工业纯钛ta2的纯激光焊接的工艺研究(附件)【字数：12106】
摘 要摘 要本试验是先通过不同的焊接工艺参数对2mm厚工业纯钛TA2进行激光焊接，观察焊道的宏观形貌以及分析焊接工艺参数对接头焊缝的熔深、熔宽和咬边的影响，从而确定出工业纯钛TA2最佳的激光焊接工艺参数。研究最佳焊接工艺参数下激光焊接工业纯钛TA2接头的微观组织，分析出焊接接头各部分的微观组织成分。通过拉伸测试和硬度测试，分析工业纯钛TA2激光焊接接头的力学性能。试验结果表明激光焊接工业纯钛TA2的激光功率为2250W,焊接速度为30mm/s时，焊道的表面呈银白色，焊缝条纹均匀，焊缝质量最佳；在焊接速度不变时，随着焊接功率的增加，接头焊缝的熔宽明显增大，熔深略有减小；在焊接功率不变时，随着焊接速度的增加，接头焊缝的熔宽变小，熔深基本不变；焊接的咬边缺陷与焊接的熔化量有关。对最佳焊接工艺参数下激光焊接工业纯钛TA2焊接接头力学性能分析，发现焊缝的硬度为 148-175HV，母材的硬度在110-125HV，焊缝的硬度高于母材，焊缝热影响区的范围为0.4mm。焊接接头的抗拉强度高于母材，断口出现在母材区，断口特征为微孔聚集体的等轴韧窝，接头平均延伸率为42.5%，高于母材的33%。关键词工业纯钛TA2；纯激光焊接；焊接工艺参数；微观组织；力学性能
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 钛的国内外发展状况 2
1.3 工业纯钛TA2的基本特性及焊接特点 3
1.3.1、 工业纯钛的分类 3
1.3.2、 工业纯钛TA2的基本特性和焊接特点 3
1.3.3、 钛的焊缝质量与焊缝颜色的关系 4
1.4 激光焊接的原理和特点 4
1.4.1、 激光焊接的原理和分类 4
1.4.2、 激光焊接的主要参数 5
1.4.3、 激光焊接的特点 5
1.4.4、 激光焊接的焊缝特点和缺陷 6
1.5 研究内容 6
第二章 实验内容及实验方法 7
2.1 实验材料和实验设备 7
2.1.1、 材料成份 7
2.1.2、 实验材料焊前处理 7
2.2 实验设备 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.2.1、 激光器 7
2.2.2、 焊接机器人 8
2.3 焊接的工艺 9
2.4 试样的制备 10
2.5 试验方法 11
2.5.1、 金相试验 11
2.5.2、 超景深试验 11
2.5.3、 扫描电子显微镜 11
2.5.4、 拉伸测试 12
2.5.5、 硬度测试 12
第三章 试验结果和分析 14
3.1 焊接接头的宏观形貌 14
3.2 焊接工艺参数对焊缝质量的影响 16
3.3 焊接微观组织分析 19
3.4 焊接接头的力学性能 21
3.4.1、 焊接接头的硬度测试 21
3.4.2、 焊接接头的拉伸测试 22
第四章 结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
钛及钛合金具有密度低、比强度高、较好的耐腐蚀性、无磁性以其较好的耐高温、低温性能等优良性能，使其在石油化工、航空航天、车辆工程、生物医药、冶金铸造、新能源、电子商品等重要的行业得到广泛地应用[14]。如今,由于钢铁产量的严重过剩，导致其价格低廉，一定程度上削弱了其衡量社会经济发展水平的地位，新型材料的开发和使用正在不断地改变和促进着社会发展新形式，优化经济发展结构，提高社会生活水平。