钢铌激光焊接头界面区反应机制研究(附件)【字数：13726】
摘 要摘 要不锈钢与铌的复合焊接结构在航空航天领域具有广阔的应用与发展前景。本课题采用了激光焊接的方法，在不同的参数条件下对304不锈钢板与铌板进行焊接，实现了两种材料的连接。使用金相显微镜观察接头横截面的宏观形貌与微观组织，使用EDS确定了焊接接头的化学元素组成，使用XRD确定了焊接接头的相组成。通过拉伸试验衡量焊接接头的力学性能。激光焊接可以实现304不锈钢与铌的连接。除了20号试样焊后断裂，其他试样均没断裂。观察试样的显微照片，大部分试样上无明显的缺陷，有几组试样上存在裂纹，气孔，断裂现象，均出现在铌与焊缝交界处，且焊接速度过大的试样容易出现缺陷，说明在钢/铌激光焊接中较大的焊接速度不利于得到良好的焊接接头。焊缝区域完全由树枝状的γ相组成。在铌侧附近的焊缝存在金属间化合物，出现裂纹与断裂等现象均出现在该区域。金属间化合物层由μ-Fe7Nb6和少量的Cr2Nb，Ni8Nb组成。焊接接头的抗拉强度最大可达193MPa，具有一定的力学性能。通过正交试验法分析焊接速度，偏束距离，焊接功率对焊接接头抗拉强度的影响规律。其中焊接速度的影响最大，偏束距离的影响其次，激光功率的影响最小。焊接速度越小，焊接接头的抗拉强度越高；激光束光斑偏向不锈钢侧，焊接接头的抗拉强度变高。使用低焊速，向钢侧偏束的焊接参数可以提高焊接接头的抗拉强度。焊后断裂发生在铌侧界面处。关键词钢/铌焊接;激光焊接;金属间化合物
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 不锈钢与铌的焊接性 3
1.2.1 根据物理性能分析不锈钢与铌的焊接性 3
1.2.2 根据冶金学分析不锈钢与铌的焊接性 4
1.3 不锈钢与铌的焊接研究现状 6
1.3.1 熔化焊 6
1.3.2 钎焊 7
1.3.3 爆炸焊 8
1.3.4 熔钎焊 9
1.3.5 存在问题 10
1.4 课题主要研究内容 10
第二章 实验材料、设备和方法 11
2.1 实验材料 11
2.2 激光焊焊接设备 12
2.3 激光焊焊接实验 13
2.3.1 焊前准备 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 2.3.2 施焊 13
2.4 分析测试 15
2.4.1 焊接接头拉伸试验 15
2.4.2 微观组织分析 16
2.4.3 断口形貌分析 17
2.4.4 相组成分析 17
第三章 钢/铌激光焊接接头组织分析 18
3.1 激光焊焊接接头的成形 18
3.2 接头显微组织 20
3.2.1 焊接接头横截面形貌分析 20
3.2.2接头化学成分和相组成分析 21
3.2.3 接头横截面的缺陷 23
3.3 本章小结 25
第四章 钢/铌激光焊接接头力学性能分析 26
4.1 焊接接头抗拉强度的分析 26
4.1.1 焊接速度对焊接接头抗拉强度的影响 27
4.1.2 偏束距离对焊接接头抗拉强度的影响 28
4.1.3 激光功率对焊接接头抗拉强度的影响 30
4.1.4 综合分析对焊接接头抗拉强度的影响 31
4.2 接头断口形貌分析 31
4.3 本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
现代工业越来越发达，对其所需零部件的要求也越来越高，零部件应该在很多方面具备优质的性能才能满足现代工业发展的水平，这就要求材料在塑性、韧性、硬度、磁性、强度等方面满足特定的要求，而且其导电性、导热性、耐蚀性等也应该与零部件的需求相符。但是单就一种材料而言，不可能完全满足零部件所需的物理性能和使用性能。即使有些材料可以满足大部分的性能，但是由于它们的价格太高，并不能在工业中广泛地应用。而异种材料焊接结构不仅可以充分发挥异种材料的性能，还可以降低制造零部件的成本，与同种材料相比，更加适用于现代工业中。
