钛与40cr钢的激光焊工艺研究(附件)【字数：12512】
摘 要摘 要 本课题对TA2和40Cr进行激光焊接试验，添加了例如0.5mmV+0.5mmCu、0.5mmV+0.75mmCu、0.5mmV+1mmCu、0.5mmV+1.25mmCu作为中间层，研究了不同功率，以及不同中间层对于焊缝组织和性能的影响。通过光学显微镜、扫描电镜、物相和断口形貌对接头的组织和成分进行分析，通过抗拉强度和显微硬度测试对接头的力学性能作出评价。加入Cu/V作为中间层能够有效的避免或减少Fe与Ti的接触。当加入0.5mmV/0.5mmCu作为中间层焊接时，焊接时直接断裂。当加入0.5mmV/0.75mmCu作为中间层焊接时，第一种（2500W/2700W）和第二种功率（2600W/2800W）焊接时直接断裂,第三种功率（2700W/2900W）焊接时未开裂，焊接接头由TA2/V焊缝、未熔的V、V/40Cr焊缝三个部分组成，焊接接头的抗拉强度仅为88.5MPa。当加入0.5mmV/1mmCu作为中间层焊接时，焊接时未开裂，焊接接头由TA2/V焊缝、未熔的Cu、V/40Cr焊缝三个部分组成，焊接接头最高的抗拉强度为251.3MPa。当加入0.5mmV/1.25mmCu作为中间层焊接时，焊接时未开裂，焊接接头由TA2/V焊缝和V/40Cr焊缝两部分组成，焊接接头的抗拉强度有所下降，仅为144.4MPa。加入4种不同中间层进行拉伸实验，微观断口均显示为脆性断裂。加入0.5mmV/0.5mmCu作为中间层时断口处有较多的V，硬度比较高。加入0.5mmV/0.75mmCu作为中间层时，焊缝中有未熔的Cu，硬度比较软。加入0.5mmV/1mmCu作为中间层时，焊缝中存在较多的未熔的V，硬度比较高。加入0.5mmV/1.25mmCu作为中间层时,焊缝中存在的Cu和Fe固溶体硬度比较高，Cu和V的固溶体硬度比较低。关键词TA2；40Cr；激光焊接；中间层Abstract
目录
Abstract 4
第一章 绪论 6
1.1课题背景及意义 6
1．2钛和40Cr钢的焊接性 6
1.2.1物理性能 7
1.2.2化学性能 7
1.3国内外研究现状 8
1.3.1电子束焊 8
1.3.2扩散焊 8
1.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
.3摩擦焊 9
1.3.4激光焊 9
1.3.5爆炸焊 10
1.3.6钎焊 10
1.4课题研究意义及研究内容 11
第二章 试验材料、设备和方法 13
2.1实验材料 13
2.2实验设备 13
2.3实验过程 13
2.3.1焊接材料的准备 14
2.3.2焊接工艺过程 14
2.4焊接接头的分析测试 14
2.4.1金相试样制备 14
2.4.2焊接接头的组织 15
2.4.3断口的分析 15
2.4.4力学性能分析 15
第三章 添加中间层的TA2与40Cr钢激光焊接 17
3.1相图分析 17
3.2解决方案 19
3.3外观形貌 20
3.4金相显微图片 22
3.5扫描电镜分析 24
3.5.1添加0.5mmV+0.5mmCu中间层 24
3.5.2添加0.5mmV+0.75mmCu中间层 25
3.5.3添加0.5mmV+1mmCu中间层 26
3.5.3添加0.5mmV+1.25mmCu中间层 29
3.6拉伸试样 29
3.7微观断口形貌 31
3.8硬度分析 31
总结 34
致谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
随着社会经济的发展，我们对材料的需求越来越高，单一材料的性能已经不能满足我们的需要，而采用异种材料的焊接则可以解决这种问题。异种材料是将两种不同物理性能,不同化学成分的两种或两种以上的材料焊接成符合设计要求的构件，因此异种材料能够兼顾两个材料的物理性能，做到物尽其用[1]。在核电、石油、空间技术、微电子、汽车、医疗等行业应用广泛。由于异种构件在这些行业的广泛应用，钛与钢的连接就成了迫切需要解决的问题。
钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性，高的比强度及良好的耐热性和加工性。因此广泛的应用于航空，航天化工及冶金等各个领域，用于制造飞机火箭、导弹、宇宙飞船、化工机械及仪表仪器等[2]。
由于空间飞行器在减轻重量及提高结构效率方面的特殊要求，航空和宇航工业一向是钛合金的主要应用领域。由于钛合金的性能特点，它首先在航空发电机得到重要应用，代替铝合金、部分不锈钢和高强钢制作压力机的主要构件，如压气机转子叶片、盘、静子叶片和机匣等。军用飞机的钛合金用量也比较大。F14占机重量的24%，F15为31%，SR17则高达93%。中国航天科技集团公司所属中国卫星的子公司东方蓝天钛金科技有限公司为C919大型客机配套的钛合金紧固件主要用于飞机主承力桁架的紧固与连接，可大大减轻飞机的结构重量，提高飞行性能，降低使用成本[3]。
40Cr钢属于中碳调制钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，具有良好的综合力学性能，较高的淬透性和较高的疲劳强度，可以用于制造较重要的在交变载荷下工作的机械零件，如用于制造齿轮和轴类等[4]。40Cr钢作为常用的齿轮和轴类材料，在经过调制处理后可以满足齿轮和轴类的一般要求，但如果要获得更好的表面耐磨性和硬度，拥有更长的寿命，就需要钛和40Cr钢的连接。由于钛的耐腐蚀性，生物医学界可以用钛和钢开发不同性能和耐腐蚀性能的机械设备[5]。
钛和40Cr钢的连接既拥有钛的高强度，耐腐蚀性，耐热性和较好的加工性能，又可以减少钛的使用，节约成本。本课题用3mm厚的TA2薄板和40Cr薄板进行激光焊接，以此来研究其焊接后性能。
1．2钛和40Cr钢的焊接性
1.2.1物理性能
异种金属的焊接，无论从焊接机理和焊接的操作技术上都比同种金属复杂的多，这是因为异种金属的物理性能、化学性能以及化学成分有明显的差别。
由表格1.1可以看出两种金属的线膨胀系数差别比较大，线膨胀系数大的金属热膨胀率大，冷却时收缩也大，在熔池结晶时会产生很大的残余应力。由于焊缝两侧金属承受的应力状态不同，所以易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材的剥落。熔点的差异会导致当低熔点的金属融化会深入过热区的晶界，使过热区的力学性能降低，当高熔点的金属融化时会造成低熔点的金属流失，合金元素烧损蒸发，导致焊接接头难以愈合。金属的热导率差异会导致焊缝的结晶条件发生变化，降低焊接接头质量。
表1.1铁和钛的物理性能
材料
熔点
(℃)
线膨胀系数
(106K1)
热导率
(Wm1K1)
铁(Fe)
1537
11.76
13.8
目录
Abstract 4
第一章 绪论 6
1.1课题背景及意义 6
1．2钛和40Cr钢的焊接性 6
1.2.1物理性能 7
1.2.2化学性能 7
1.3国内外研究现状 8
1.3.1电子束焊 8
1.3.2扩散焊 8
1.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
.3摩擦焊 9
1.3.4激光焊 9
1.3.5爆炸焊 10
1.3.6钎焊 10
1.4课题研究意义及研究内容 11
第二章 试验材料、设备和方法 13
2.1实验材料 13
2.2实验设备 13
2.3实验过程 13
2.3.1焊接材料的准备 14
2.3.2焊接工艺过程 14
2.4焊接接头的分析测试 14
2.4.1金相试样制备 14
2.4.2焊接接头的组织 15
2.4.3断口的分析 15
2.4.4力学性能分析 15
第三章 添加中间层的TA2与40Cr钢激光焊接 17