钛及钛合金的应用及开发程度，成为国家对新材料发展和综合国力重要体现的一个研究课题，在一定程度上是对一个国家或者地区的经济发展水平和材料应用研究的能力的重要体现[57]。我国国土资源丰富，其中包括大量的金属材料资源，钛金属资源也较为丰富，伴随着中国新经济结构的发展转型，钛及钛合金的开发应用也必将会成为我国当前社会生产急需解决的问题。焊接俗称工业的“裁缝”，是金属材料加工的极其重要的关键技术，特别是随着科学技术和新材料的发展，使焊接技术成为面向所有材料进行连接和加工的科学与技术，不仅可以有效地提高零件结构的灵活性，保证工件的安全，还在一定程度上降低了零件数量，提高生产效率。传统焊接方法（等离子弧焊、熔化极氩弧焊等）都对钛及钛合金的焊接在不同程度上存在晶粒粗大、焊接热影响区大、焊接效率低、焊件热变形大以及出现气孔和夹杂等焊接缺点。目前生产过程中对钛及钛合金的加工主要采用激光焊接、电子束焊和钨极氩弧焊等焊接方式，而激光焊接技术因具有焊接速度快、能量密度高、热输入小、焊缝深宽比大、焊缝热影响区小、热变形小、晶粒细小、焊缝成形好和生产效率高等显著优点[8]，使其成为加工钛及钛合金材料的主要焊接方式。但是钛的金属活泼性较强，使工业上的钛合金在激光焊接加工过程中会由于温度的不断升高，在250℃时让钛开始吸氢，上升到400℃时钛又开始吸收氧，到达600℃时钛还会吸收氮[9]。在整个加工过程中，焊接温度会不断升高，钛吸收氧、氢、氮等气体的能力会进一步加强，同时还会形成气孔、裂纹夹杂等缺陷[10]，严重影响焊接质量，因此要加强对焊接过程的气体保护，严格要求焊接加工的条件。同时在激光焊接钛材料过程中还会产生等离子体，其会吸收、反射和散射激光，导致焊接过程不稳定，从而影响到焊接接头的质量。因此，通过对激光焊接工业纯钛TA2的特点分析，针对可能出现的问题采取了对焊件打磨清洗保护，并用惰性气体保护焊接接头，抑制等离子体的产生等措施，用合适的夹紧装置保证焊件的稳定，选择恰当的焊接工艺参数等环节，以满足对焊接质量的要求，为工业纯钛TA2激光焊接提供依据。
本研究课题选用目前应用较为普遍的2mm厚工业纯钛TA2作为研究对象。研究出工业纯钛TA2激光焊接的接头组织和力学性能，确定最佳的激光焊接工艺参数，从而为工业纯钛TA2用激光焊焊接制定工艺提供必要的理论依据，以便在今后的实际生产应用中更好地提高该材料的焊接接头质量，确保其使用的安全性和可靠性。
1.2 钛的国内外发展状况
钛是尖端先进飞机、火箭、导弹等发动机所不可缺少的材料。因此，在如今世界各国科技不断发展的情况下，各国加强重视对钛及钛合金材料的开发研究和生产应用[6]。从对钛及钛合金消费结构方面看，总体说航空航天和非航空航天各占总需求量的50%左右，俄罗斯和美国主要将其作为以军用消费，航空航天分别占60%和70%，民用工业分别占40%和30%；而日本和中国主要以民用消费为主，军工及航空占 10%~20%，其他占90%~80%；相比于许多发达国家完整的钛工业发张，大多数的发展中国家目前还处在萌芽或者空白的阶段，其所需使用的钛制设备和钛制产品基本全靠进口。钛及钛合金的开发研究及应用生产水平，已经成为国家或地区对新材料的应用开发研究水平和综合国力的评价标准。
