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《中国工程物理研究院》 2009年
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铍激光焊接性研究及焊接过程微观组织模拟

李玉斌  
【摘要】: 铍具有低密度、高熔点、高比强度等优点,成为功能结构材料领域关注的焦点,广泛地运用在航空、航天和核工业中。但铍焊接过程中易形成焊缝区和热影响区裂纹、气孔等缺陷,成为阻碍铍应用的关键问题之一。 本文采用激光焊接方法,在对采用不同填充金属(AlSi合金、Al、非晶态材质、Zr+AlSi+Zr)的铍-铍激光熔焊接头组织结构观察分析及接头性能测试基础上,获得铍焊接接头组织结构与力学性能间的关系,研究不同填充金属与铍激光熔焊时的组织形成规律,对其接头组织结构及性能进行对比分析。从理论上探讨上述四种材质作为铍激光焊接填充材料的可行性,以指导工艺参数优化。采用数值模拟与实验相结合,通过确定和概率模型,建立宏微观藕合模型,对焊接熔池凝固和热影响区晶粒长大过程的微观组织进行数值模拟研究,实现计算机再现激光焊接接头微观组织演化规律。 AlSi合金、Al、ZrTiNiCuBe非晶、Zr+AlSi+Zr叠层为填充材料的铍焊接接头微观组织形成机理认为:AlSi合金、Al为填充材料焊接的焊接接头熔合区和焊缝区由铍与填充金属形成了类似复合材料的双相组织。当焊缝中铍含量小于70%,随铍含量增加,铍分布形态为分散晶粒结构或聚集晶粒结构,能够很好地改善铍的焊接性。获得了高焊深的Be/AlSi/Be和Be/Al/Be激光焊接接头(Be/AlSi/Be:焊深0.6mm,焊接工艺为预热温度393K、线能量114J/mm。Be/Al/Be:焊深0.4mm,焊接工艺为预热温度393K、线能量120J/mm);ZrTiNiCuBe非晶为填充材料焊接铍时,工艺焊接性一般,Be/ZrTiNiCuBe/Be焊接接头焊缝中心为非晶状态,熔合区形成了一层结构稀疏、成分均匀的金属间化合物层,通过调整焊接工艺,缩小熔合区面积可以提高焊接接头工艺焊接性;Zr+AlSi+Zr叠层为填充金属的Be激光焊接接头焊缝熔合区附近形成的Be_5Zr和Al_2Zr等金属间化合物层在焊接热应力作用下极易生成焊接裂纹,焊接性较差。 研究了铍激光焊接热影响区晶粒长大,建立了铍晶粒生长动力学方程:D=D_0+7.7×10~(-1)t~(0.6215)exp(-40985/RT),根据实验测量热循环曲线和铍晶粒生长动力学方程推测出焊接热影响区铍晶粒长大约1μm,热影响区铍晶粒长大区域宽度约0.5mm,与金相观察无明显差别。 AlSi合金和Al为填充金属的铍焊接接头剪切强度试验和剪切断口观察显示,焊接工艺不同会引起焊接接头微观组织变化,导致焊接接头力学性能,断裂形式和断口形貌发生改变。AlSi合金和Al为填充金属的铍激光焊接接头剪切强度分别为88.5MPa~283MPa和109.6MPa~240.4MPa,介于填充金属和铍的剪切强度之间,随着焊缝组织中铍含量增加,接头剪切强度呈上升趋势。当焊缝中铍含量小于40%时焊接接头为塑性断裂;铍含量位于40%-70%时,焊接接头断裂形式从塑性断裂向脆性断裂转变,断口形貌由韧窝断口向解理断裂为主伴有局部塑性断裂的混合断口过渡。针对焊接接头在不同使用条件下对接头强度和断裂形式的要求,焊缝中铍含量是重点控制因素。 ZrTiNiCuBe非晶为填充金属的铍激光焊接接头平均剪切强度为230MPa、熔合区显微硬度低于ZrTiNiCuBe非晶和铍的显微硬度,接头断裂位置位于焊缝熔合区,呈现脆性断裂,具有冰糖状断口形貌。熔合区生成的脆性相Be_2Zr、α-BeO、BeCu、NiZr、Be_(13)Zr等,降低了焊接接头剪切强度,是焊接接头薄弱部位,并且熔合区域随着焊接预热温度和焊接输入线能量增加会加大,因此在保证焊接接头实现有效连接情况下,应尽量降低焊接热输入。 结合宏观热流计算和微观组织模拟,确定模型和概率模型,提出CellularAutomaton(CA)技术为基础并辅以Monte Carlo(MC)法修正生长的CAMC宏微观藕合模拟技术。CAMC技术以CA模拟技术搭起晶粒生长骨架,MC法则在内部进行辅助生长,体现枝晶分枝机制。该模拟技术能够定量地描述晶粒数目、尺寸和形貌演变过程,从而能够很好地模拟金属凝固组织形成过程。 基于晶粒正常长大过程中的能量和曲率因素,建立了晶粒正常长大能量—曲率驱动元胞自动机二维模型。该模型能正确反映晶粒正常生长过程中平均晶粒尺寸与时间、晶粒生长速率与温度、晶粒生长速度与曲率等关系,以及晶粒尺寸分布时间不变性等重要规律,同时,通过建立元胞自动机时间(CAS)与现实时间转换关系,实现了能量—曲率驱动元胞自动机在现实时间尺度上对焊接热影响区晶粒长大过程模拟,模拟结果符合焊接热影响区理论晶粒分布规律和焊接实验结果。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG456.7

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