擦焊制备钛合金管件

采用连续驱动摩擦焊制备了Ti6246钛合金、TA2纯钛管材及TC4钛合金盲孔管,分析了焊接工艺参数对飞边形貌的影响,着重分析了焊接接头在热处理条件下的组织特征与力学性能。研究结果表明,在该研究试验的焊接工艺参数范围内,焊接工艺参数对焊接接头的性能影响很小;Ti6246管材及TA2管材的摩擦焊系数可达0.99;,摩擦焊可以破碎焊合区组织,焊合区组织明显比母材细小;摩擦焊后TC4盲孔管焊合区的组织类型发生改变,从魏氏体组织变为网篮组织,抗拉强度降低60 MPa,但焊接系数仍可达0.94,塑性和韧性优于母材。     

摩擦压力对异质钛合金线性摩擦焊接头界面组织的影响

选用不同摩擦压力对TC11/TC17异质钛合金进行了线性摩擦焊试验.焊后利用扫描电镜对焊接接头微观组织进行了分析.结果表明,摩擦压力越大,摩擦界面获得的焊接热输入量越大,产生的飞边越大.焊缝区宽度随摩擦压力的增大而减小.热机影响区组织变形严重,由被拉长的α相及破碎的β相组成,靠近焊缝附近有明显的再结晶现象.线性摩擦焊接过程中界面温度超过β相转变温度,在焊后冷却过程中β相发生再结晶,产生细小的针状组织.焊缝中的再结晶晶粒随着摩擦压力的增大而变得更加细小.     

TC4钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能

文中阐述了线性摩擦焊的原理、特点,并针对TC4钛合金线性摩擦焊接头组织和力学性能进行了研究.对比分析TC4钛合金线性摩擦焊接头焊态和焊后热处理态的接头组织和力学性能.结果表明,焊接接头共分为母材、热力影响区和焊缝区三部分;TC4钛合金的接头(包括焊态和焊后热处理态)抗拉强度和屈服强度均达到母材的90%以上;焊缝中心的硬度值最高,焊后热处理能使接头的硬度分布更加均匀.     

TC4线性摩擦焊接头氧化物的组织特征

进行了TC4线性摩擦焊焊接试验,观察了一定焊接条件下,TC4钛合金线性摩擦焊接头氧化物组织的形态、组成、分布特点及组织特征.结果表明,其氧化物一般呈旋涡状及连续的带状分布,在其周嗣存在较多的未焊合的孔洞;氧化物的成分主要由TiO2及Al2O3组成,其硬度比TC4母材高;氧化物组织由细小的孪晶状的TiO2及弥散分布的呈点状的TiH组成.     

异质钛合金线性摩擦焊接头形成过程及组织特征

对TC4和TC17异质钛合金线性摩擦焊接头形成及接头组织特征进行分析,并测量了动态平衡阶段的界面温度.结果表明,在摩擦初期界面容易产生大的磨损颗粒,摩擦过渡阶段两侧基体材料产生大的塑性变形,大的磨损颗粒被细化,摩擦界面开始产生高温粘塑性金属;动态平衡摩擦阶段高温粘塑性金属被均匀的挤出界面形成飞边,焊后界面两侧组织被细化.测温结果显示,摩擦过程中界面温度超过1 200℃,高于两基体材料的相变温度,TC17侧焊缝中形成再结晶β晶粒,TC4侧形成典型的魏氏组织,焊缝两侧的热力影响区产生明显的变形,组织均被拉长.     

钛合金线性摩擦焊接头焊接缺陷分析

本文选用几种不同工艺参数对TC17钛合金进行线性摩擦焊试验。采用填埋热电偶的方法测量焊接过程中界面温度,运用光学显微镜、扫描电子显微镜等测试手段对接头焊接缺陷进行深入分析,利用显微硬度仪测量了两种不同参数下接头的显微硬度分布。研究表明：当振幅a=1mm时,焊接过程中热输入严重不足,无法得到良好的焊接接头,焊接过程中界面最高温度仅达到相变点附近,而采用a=3mm焊接时,界面温度可以达到1170℃。振幅a=1mm得到的TC17(α+β)/TC17(β)钛合金线性摩擦焊接头界面会出现孔洞、磨损颗粒、氧化物及夹杂、局部未焊合等焊接缺陷。显微硬度测试结果表明：在a=3mm参数下接头焊缝中心显微硬度值最低,相反残留氧化物及夹杂的存在使得振幅a=1mm时得到的接头焊缝中心显微硬度值达到最大。     

TC4钛合金不同焊接工艺下组织性能对比

采用单激光焊、激光-填丝焊、激光-MIG焊对TC4钛合金进行焊接,对比各焊接工艺下组织性能差异。结果表明:3种焊接方法的焊缝组织都主要为α′+β网篮状组织,热影响区为α′+β相分布于α相间,激光-MIG焊相对于单激光、激光填丝焊焊缝网篮状组织尺寸较大,分布规则、连续,热影响区α′+β相比例较高。对3种接头进行力学性能测试,所得到的焊缝的强度均要高于母材,激光-MIG焊缝的硬度、抗拉强度最低,不同焊接方法抗弯强度无明显变化。     

TC4钛合金感应加热钎焊有限元分析

利用ANSYS有限元模拟软件,建立了TC4钛合金感应加热钎焊数值分析模型.建模时,充分考虑了感应电流的集肤效应及磁场的边缘效应.计算中,考虑了材料的非线性,运用了APDL参数化设计语言,利用多步嵌套循环实现磁-热耦合,最终得到了相应的电磁场、温度场分布情况.从模拟结果可知,磁力线随焊件与感应线圈间距增大变稀疏:焊件最高温度出现在焊件侧表面附近,最低温度出现在焊件上表面;焊件侧表面升温速率(加热速度)逐渐减小,焊件上表面升温速率先增加后减小,最终焊件各处升温速率将趋于相等.上述模拟结果将对TC4钛合金感应加热钎焊试验过程提供可靠理论依据.     

铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟及参数影响分析

对10 mm厚6061-T6铝合金,应用有限元软件COMSOL建立了搅拌摩擦焊有限元模型,模拟搅拌摩擦焊稳态温度场并分析焊速、转速变化对温度场影响。结果表明:温度分布曲线在x、y方向呈非对称的M型,返回侧峰值温度比前进侧峰值温度低约10℃,搅拌头后侧峰值温度比搅拌头前侧峰值温度高约25℃;焊接速度越大,峰值温度差值越大,转速越大,峰值温度差值也越大。焊接速度不变,转速等值增加时,x、y方向温度分布曲线等值上移,具有一定的平行性和相似性。转速不变,焊接速度等值增加时,x、y方向温度分布曲线以越来越小值下移。与转速相比,焊接速度改变对椭圆形的热影响区改变大,对椭圆率改变明显,对温度场影响显著。     

边界散热条件对TC4线性摩擦焊接温度场的影响

基于ABAQUS软件建立了线性摩擦焊二维热力耦合数值模型,研究了边界散热条件对TC4钛合金线性摩擦焊接头温度场的影响。结果表明,在摩擦阶段,边界散热条件对TC4钛合金线性摩擦焊的接头最高温度及高温分布区域没有影响。在冷却阶段,边界散热条件对接头温度场呈现不同影响,在初始5 s内,边界散热条件对接头温度场几乎没有影响;在接头冷却5 s后,散热条件对接头温度场的产生了显著的影响,在冷却100 s时刻,A、B和C散热条件下接头最高温度分别为181℃、61℃和23℃。