钛的耐腐蚀性能好；密度小，比强度高；耐热性能好；耐低温性能好；抗阻尼性能强，无磁性、无毒；抗拉强度和屈服强度接近；换热性能好；弹性模量低等性能。使其应用在车辆工程，医疗器械，机械建筑，石油化工和军事尖端武器等方面。随着世界对生活质量要求的提高和环保意识的重视，欧美和日本等发达国家的许多汽车公司将钛材应用到汽车上，从而减轻了汽车自重，提高汽车的安全性。在医用钛制品设备领域，钛制牙齿底盘和钛钛制假肢等钛制产品成为病人重获新生的必需品，拯救了许多生命。在重工业发达的俄罗斯，其在海洋工程如海上油气田开采、核能应用等方面是很先进的甚至领先美国[12]。其成功制造出来全钛合金壳体的“阿尔法”级潜艇，性能十分的卓越。而美国用钛材制造的波音系列的飞机，极高的安全性能和稳定的操作系统，使其受到世界各大航空公司的极力追捧。日本在钛合金的民用技术方面领先其它国家，日本民用钛产品以其技术精、产品新而赢得了很好的声誉占领了大批国际市场。如北京国家大剧院幕墙屋顶就是通过招标使用的日本新日铁公司的钛材。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 钛的国内外发展状况 2
1.3 工业纯钛TA2的基本特性及焊接特点 3
1.3.1、 工业纯钛的分类 3
1.3.2、 工业纯钛TA2的基本特性和焊接特点 3
1.3.3、 钛的焊缝质量与焊缝颜色的关系 4
1.4 激光焊接的原理和特点 4
1.4.1、 激光焊接的原理和分类 4
1.4.2、 激光焊接的主要参数 5
1.4.3、 激光焊接的特点 5
1.4.4、 激光焊接的焊缝特点和缺陷 6
1.5 研究内容 6
第二章 实验内容及实验方法 7
2.1 实验材料和实验设备 7
2.1.1、 材料成份 7
2.1.2、 实验材料焊前处理 7
2.2 实验设备 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.2.1、 激光器 7
2.2.2、 焊接机器人 8
2.3 焊接的工艺 9
2.4 试样的制备 10
2.5 试验方法 11
2.5.1、 金相试验 11
2.5.2、 超景深试验 11
2.5.3、 扫描电子显微镜 11
2.5.4、 拉伸测试 12
2.5.5、 硬度测试 12
第三章 试验结果和分析 14
3.1 焊接接头的宏观形貌 14
3.2 焊接工艺参数对焊缝质量的影响 16
3.3 焊接微观组织分析 19
3.4 焊接接头的力学性能 21
3.4.1、 焊接接头的硬度测试 21
3.4.2、 焊接接头的拉伸测试 22
第四章 结论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
钛及钛合金具有密度低、比强度高、较好的耐腐蚀性、无磁性以其较好的耐高温、低温性能等优良性能，使其在石油化工、航空航天、车辆工程、生物医药、冶金铸造、新能源、电子商品等重要的行业得到广泛地应用[14]。如今,由于钢铁产量的严重过剩，导致其价格低廉，一定程度上削弱了其衡量社会经济发展水平的地位，新型材料的开发和使用正在不断地改变和促进着社会发展新形式，优化经济发展结构，提高社会生活水平。钛及钛合金的应用及开发程度，成为国家对新材料发展和综合国力重要体现的一个研究课题，在一定程度上是对一个国家或者地区的经济发展水平和材料应用研究的能力的重要体现[57]。我国国土资源丰富，其中包括大量的金属材料资源，钛金属资源也较为丰富，伴随着中国新经济结构的发展转型，钛及钛合金的开发应用也必将会成为我国当前社会生产急需解决的问题。焊接俗称工业的“裁缝”，是金属材料加工的极其重要的关键技术，特别是随着科学技术和新材料的发展，使焊接技术成为面向所有材料进行连接和加工的科学与技术，不仅可以有效地提高零件结构的灵活性，保证工件的安全，还在一定程度上降低了零件数量，提高生产效率。传统焊接方法（等离子弧焊、熔化极氩弧焊等）都对钛及钛合金的焊接在不同程度上存在晶粒粗大、焊接热影响区大、焊接效率低、焊件热变形大以及出现气孔和夹杂等焊接缺点。