3.1相图分析 17
3.2解决方案 19
3.3外观形貌 20
3.4金相显微图片 22
3.5扫描电镜分析 24
3.5.1添加0.5mmV+0.5mmCu中间层 24
3.5.2添加0.5mmV+0.75mmCu中间层 25
3.5.3添加0.5mmV+1mmCu中间层 26
3.5.3添加0.5mmV+1.25mmCu中间层 29
3.6拉伸试样 29
3.7微观断口形貌 31
3.8硬度分析 31
总结 34
致谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
随着社会经济的发展，我们对材料的需求越来越高，单一材料的性能已经不能满足我们的需要，而采用异种材料的焊接则可以解决这种问题。异种材料是将两种不同物理性能,不同化学成分的两种或两种以上的材料焊接成符合设计要求的构件，因此异种材料能够兼顾两个材料的物理性能，做到物尽其用[1]。在核电、石油、空间技术、微电子、汽车、医疗等行业应用广泛。由于异种构件在这些行业的广泛应用，钛与钢的连接就成了迫切需要解决的问题。
钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性，高的比强度及良好的耐热性和加工性。因此广泛的应用于航空，航天化工及冶金等各个领域，用于制造飞机火箭、导弹、宇宙飞船、化工机械及仪表仪器等[2]。
由于空间飞行器在减轻重量及提高结构效率方面的特殊要求，航空和宇航工业一向是钛合金的主要应用领域。由于钛合金的性能特点，它首先在航空发电机得到重要应用，代替铝合金、部分不锈钢和高强钢制作压力机的主要构件，如压气机转子叶片、盘、静子叶片和机匣等。军用飞机的钛合金用量也比较大。F14占机重量的24%，F15为31%，SR17则高达93%。中国航天科技集团公司所属中国卫星的子公司东方蓝天钛金科技有限公司为C919大型客机配套的钛合金紧固件主要用于飞机主承力桁架的紧固与连接，可大大减轻飞机的结构重量，提高飞行性能，降低使用成本[3]。
40Cr钢属于中碳调制钢，冷镦模具钢。该钢价格适中，具有良好的综合力学性能，较高的淬透性和较高的疲劳强度，可以用于制造较重要的在交变载荷下工作的机械零件，如用于制造齿轮和轴类等[4]。40Cr钢作为常用的齿轮和轴类材料，在经过调制处理后可以满足齿轮和轴类的一般要求，但如果要获得更好的表面耐磨性和硬度，拥有更长的寿命，就需要钛和40Cr钢的连接。由于钛的耐腐蚀性，生物医学界可以用钛和钢开发不同性能和耐腐蚀性能的机械设备[5]。
钛和40Cr钢的连接既拥有钛的高强度，耐腐蚀性，耐热性和较好的加工性能，又可以减少钛的使用，节约成本。本课题用3mm厚的TA2薄板和40Cr薄板进行激光焊接，以此来研究其焊接后性能。
1．2钛和40Cr钢的焊接性
1.2.1物理性能
异种金属的焊接，无论从焊接机理和焊接的操作技术上都比同种金属复杂的多，这是因为异种金属的物理性能、化学性能以及化学成分有明显的差别。
由表格1.1可以看出两种金属的线膨胀系数差别比较大，线膨胀系数大的金属热膨胀率大，冷却时收缩也大，在熔池结晶时会产生很大的残余应力。由于焊缝两侧金属承受的应力状态不同，所以易使焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝与母材的剥落。熔点的差异会导致当低熔点的金属融化会深入过热区的晶界，使过热区的力学性能降低，当高熔点的金属融化时会造成低熔点的金属流失，合金元素烧损蒸发，导致焊接接头难以愈合。金属的热导率差异会导致焊缝的结晶条件发生变化，降低焊接接头质量。
表1.1铁和钛的物理性能
材料
熔点
(℃)
线膨胀系数
(106K1)
热导率
(Wm1K1)
铁(Fe)
1537
11.76
13.8
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