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《陕西理工大学》 2020年
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添加Cu中间层的TA0/Q235异种金属连接机理研究

边婧如  
【摘要】:钛/钢复合板采用爆炸焊接成形,且制造成本低兼具钛的高耐腐蚀性和钢的优良力学性能等优点而广泛应用于机械化工、海水淡化、电厂脱硫、油气储运等领域。钛/钢异种金属在熔化焊接高温下生成脆性大的TiC、Ti-Fe相,而且钛和钢异种金属热物理性质差别较大,高温下产生较大的内应力,进而使得焊缝开裂形成冷裂纹。基于此,钛/钢异种金属不能在工程中采用熔化焊直接焊接。工程中,钛/钢复合板采用分层焊接,钛和钢熔体在高温下不接触,不形成冶金结合,焊接强度低,气密性差,仅能够用于对强度和气密性要求低的烟囱的焊接,如制作火电厂烟囱内筒烟道口。本文拟开发钛/钢异种金属等离子焊接工艺使得钛/钢异种产生冶金结合,提高接头强度和气密性,促进钛/钢异种金属焊接在海水淡化用压力容器、石油输送管道等领域的应用。本文针对工业中常用的TA0纯钛与Q235低碳钢异种金属进行了等离子熔覆,采用直流等离子焊机和自行设计的同轴送粉系统,精确控制铜中间层、钛层的厚度,并采用自行设计的气体保护系统,避免钛高温氧化。分析了无中间层与添加中间层的不同条件下,TA0与Q235钢异种金属的可焊性;研究了纯铜作为中间层的条件下,焊接电流(85,90,95,100,105 A)、焊接速度(18,19,20 cm/min)对接头微观组织和力学性能的影响。研究结果表明:在Q235钢基体上采用等离子直接焊接TA0纯钛粉末时,焊缝表面出现明显的裂纹,钛层甚至脱落,两者无法实现可靠的连接。采用Cu作为中间层材料,等离子焊接电流大于90 A时,该焊接工艺能够有效抑制接头中脆性相和焊接裂纹的形成;当焊接电流小于90 A时,焊接电流过低,焊接热输入不足,Cu粉未能够充分与钢基板熔合,使得局部区域未形成连续铜中间层,未能阻隔钛和钢高温下物理接触,进而局部区域形成裂纹;焊接电流为100 A时,焊缝成形性最好,钛焊接层、铜中间层、钢基板之间呈良好冶金结合,铜熔覆层、钛熔覆层显微组织分别为细针状树枝晶、柱状树枝晶;不同焊接电流下接头硬度整体变化趋势相似,铜/钛界面附近硬度最高,当焊接电流为100 A时,硬度达到了最大值(448 HV_(0.2))。当等离子焊接速度在18-20 cm/min时,焊缝表面成形良好,焊缝内部未出现裂纹、未熔合、氧化夹杂等缺陷。随焊接速度的增大,焊缝宽度变窄,晶粒变细。当焊接速度为18 cm/min时,硬度达到(441 HV_(0.2))。温度是影响钛/钢异种金属等离子熔覆和焊接接头金属间化合物的动力学的关键因素,焊接应力也是导致钛/钢异种金属等离子熔覆和焊接接头产生冷裂纹的重要因素。为了揭示钛/钢异种金属等离子焊接和熔覆接头形成机理,进行了钛/钢异种金属等离子熔覆和焊接温度场和应力场的数值模拟。通过对温度场有限元数值模拟也发现,等离子热源的高温停留时间短,热输入较低。当钛/钢直接熔覆时,焊缝温度为2753℃,焊接温度梯度大,而采用铜做为中间层时,最高温度下降到2276℃,温度梯度明显减小。对应力场进行模拟发现,TA0与Q235钢直接熔覆时,焊接残余应力达到886 MPa,添加中间层Cu后残余应力减小到792 MPa。Ti/Q235钢异种金属等离子焊接头的温度场和应力场有限元数值模拟也发现类似规律。Ti/Q235钢异种金属熔覆相对于Ti/Q235钢异种金属焊接,材料熔化量更多,使得熔覆过程中的最高温度和应力值变大。Ti/Q235钢异种金属等离子熔覆和焊接温度场研究均表明,Cu中间层良好的散热能力使得TA0/Q235钢异种金属等离子焊接接头的最高温度降低、冷却速度变大有效抑制脆性相的产生,组织调控效果明显;应力场结果表明,添加Cu中间层后接头的拉应力幅值减小、应力梯度减小,使得接头产生冷裂纹倾向降低。
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