目前生产过程中对钛及钛合金的加工主要采用激光焊接、电子束焊和钨极氩弧焊等焊接方式，而激光焊接技术因具有焊接速度快、能量密度高、热输入小、焊缝深宽比大、焊缝热影响区小、热变形小、晶粒细小、焊缝成形好和生产效率高等显著优点[8]，使其成为加工钛及钛合金材料的主要焊接方式。但是钛的金属活泼性较强，使工业上的钛合金在激光焊接加工过程中会由于温度的不断升高，在250℃时让钛开始吸氢，上升到400℃时钛又开始吸收氧，到达600℃时钛还会吸收氮[9]。在整个加工过程中，焊接温度会不断升高，钛吸收氧、氢、氮等气体的能力会进一步加强，同时还会形成气孔、裂纹夹杂等缺陷[10]，严重影响焊接质量，因此要加强对焊接过程的气体保护，严格要求焊接加工的条件。同时在激光焊接钛材料过程中还会产生等离子体，其会吸收、反射和散射激光，导致焊接过程不稳定，从而影响到焊接接头的质量。因此，通过对激光焊接工业纯钛TA2的特点分析，针对可能出现的问题采取了对焊件打磨清洗保护，并用惰性气体保护焊接接头，抑制等离子体的产生等措施，用合适的夹紧装置保证焊件的稳定，选择恰当的焊接工艺参数等环节，以满足对焊接质量的要求，为工业纯钛TA2激光焊接提供依据。
本研究课题选用目前应用较为普遍的2mm厚工业纯钛TA2作为研究对象。研究出工业纯钛TA2激光焊接的接头组织和力学性能，确定最佳的激光焊接工艺参数，从而为工业纯钛TA2用激光焊焊接制定工艺提供必要的理论依据，以便在今后的实际生产应用中更好地提高该材料的焊接接头质量，确保其使用的安全性和可靠性。
1.2 钛的国内外发展状况
钛是尖端先进飞机、火箭、导弹等发动机所不可缺少的材料。因此，在如今世界各国科技不断发展的情况下，各国加强重视对钛及钛合金材料的开发研究和生产应用[6]。从对钛及钛合金消费结构方面看，总体说航空航天和非航空航天各占总需求量的50%左右，俄罗斯和美国主要将其作为以军用消费，航空航天分别占60%和70%，民用工业分别占40%和30%；而日本和中国主要以民用消费为主，军工及航空占 10%~20%，其他占90%~80%；相比于许多发达国家完整的钛工业发张，大多数的发展中国家目前还处在萌芽或者空白的阶段，其所需使用的钛制设备和钛制产品基本全靠进口。钛及钛合金的开发研究及应用生产水平，已经成为国家或地区对新材料的应用开发研究水平和综合国力的评价标准。
钛的耐腐蚀性能好；密度小，比强度高；耐热性能好；耐低温性能好；抗阻尼性能强，无磁性、无毒；抗拉强度和屈服强度接近；换热性能好；弹性模量低等性能。使其应用在车辆工程，医疗器械，机械建筑，石油化工和军事尖端武器等方面。随着世界对生活质量要求的提高和环保意识的重视，欧美和日本等发达国家的许多汽车公司将钛材应用到汽车上，从而减轻了汽车自重，提高汽车的安全性。在医用钛制品设备领域，钛制牙齿底盘和钛钛制假肢等钛制产品成为病人重获新生的必需品，拯救了许多生命。在重工业发达的俄罗斯，其在海洋工程如海上油气田开采、核能应用等方面是很先进的甚至领先美国[12]。其成功制造出来全钛合金壳体的“阿尔法”级潜艇，性能十分的卓越。而美国用钛材制造的波音系列的飞机，极高的安全性能和稳定的操作系统，使其受到世界各大航空公司的极力追捧。日本在钛合金的民用技术方面领先其它国家，日本民用钛产品以其技术精、产品新而赢得了很好的声誉占领了大批国际市场。如北京国家大剧院幕墙屋顶就是通过招标使用的日本新日铁公司的钛材。
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