厚板钛合金窄间隙tig焊接工艺研究毕业论文(编辑修改稿)

厚板钛合金窄间隙tig焊接工艺研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

......................................... 30 78mm 厚钛合金窄间隙 TIG 焊接变形的测量 ........................................... 31 厚板钛合金窄间隙 TIG 焊接温度场的测定 ...................................................... 33 焊接温度场测定试验 ................................................................................... 33 温度场曲线分析 ........................................................................................... 34 本章小结 .............................................................................................................. 37 结 论 .............................................................................................................................. 38 参考文献 ........................................................................................................................ 39 致 谢 ............................................................................................................................ 41 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 课题背景及研究的目的和意义 巨大的勘测难度使深海勘测一直居于地球科学的前沿。 这种 勘探 要求大额投入和尖端技术， 这 是 中国发展深海探 测 一个绕不过去的坎儿。 国际在线报道：中国国际广播电台环球资讯午间话题关注 “ 蛟龙 ” 号深海探测器突破 3700 米事件。 中国科技部、国家海洋局联合发布：我国自行设计、自主集成研制的国家 863计划重大专项 “ 蛟龙 ” 号（如图 11）载人潜水器在中国 南 海 3000米级 海上试验取得成功，最大下潜深度达到 3759 米，创造了水下和海底作业 9 小时 03 分的纪录，验证了 “ 蛟龙 ” 号载人潜水器在 3000 米级水深的各项性能和功能指标。 这标志着我国深海载人探测已取得相当大的成就。 图 11 蛟龙号 图 12 国外一深海探测器 取得成绩的同时我们也要看到差距，美国 1964 年建造的 “ 阿尔文 ” 号载人潜水器 即可 下潜到 4500m的深海；法国 1985 年研制成的 “ 鹦鹉螺 ” 号潜水器最大下潜深度可达 6000m；我们的邻居俄罗斯和日本已经完成了深海 6000m 级水深的探测数千次。 中国载人深海探测 这条路任重而道远。 依据全国第 11 个五年计划，国家高技术研究发展计划（ 863 专项）中海洋技术领域的战略目标是： “ 深化近浅海、开拓深远海 ”。 该 部分内容 旨在开发强大的实用型潜水设备，建设和维护深海海底观测网络，以及勘探和海底取样。 项目计划 开发 在水下 4500 米的作业的深海潜水设备。 如图 13 所示，该潜水器是一个直径约为 2m，壁厚 90mm的球形容器，由 12 块弧瓣 形 钛合金板拼焊而成。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 2 图 13 深海潜水 器效果图 钛合金具有密度小、比刚度、比强度高，耐蚀性、耐热性好等一系列优点，在航空航天、海洋工程、汽车和医 疗等领域得到了越来越广泛的应用 [1]， 钛合金 在海洋工况下使用极具优势，世界各工业发达国家都十分重视钛材在舰船领域中的开发应用，特别是原苏联全钛耐压壳核潜艇的成功制造，标志着钛材在舰船中应用的重大突破 [2]。 