铌是一种熔点和沸点都很高的金属，它的熔点可达到2468℃，沸点可达到4742℃。室温下，铌在空气中比较稳定，它在氧气中红热时也不被完全氧化。铌的性能也比较好，它具有较高的强度，热传导性也很好，是现代高科技产业中重要的材料之一。铌的用途十分广泛，在钢铁工业，超导材料工业，原子能工业，电子工业，医疗领域等均有应用。铌的某些化合物和合金具有较高的超导转变温度，因而在制造各种工业超导体，如超导发电机、加速器大功率磁体、超导磁储能器、核磁共振成像设备等中有着广泛的应用。而且铌钛和铌锡是最重要的超导体材料，被广泛应用于医学诊断的磁振图象仪和用于谱线(分析)的核磁共振仪。对比于铌的化合物应用于超导材料，高纯铌主要应用于航空航天领域，它可以用于生产火箭的发动机，可制作为飞船的耐热部件。铌和钽的热强合金具有良好热强性能、抗热性能和加工性能，在航空航天中发动机零部件的制造有广泛的应用，它还可以用于燃气轮机的叶片。铌的中子俘获截面低，导热性好，耐蚀性强，这些性能使之非常适合原子能反应堆。在原子能工业领域，铌既适用于核反应堆，可以用于制造核反应堆热交换器，又适用于核燃料，可以作为核燃料的合金和核燃料的包套材料。铌制作电解电容器有着很长的历史，早在前苏联时就有很大的突破，而近年来，铌酸盐陶瓷电容器在国内外更是有着迅速的发展。而且与以往所用的钽电容器相比，铌的价格更加便宜，因此铌电容器的研究与发展至关重要。如图11所示为铌酸盐陶瓷电容器[12]。由于铌及其合金有着广泛应用，为了更好地发挥铌的性能，可以将铌与其他金属连接为异种材料焊接结构，因此铌与其他金属的焊接问题应该重点研究。
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图11 铌酸盐陶瓷电容器
钢根据用途，化学成分，显微组织，品质等可以分为很多类，本课题研究所用的304不锈钢中的铬含量为18%左右，镍含量为8%左右，是奥氏体不锈钢的一种，它具有稳定的奥氏体组织，也被称为188型不锈钢。奥氏体不锈钢的应用十分广泛，而且工业领域上对其的需求量十分的巨大。奥氏体不锈钢的性能十分良好，它无磁性，塑性和韧性都很高，导电导热性很好，适用于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，如小米4手机就使用了304不锈钢材料。与铌材料相同的是，不锈钢在航空航天方面也有着很重要的应用。不锈钢可应用于火箭中的燃料，发动机，流体容器和压力容器中。因此，将铌与不锈钢连接为焊接结构，可以发挥铌与不锈钢的性能，更加满足航空航天工业对材料性能的要求。
不锈钢与铌的复合焊接结构在航空航天领域具有广阔的应用与发展前景，因为不锈钢与铌优质的性能可以使航天航空领域中的发动机重量降低，而且它还能适当地提高发动机的工作温度，这样航空发动机就会具有更高的推重比。但是不锈钢与铌的焊接结构也存在一些问题，因为不锈钢与铌的焊接性存在着差异，在物理性能方面，不锈钢与铌的热导率、线膨胀系数、电导率、电磁率和熔点等性能不尽相同。在结晶化学性能方面，两者的焊接接头中极易生成脆性金属间化合物，这会提高焊接接头的硬度，降低焊接接头的塑性及韧性，从而使焊接接头的力学性能变差，严重的话，焊接接头将会产生开裂。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 不锈钢与铌的焊接性 3
1.2.1 根据物理性能分析不锈钢与铌的焊接性 3
1.2.2 根据冶金学分析不锈钢与铌的焊接性 4
1.3 不锈钢与铌的焊接研究现状 6
1.3.1 熔化焊 6
1.3.2 钎焊 7
1.3.3 爆炸焊 8
1.3.4 熔钎焊 9
1.3.5 存在问题 10
1.4 课题主要研究内容 10
第二章 实验材料、设备和方法 11
2.1 实验材料 11
2.2 激光焊焊接设备 12
2.3 激光焊焊接实验 13
2.3.1 焊前准备 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 2.3.2 施焊 13
2.4 分析测试 15
2.4.1 焊接接头拉伸试验 15
2.4.2 微观组织分析 16
2.4.3 断口形貌分析 17
2.4.4 相组成分析 17
第三章 钢/铌激光焊接接头组织分析 18
3.1 激光焊焊接接头的成形 18
3.2 接头显微组织 20
3.2.1 焊接接头横截面形貌分析 20
3.2.2接头化学成分和相组成分析 21
3.2.3 接头横截面的缺陷 23
3.3 本章小结 25
第四章 钢/铌激光焊接接头力学性能分析 26
4.1 焊接接头抗拉强度的分析 26
4.1.1 焊接速度对焊接接头抗拉强度的影响 27
