钢铌激光焊接头组织演化规律研究(附件)【字数：15769】
摘 要摘 要不锈钢与铌的复合结构在众多领域有着广阔的应用和发展前景。本论文通过使用激光焊的方法，采用相同的焊接参数对304不锈钢与铌进行焊接，从而实现了异种材料的连接。使用金相显微镜观察热模拟试验后的接头横截面的宏观形貌和微观组织，使用EDS和SEM来确定接头焊缝区的显微组织及相组成，最后，通过拉伸试验来测定焊接接头的力学性能，并分析反应层相组成对接头力学性能的影响。使用金相显微镜对热模拟试验后的试样进行观察发现不同保温温度，不同保温时间下，304不锈钢与铌激光焊接头焊缝区的相组成为柱状、树枝状奥氏体。保温温度较高以及保温时间较长的试样，焊缝区与铌侧交界处所形成的反应层也较宽。反应层由脆性金属间化合物组成，通过使用EDS确定其相组成为Fe2Nb。304不锈钢与铌激光焊接头的断裂位置主要位于铌侧界面处的反应层（Intermetallic Compound，IMC）。因此铁-铌IMC层的生成是降低接头强度的主要原因，通过优化焊接工艺参数，抑制层状IMC的生成，是提高接头强度的最有效解决方案。观察热模拟试验后试样的显微组织照片，发现试样很少出现裂纹、气孔等现象，仅有几组试样铌侧焊缝处出现淬火裂纹。关键词钢/铌焊接；激光焊接；反应层；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 2
1.2.1 不锈钢与铌的物理性能角度分析 2
1.2.2 不锈钢与铌的冶金学角度分析 3
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 熔钎焊 8
1.3.4 存在问题 9
1.4 主要研究内容 9
第二章 实验材料、仪器和方法 10
2.1 焊接材料 10
2.2 焊接仪器 11
2.3 热模拟试验仪器 12
2.4 激光焊焊接实验 12
2.4.1 焊前准备 12
2.4.2 施焊 13
2.5热模拟试验 13
2.5.1 热模拟试样制备 13
2.5.2 热模拟试验过程 15
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> 2.6 分析测试 17
2.6.1 拉伸试验 17
2.6.2 显微组织分析 18
2.6.3 相组成分析 18
第三章 热模拟试验后接头组织分析 19
3.1 接头宏观形貌及显微组织分析 19
3.2 焊缝区化学成分组成和相组成分析 20
3.3 接头横截面的缺陷 22
3.4 本章小结 24
第四章 接头反应层演化规律及接头力学性能分析 25
4.1 铌与焊缝交界处反应层分析 25
4.2 IMC层对接头力学性能的影响机制 29
4.3 本章小结 31
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
现代生产工业中对零件的要求在逐渐提高，零件要想满足现在工业的发展水平，就必须让材料在塑韧性、硬度、强度等多种方面满足一定的所需要求，且材料的耐腐蚀性、导热性、导电性等方面也要和零件的应用需求相吻合。然而一种材料并不能充分满足零件所需要的使用性能以及物理性能。与其相对的异种材料焊接结构即可以充分满足所需要的各项性能，又能降低成本，相较于同种材料，异种材料焊接结构能更好的应用于现代工业中。
铌熔点约2468℃，沸点约4742℃，表面呈灰白色。在室温空气中，铌比较稳定。铌具有较好的综合性能和较高的强度，故铌材料用途也十分广泛，在航空航天工业、医疗领域，原子能工业，电子工业，超导材料工业，钢铁工业等均有较为广泛的应用。而且铌合金是也是极为重要的超导体材料，被广泛应用于超导体工业中。而航天航空领域更加注重铌及铌合金材料，发动机与各种部件的生产与铌及铌合金息息相关。在很多国家，军用战斗机的耐热部件都是使用铌合金，比如一架F15或F16的军用飞机发动机，要使用铌78kg和钛2400kg。超音速飞机的翼前端，涡轮叶片等都大量的使用铌合金。综上所述，由于铌及铌合金在众多领域都有着至关重要的作用，同时也为了完善铌的其他方面性能，可以通过不同的焊接方式，不同的焊接参数将其他金属与铌进行焊接，从而得到良好的焊接结构，既满足铌的需求，又可以充分发挥其他金属与铌的焊接结构的特点。所以对铌和其他金属的焊接结构的研究显得至关重要。
304不锈钢是一种应用很广泛的钢材，304不锈钢属于奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢主要成分是Fe元素，并且Cr、Ni为主要的合金元素，合金元素所占比例为：Cr约占18%左右，Ni约占8%左右，所以304不锈钢又称188型不锈钢。304不锈钢具有无磁性，具有较好的断面收缩率和伸长率，它还具有十分优异的焊接性和很好的力学性能，更重要的是随着温度的降低，奥氏体不锈钢的冲击韧度减少缓慢，没有脆性转变温度，所以它在低温下的塑韧性表现很出色。基于其特性用于制造耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备很合适。奥氏体不锈钢在航天航空领域中主要应用大型液体燃料运载火箭、高强度低温压力容器和低压流体容器，1Cr17Ni7用于压力稳定的硬壳式机身结构舱壁、高强度压力容器，oCr18Ni10Ti用于燃料贮罐。性能的优异使其很在很多领域都有被用到。
为了发挥304不锈钢与铌材料的各自性能优势，使得他们能更好的满足众多领域对其的要求，又可以降低生产成本，提高生产的收益。故而研究304不锈钢与铌的焊接结构件就显得至关重要了。而异种材料的焊接会伴随着很多问题，两者在物理性能和化学性能方面的差异决定着两者的焊接困难性，例如，虽然304不锈钢和铌具有减轻构件重量的同时提高该部位的耐高温能力这一特点，但是这两种材料在物理性能和化学性能方面都存在这很大的差异，对这两种材料进行焊接直接导致的后果就是304不锈钢与铌的焊接接头铌侧焊缝区容易产生反应层，而反应层是由脆性金属间化合物组成，它的存在直接引发的后果就是会导致焊接接头的强度和塑性降低，从而显著降低焊接结构的力学性能。因此，焊接这两种异种材料所选择焊接方法更显得十分重要。本课题选用激光焊作为主要连接方法，相较于其他焊接方法，激光焊具有加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良，焊接速度快，生产率高等特点。随着现代工业和科技的发展，激光焊设备也逐渐发达，方法也日渐成熟，且激光焊在众多领域都有着广泛的应用，其前景也十分广阔[13]。