钛合金能以更轻 的 重量抵抗更强 的 水压 ，而且又极耐海水腐蚀，是制造深海探测器的首选材料。 深海探测器的设计厚度是 90mm，因此如何完成厚板钛合金的焊接，成为深海探测器制造的关键问题。 本课题的研究，正是致力于深海探测器制造过程中钛合金焊接技术的开发。 从更深远的角度来看， 近年来 厚板 钛合金 结构在 石油、化工、 能源 等 工业 领域 的应用越来越多 ，而 且 上述工业领域 对于钛合金的应用 由以厚板焊接结构居多，因此一种高效便捷、经济性好、用于焊接厚板钛合金的方法对于推动厚板钛合金结构的应用有着重要意义。 本论文主要是针 对 4500m 级深海探测器项目中厚板钛合金焊接工艺 进行研究，分析焊接接头组织和性能的基础上确定最佳的焊接过程参数，同时更深入的探究厚板钛合金焊接结构温度场的变化规律及应力、变形的控制等问题 ， 为钛合金深海探测器制造及厚板钛合金焊接结构在工业领域的应用提供理论和技术支持。 厚板钛合金焊接性分析 常温下钛合金因表面氧化膜的作 用而保持高的稳定性和耐蚀性能，在焊接高哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 3 温下，钛合金表面氧化膜变得疏松，使钛与氢、氧、氮的反应速度加快，降低了焊接接头的塑韧性。 如果钛合金在无保护或者保护不良的情况下进行焊接，焊接接头会因为间隙元素的污染而导致接头的脆化。 因为钛的熔点高，比热容小，导热性能差，所以在焊接时冷却速度慢，焊接热影响区高温下停留时间长， β晶粒在高温下极易过热粗化，导致接头的塑韧性下降。 但对于 TC4 这样的双相钛合金，由于合金化程度高，晶粒长大倾向相对较小，所以，在焊接 TC4 时宜采用较大的焊接热输入。 气孔是钛及钛合金在焊接时最常见的 焊接缺陷 [3]。 钛合金焊接接头中的气孔主要分为两类，在焊接热输入较大时熔合线附近形成气孔，在焊接热输入较小时焊缝中部产生气孔。 气孔的存在会降低接头的抗拉强度和疲劳强度。 气孔敏感性与焊接方法、工艺等因素都有关， 冷却速度的快慢对气孔的影响主要由周围气体扩散使气泡长大和气泡上浮时间两个相互矛盾的因素决定。 一般来说，电子束焊接气孔最多，等离子最少，氩弧焊趋于中间。 本项目所设计深潜器的壁厚为 90mm，厚板材料在焊接时必然会引起较大的 焊接 应力和变形，而且 厚板材料焊接时常加工成 U 形或 V 形坡口，以多层多道焊的方式进行焊接 ，填充金属量过大是这种焊接方法一个很大的不足 [4]，不仅浪费了焊接材料，而且因为热输入量过大而使得接头性能变差。 国内外研究现状及分析 国内外对于钛合金板焊接工艺的研究较多，但是多数 限于 薄板研究，对于这种厚板钛合金焊接的研究 很少。 用于焊接厚板钛合金主要有以下几种方法： MIG 多层多道焊 法国的。 实验用板厚为 20mm，用 TIG打底， MIG填充的方法对钛合金厚板进行焊接。 采用 MIG焊时，开坡口如图 14。 因 其需要繁琐的保护措施，而且效率较低，所以他们得出的结论是 MIG焊接方法并不适合 于 焊接钛合金厚板 [5]。 图 14 MIG 方法焊接坡口及焊接层数示意图 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 4 窄间隙 TIG 国内船舶重工工业集团的张伟明等人利用窄间隙 TIG自动焊的方法，焊接了40mm厚的 TA2（工业纯钛）试板 （如图 15） ， 并对焊接后接头的组织 和 性能 进行了 分析。 试验发现利用窄间隙 TIG 的方法可以得到无缺陷的焊缝，焊接接头性能良好 ，同时发现焊接接头因为窄间隙条件焊接，使得接头的强度较常规坡口焊接条件下下强度高 [6]。 图 15 40mm厚 TA2窄间隙焊接接头 电子束焊接 电子束焊接以其能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比 大 等特点，特别适合于厚板的焊接。 国内 大连交通大学的宫平，罗宇等人使用电子束焊接的方法，焊接了 20mm的 TC4 板，并研究了不同聚焦电流对焊缝成形的影响。 发现 聚焦电流对焊缝形状的影响作用很大 ， 聚焦电流不同 ， 焊缝形状各异。 当控制聚焦电流使电子束焦点落在工件表面附近一定区域内时 ， 焊接熔深 、 熔宽和焊缝宽度 比值随着 焦点位置 的不同 表现出不同值，而 后随着焦点位置的上移或下移 ， 焊接熔深和深宽比 H/B不断减小 ， 熔 宽和焊缝宽度不断增加 [7]。 