4.1.2 偏束距离对焊接接头抗拉强度的影响 28
4.1.3 激光功率对焊接接头抗拉强度的影响 30
4.1.4 综合分析对焊接接头抗拉强度的影响 31
4.2 接头断口形貌分析 31
4.3 本章小结 32
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
现代工业越来越发达，对其所需零部件的要求也越来越高，零部件应该在很多方面具备优质的性能才能满足现代工业发展的水平，这就要求材料在塑性、韧性、硬度、磁性、强度等方面满足特定的要求，而且其导电性、导热性、耐蚀性等也应该与零部件的需求相符。但是单就一种材料而言，不可能完全满足零部件所需的物理性能和使用性能。即使有些材料可以满足大部分的性能，但是由于它们的价格太高，并不能在工业中广泛地应用。而异种材料焊接结构不仅可以充分发挥异种材料的性能，还可以降低制造零部件的成本，与同种材料相比，更加适用于现代工业中。
铌是一种熔点和沸点都很高的金属，它的熔点可达到2468℃，沸点可达到4742℃。室温下，铌在空气中比较稳定，它在氧气中红热时也不被完全氧化。铌的性能也比较好，它具有较高的强度，热传导性也很好，是现代高科技产业中重要的材料之一。铌的用途十分广泛，在钢铁工业，超导材料工业，原子能工业，电子工业，医疗领域等均有应用。铌的某些化合物和合金具有较高的超导转变温度，因而在制造各种工业超导体，如超导发电机、加速器大功率磁体、超导磁储能器、核磁共振成像设备等中有着广泛的应用。而且铌钛和铌锡是最重要的超导体材料，被广泛应用于医学诊断的磁振图象仪和用于谱线(分析)的核磁共振仪。对比于铌的化合物应用于超导材料，高纯铌主要应用于航空航天领域，它可以用于生产火箭的发动机，可制作为飞船的耐热部件。铌和钽的热强合金具有良好热强性能、抗热性能和加工性能，在航空航天中发动机零部件的制造有广泛的应用，它还可以用于燃气轮机的叶片。铌的中子俘获截面低，导热性好，耐蚀性强，这些性能使之非常适合原子能反应堆。在原子能工业领域，铌既适用于核反应堆，可以用于制造核反应堆热交换器，又适用于核燃料，可以作为核燃料的合金和核燃料的包套材料。铌制作电解电容器有着很长的历史，早在前苏联时就有很大的突破，而近年来，铌酸盐陶瓷电容器在国内外更是有着迅速的发展。而且与以往所用的钽电容器相比，铌的价格更加便宜，因此铌电容器的研究与发展至关重要。如图11所示为铌酸盐陶瓷电容器[12]。由于铌及其合金有着广泛应用，为了更好地发挥铌的性能，可以将铌与其他金属连接为异种材料焊接结构，因此铌与其他金属的焊接问题应该重点研究。
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图11 铌酸盐陶瓷电容器
钢根据用途，化学成分，显微组织，品质等可以分为很多类，本课题研究所用的304不锈钢中的铬含量为18%左右，镍含量为8%左右，是奥氏体不锈钢的一种，它具有稳定的奥氏体组织，也被称为188型不锈钢。奥氏体不锈钢的应用十分广泛，而且工业领域上对其的需求量十分的巨大。奥氏体不锈钢的性能十分良好，它无磁性，塑性和韧性都很高，导电导热性很好，适用于制造要求耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备，如小米4手机就使用了304不锈钢材料。与铌材料相同的是，不锈钢在航空航天方面也有着很重要的应用。不锈钢可应用于火箭中的燃料，发动机，流体容器和压力容器中。因此，将铌与不锈钢连接为焊接结构，可以发挥铌与不锈钢的性能，更加满足航空航天工业对材料性能的要求。
不锈钢与铌的复合焊接结构在航空航天领域具有广阔的应用与发展前景，因为不锈钢与铌优质的性能可以使航天航空领域中的发动机重量降低，而且它还能适当地提高发动机的工作温度，这样航空发动机就会具有更高的推重比。但是不锈钢与铌的焊接结构也存在一些问题，因为不锈钢与铌的焊接性存在着差异，在物理性能方面，不锈钢与铌的热导率、线膨胀系数、电导率、电磁率和熔点等性能不尽相同。在结晶化学性能方面，两者的焊接接头中极易生成脆性金属间化合物，这会提高焊接接头的硬度，降低焊接接头的塑性及韧性，从而使焊接接头的力学性能变差，严重的话，焊接接头将会产生开裂。
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