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 2
1.2.1 不锈钢与铌的物理性能角度分析 2
1.2.2 不锈钢与铌的冶金学角度分析 3
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 熔钎焊 8
1.3.4 存在问题 9
1.4 主要研究内容 9
第二章 实验材料、仪器和方法 10
2.1 焊接材料 10
2.2 焊接仪器 11
2.3 热模拟试验仪器 12
2.4 激光焊焊接实验 12
2.4.1 焊前准备 12
2.4.2 施焊 13
2.5热模拟试验 13
2.5.1 热模拟试样制备 13
2.5.2 热模拟试验过程 15
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/> 2.6 分析测试 17
2.6.1 拉伸试验 17
2.6.2 显微组织分析 18
2.6.3 相组成分析 18
第三章 热模拟试验后接头组织分析 19
3.1 接头宏观形貌及显微组织分析 19
3.2 焊缝区化学成分组成和相组成分析 20
3.3 接头横截面的缺陷 22
3.4 本章小结 24
第四章 接头反应层演化规律及接头力学性能分析 25
4.1 铌与焊缝交界处反应层分析 25
4.2 IMC层对接头力学性能的影响机制 29
4.3 本章小结 31
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
现代生产工业中对零件的要求在逐渐提高，零件要想满足现在工业的发展水平，就必须让材料在塑韧性、硬度、强度等多种方面满足一定的所需要求，且材料的耐腐蚀性、导热性、导电性等方面也要和零件的应用需求相吻合。然而一种材料并不能充分满足零件所需要的使用性能以及物理性能。与其相对的异种材料焊接结构即可以充分满足所需要的各项性能，又能降低成本，相较于同种材料，异种材料焊接结构能更好的应用于现代工业中。
铌熔点约2468℃，沸点约4742℃，表面呈灰白色。在室温空气中，铌比较稳定。铌具有较好的综合性能和较高的强度，故铌材料用途也十分广泛，在航空航天工业、医疗领域，原子能工业，电子工业，超导材料工业，钢铁工业等均有较为广泛的应用。而且铌合金是也是极为重要的超导体材料，被广泛应用于超导体工业中。而航天航空领域更加注重铌及铌合金材料，发动机与各种部件的生产与铌及铌合金息息相关。在很多国家，军用战斗机的耐热部件都是使用铌合金，比如一架F15或F16的军用飞机发动机，要使用铌78kg和钛2400kg。超音速飞机的翼前端，涡轮叶片等都大量的使用铌合金。综上所述，由于铌及铌合金在众多领域都有着至关重要的作用，同时也为了完善铌的其他方面性能，可以通过不同的焊接方式，不同的焊接参数将其他金属与铌进行焊接，从而得到良好的焊接结构，既满足铌的需求，又可以充分发挥其他金属与铌的焊接结构的特点。所以对铌和其他金属的焊接结构的研究显得至关重要。
304不锈钢是一种应用很广泛的钢材，304不锈钢属于奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢主要成分是Fe元素，并且Cr、Ni为主要的合金元素，合金元素所占比例为：Cr约占18%左右，Ni约占8%左右，所以304不锈钢又称188型不锈钢。304不锈钢具有无磁性，具有较好的断面收缩率和伸长率，它还具有十分优异的焊接性和很好的力学性能，更重要的是随着温度的降低，奥氏体不锈钢的冲击韧度减少缓慢，没有脆性转变温度，所以它在低温下的塑韧性表现很出色。基于其特性用于制造耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备很合适。奥氏体不锈钢在航天航空领域中主要应用大型液体燃料运载火箭、高强度低温压力容器和低压流体容器，1Cr17Ni7用于压力稳定的硬壳式机身结构舱壁、高强度压力容器，oCr18Ni10Ti用于燃料贮罐。性能的优异使其很在很多领域都有被用到。
为了发挥304不锈钢与铌材料的各自性能优势，使得他们能更好的满足众多领域对其的要求，又可以降低生产成本，提高生产的收益。故而研究304不锈钢与铌的焊接结构件就显得至关重要了。而异种材料的焊接会伴随着很多问题，两者在物理性能和化学性能方面的差异决定着两者的焊接困难性，例如，虽然304不锈钢和铌具有减轻构件重量的同时提高该部位的耐高温能力这一特点，但是这两种材料在物理性能和化学性能方面都存在这很大的差异，对这两种材料进行焊接直接导致的后果就是304不锈钢与铌的焊接接头铌侧焊缝区容易产生反应层，而反应层是由脆性金属间化合物组成，它的存在直接引发的后果就是会导致焊接接头的强度和塑性降低，从而显著降低焊接结构的力学性能。因此，焊接这两种异种材料所选择焊接方法更显得十分重要。本课题选用激光焊作为主要连接方法，相较于其他焊接方法，激光焊具有加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良，焊接速度快，生产率高等特点。随着现代工业和科技的发展，激光焊设备也逐渐发达，方法也日渐成熟，且激光焊在众多领域都有着广泛的应用，其前景也十分广阔[13]。
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