材料加工原理课堂论文

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1、材料加工原理课堂论文钛合金激光未穿透焊气孔形成的机理研究学生姓名：刘忠民学号：2011021566摘要：气孔是钛合金焊接的常见问题，尤其是宏观气孔的存在，不仅削弱焊缝的有效工件断面，同时也会带来应力集中，有必要搞清楚气孔形成的机理。锁底对接接头焊接以及自熔焊接试验表明，钛合金未穿透激光焊接过程中会形成宏观气孔，酸洗与否对宏观气孔的形成没有明显的影响。根据气孔的分布位置和尺寸大小，提出将钛合金激光焊接气孔分类为Ⅰ型气孔和Ⅱ型气孔。基于试验研究和熔池流动模拟计算结果，认为未穿透焊接过程中Ⅰ型气孔形成的机理是由于保护气体进入小孔形成“空腔”；在熔池下部形成的“空腔”未能逸

2、出而只能够在熔池下部流动且熔池未穿透，“空腔”不可能向下逸出，随着熔池金属的凝固而形成气孔。Ⅱ型气孔的形成机理是氢在凝固过程中由于溶解度突然下降，氢析出后来不及逸出而残留在焊缝内部形成气孔。一、锁底对接接头的焊接试验及结果在导弹壳体焊接结构中，除了全熔透对接接头外，还有一种钛合金如果采用锁底对接接头，接头形式如图所示，锁底有利于圆筒试件环形拼缝的装配。焊接时锁底一般不需要焊透，但对焊缝中的气孔有严格要求。为了探索此类接头形式对焊接质量的影响，设计相应接头形式的焊接试验。平板对接试样拼缝接头形式如下图所示，试验用材料为BT20钛合金，接头两侧板厚分别为2.5mm和1.

3、8mm，锁底宽度5mm，试样经酸洗后施焊，激光功率1600W，焊接速度2.1m/min，焦点位置位于工件上表面，采用同轴气体控制等离子体，气体流量同前。下图所示为焊接接头形貌，焊缝宽度为1.8mm，表面为银白色，表明保护效果良好，焊缝锁底部分未焊透，对焊缝进行x光拍片，检验焊缝内部缺陷，结果发现焊缝内部存在密集排列的气孔。宏观气孔不仅削弱焊缝的有效工件断面，同时也会带来应力集中，显著降低焊缝金属的强度和韧性，对动载强度和疲劳强度更为不利，在个别情况下，气孔还会成为裂纹扩展源。因此，为了将激光焊接完全成功地应用于导弹壳体材料的焊接，必须搞清楚焊接接头中气孔形成的机理，

4、以便找到解决气孔问题的有效途径。二、自熔焊气孔试验及结果为了进一步考察接头中气孔形成的原因：9材料加工原理课堂论文(1)进行激光自熔焊接试验，试验过程中重点研究了接头穿透与否对气孔形成的影响；(2)进行了酸洗与不酸洗平板自熔焊对比试验，以考察氧化膜对气孔形成的影响。试验用材料为TC1钛合金，试样规格为100mm×100mm×1.5mm。采用同轴气控制等离子体，气流量如前，其他焊接工艺参数如表。焊接后进行x射线探伤，同时使用扫描电镜及光学显微镜进行金相分析，观察焊缝中气孔分布。试验结果表明，无论是锁底对接接头，还是自熔焊接头，只要接头未焊透，焊缝内部就存在大量宏观气孔

5、；而对于熔透的焊缝，无论钛合金表面是否酸洗，通过X光拍片，均未发现宏观气孔；只要设定的焊接速度能保证钛合金材料能够焊透，无论焊接速度高低，焊缝中均未发现宏观气孔。这些试验结果表明焊接接头中出现的大量宏观气孔，是在激光焊接接头未穿透时这一特定条件下形成的。比较酸洗与未酸洗试样焊接后接头中气孔情况，结果发现，只要焊缝接头焊透，酸洗与否焊缝中都不存在宏观气孔；而未穿透时，宏观气孔数量的对比示于下图，从图中可以看出，酸洗对于焊缝中宏观气孔的形成没有明显的影响。但未穿透焊接时，宏观气孔的平均直径随焊接速度的变化关系。从图中可以看出，随着焊接速度增大，宏观气孔直径逐渐减小。9材

6、料加工原理课堂论文9材料加工原理课堂论文激光功率1200W、焊接速度2.7m/min、酸洗后施焊时，TC1焊接接头内部纵向截面在扫描电镜下的气孔形貌。焊接接头熔深约1.3mm，宏观气孔位于焊缝纵截面的中下部，从图中可以看出，位于焊缝底部的气孔直径一般较小，而位于焊缝中间的气孔直径较大。9材料加工原理课堂论文下图比较了酸洗与否气孔在焊缝纵向截面内的分布情况，激光工艺参数条件为激光功率1200W、焊接速度为2.7m/min（分别对应于9号试样和12号试样）。仔细观察图中气孔的分布位置和尺寸大小，可将气孔分为两类，分别称为Ⅰ型气孔和Ⅱ型气孔。Ⅰ型气孔的特征为形状不规则，可

7、以明显看到气孔聚合现象，气孔聚合后形成串联气孔或链状气孔，而且Ⅰ型气孔均分布在焊缝的中下部，该处焊缝组织形貌为等轴晶，而上部为柱状晶，该类气孔直径一般较大，超过0.08mm，大部分可以通过X光拍片观察到；Ⅱ型气孔的特征为形状近似于球形，气孔直径约0.005～0.04mm，只有借助于显微镜才能观察到，该类气孔分布范围较广，在焊缝截面上部及下部均可以发现。从图中可以看出，焊缝中Ⅰ型气孔最大的气孔长径达到了0.7mm。未酸洗试样焊接后，焊缝中Ⅱ型气孔数量明显超过酸洗后施焊的试样，焊缝中还可以观察到表面氧化层卷入形成的氧化物杂质，这说明Ⅱ型气孔形成很可能与焊缝表面氧化物