图 16 不同聚焦电流下焊缝成形情况 图 17 聚焦电流对焊缝成形参数的影响 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 5 美国机械学会 等人尝试在正确的参数下焊接 厚的法兰盘 环焊缝 结构 (如图 18 所示 )。 焊接结果显示，采用单面 电子束 焊接一次无法熔透 厚的钛合金板，因为焊接过程中缺乏可重复性的焊接参数。 如果采用 如图 19 所示 双面焊接的方式，可以达到优良的焊接接头，接头的性能也得到的提升 [8]。 图 18 结构上方的环焊缝 图 19 双侧焊接的建立 分析上述 国内外的研究现状，发现在焊接厚板钛合金方面 电子束焊接 是比较有优势的焊接方法 ，电子束焊接具有焊接速度高，焊接变形小，热效率高等一系列优点 [9]，特别适合于厚板活泼金属的焊接，但焊接生产成本高，且试件尺寸受真空室限制 [1011]；相比之下，采用氩弧焊的方法，工艺简单，操作灵活，可以有效解决大多数焊接结构问题 [1213]， 如果是以 开 V 形坡口 ， 多层多道方式焊接厚板钛合金 ，焊接效果并不理想 ， 以窄间隙 TIG 的方式焊接厚板钛合金板有一定的借鉴意义，但是必须在良好的保护下进行焊接。 厚板钛合金窄间隙 TIG 焊接 鉴 于此，提出一种利用手工氩弧焊，窄间隙条件下焊接厚板钛合金的方法，并配以良好的惰性气体保护措施。 TIG 焊是所有焊接方法中应用面最广的，对有色金属及其合金如钛合金的焊接最具优势 [14]。 窄间隙焊接不仅可大幅度的减少坡口截面积、大大减少焊缝金属的填敷量，而且在相对少的焊接热输入下，解决了开坡口困难、焊接速度缓慢，焊后板材应力变形大等问题 [15]。 本课题采用钨极氩弧焊，焊接窄间隙钛合金（ TC4）厚板，对厚板钛合金的焊接工艺进行深入研究，探究最优的焊接参数和提高焊接接头强度的有效途径，得到质量优良的接头的同时，对接 头性能进行测试，进一步分析影响接头性能的主要因素。 针对厚板钛合金窄间隙 TIG 焊接，研究内容主要围绕以下几个方面研究： 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 6 1. 焊枪及保护装置的设计及制造 2. 厚板钛合金焊接工艺的确定及参数的优化 3. 焊接接头金相组织的观察和力学性能的测试 4. 焊接温度场的测量及焊接变形控制的分析 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 7 第 2 章 焊接工艺试验 焊枪及 保护装置的设计及制作 焊枪的设计及制作 作为氩弧焊机重要组成部分之一的氩弧焊枪，其作用是夹持钨极、传导焊接电流和输送保护气。 焊枪的设计要根据所焊材料的种类和结构状况而决定，具体来说焊枪的设计要考虑焊接电流 的大小、焊接结构所处的具体工况、焊接工人的可操作性等，一把合适的氩弧焊枪的设计要考虑多方面的因素。 试验方案提出焊接厚板钛合金的方法为窄间隙 TIG 多层焊。 首先，钛合金焊接时晶粒长大倾向并不明显，同时为保证窄间隙多层焊时侧壁 熔 合良好，宜采用较大的热输入。 焊接前估计所使用焊接电流值 100A~300A，因此，所设计焊枪应承受较大的焊接电流，这要求焊枪必须有良好的冷却系统 ； 窄间隙坡口是 窄而深的间隙，采用 TIG 焊的方法在窄间隙坡口条件下焊接，焊枪的气体保护喷嘴必须深入到窄间隙坡口中，对焊接区充分的保护。 这要求所设计的 焊枪喷嘴能深入到所开窄间隙坡口中 ； 本项目旨在制造直径两米的球形容器，整个球体共有 6 条经线焊缝和 1 条赤道环焊缝，全部由焊工手工操作完成，劳动强度大，对焊工的要求较高。 考虑到上述因素，所设计焊枪的体积越小越好，尽可能的轻质，以减轻焊工的劳动强度 ，保证焊接质量。 综合考虑上述因素，抓住所设计焊枪冷却好、质量轻及细长陶瓷喷嘴三个主要特点，设计制造了适合于窄间隙、大电流下焊接的焊枪。 焊枪黄铜制主体如图 21 所示，总长度 40mm，保证了枪体轻质的特点，减轻了焊接工人负担；特 制 的陶瓷喷嘴 （图 22 所示） 外径 D 只有 10mm，长度 L却达到了 63mm，可以深入窄间隙坡口中进行焊接；焊枪具有良好的水冷系统，试验证明即使在较大的焊接电流下长时间焊接，焊枪也不会过热。 图 21 焊枪主体结构 图 22 陶瓷喷嘴尺寸 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 8 最终完整的枪体设计图如图 23 所示。 图 23 整体焊枪设计图 保护装置的设计 及 制造 常温下钛表面钝化层（氧化膜）的致密性极强，使得钛非常稳定。 但在温度升高过程中，钛对氢、氧和氮的吸收能力不断加强 [16]。