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1、电子束深穿透焊接过程匙孔动力学研究进展周琦、1 刘方军1n 自n I * 自W m m n I 目 t # n m 2 “翩t 十* x n m1 0 _ 。8 34 T * “ “# 8 n 女 * 女m * 。* 目* T 自r * 镕 女n “ 4 H 十# 女M 口* # 镕镕A 日g 女n * 。目7 _ 】L “月d f $ * l l # ，$ # 目m m n m * d # * * ，目z T * # 日* “ ”自* “镕女* R * # w z $ m * * * T 自f m 日“ 4 # 月d 十P m 8 * e m = m 自十x * 8 日* n ”# 目# 月
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3、状 2007简述了电子束焊接,尤其是深熔焊领域的研究成果;在归纳前人对焊接热源模型和匙孔动力学等方面研究的基础上分析了不同热源模型和研究方法的 特点;提出了对电子束焊接过程进一步研究工作的展望.3.期刊论文 张海泉.李刘合.张彦华.李光.夏立芳.史建刚 电子束焊接动态过程仿真分析 -材料科学与工艺2002,10(3)基于有限差分理论和入射电子束服从高斯分布、在有限平板中匙孔理想化为旋转抛物面的基本假设,利用C+Builder快速开发软件,在WindowS NT平 台上综合OpenGL图形接口及多线程技术开发了电子束焊接动态过程仿真系统EBWSIM.结果表明:该系统通过友好的图形用户界面可实现工
4、艺参数、材料参 数、约束控制、视点追踪等焊接过程与移动热源焊接匙孔及其三维温度场的可视化实时交互,并能够实时仿真电子束深熔焊各点的热循环、焊缝横截面、 热影响区分布、焊缝钉形缺陷和匙孔曲面的形成过程,模拟结果与实验数据吻合较好.4.期刊论文 吴会强.冯吉才.何景山.张秉刚 电子束焊接过程温度应力场三维有限元仿真 -焊接技术2004,33(6)利用MSC.MARC有限元分析软件,在考虑电子束焊接匙孔效应基础上,采用双椭圆热模型,通过增大热传导系数、降低弹性模量和屈服强度的方法来模拟 焊接过程中流体的流动效应,并采用自编子程序模拟了热源移动的过程,给出了铝锂合金电子束焊接过程中的温度应力场分布.计
5、算结果表明:铝锂合金电 子束焊接时,电子束热源对焊缝热冲击较大,焊缝附近处最高温度可达1 300左右,三维方向上存在巨大温度梯度,成为热应力集中产生的根源.同时分析 了焊缝不同位置处的等效应力演化过程,发现焊缝初始端应力剧烈振荡,处于复杂的三维应力状态,且自始至终高于焊缝的其他位置处的应力分布,成为接 头区域薄弱环节.5.会议论文 张海泉.李刘合.张彦华.史建刚.李光.夏立芳 电子束焊接动态过程仿真分析 2001在Windows NT平台上采用C+Builder快速开发软件和OpenGL图形接口技术开发了电子束焊接动态过程仿真系统.该系统能够实时仿真电子束深熔焊各 点的热循环、焊缝横截面、热影
6、响区分布、焊缝钉形缺陷和匙孔曲面的形成过程,模拟结果与实验数据吻合.6.期刊论文 张秉刚.何景山.冯吉才.吴林.杨卫鹏.朱春玲.李宏伟 铬青铜与双相不锈钢电子束焊接头组织及形成 -中国有色金属学报2004,14(9)对QCr0.8与1Cr21Ni5Ti的2 mm厚平板试件进行了等厚对中电子束焊接;采用光学显微镜、扫描电镜能谱分析方法对接头区显微组织及成分进行了研究 ,确定了显微组织构成;根据电子束焊接的特点,建立了QCr0.8与1Cr21Ni5Ti等厚对中电子束焊接接头形成的物理模型,并对接头不均匀组织的形成机制进 行了探讨.结果表明:QCr0.8/1Cr21Ni5Ti等厚对中电子束焊接接头显
7、微组织形貌为组织及化学成分极不均匀的Cu(Fe)+(+)的铸态混合组织,其宏观组 织可分为3个区域:显微组织结构相同,均为以Cu(Fe)为主,内有一定数量不均匀弥散分布的+相混合组织的焊缝左上部组织区及焊缝底部组织区;以 +相为主,内有少量弥散分布的Cu(Fe)颗粒混合组织的焊缝中部组织区;接头组织的形成是由接头金属熔化及匙孔形成阶段,接头凝固的初期阶段(析出 +相,并形成3个区域),接头凝固的中期阶段(+相结晶完成),接头凝固的后期阶段(形成Cu(Fe)相,焊缝完全变为固态),接头凝固的最终阶段(元素 扩散及相变,形成最终组织)联合作用的结果.7.期刊论文 张海泉.张彦华.赵海燕.张行安 镍
8、基高温合金电子束焊缝形貌预测模型及其验证 -航空材料学报2004,24(5)针对深熔电子束焊特有的钉形焊缝形貌特征,在综合考虑了熔池和匙孔中能量吸收与再分布效应的基础上,建立了高斯面热源和圆柱体热源组合的移 动热输入数值模型.进而利用ANSYS通用有限元软件,对镍基高温合金GH4133电子束焊的完全穿透和部分穿透焊接温度场进行了三维数值模拟,分析中考虑 了辐射换热和温度相关材料性能的影响.两种情况下的预测结果与实际接头的焊缝金相轮廓吻合良好,证明了组合热源模型的有效性,为进一步开展热-力- 组织多场耦合的准确分析提供了可靠的保证.8.期刊论文 张秉刚.冯吉才.吴林.李宏伟.杨卫鹏.朱春玲.ZH
9、ANG Bing-gang.FENG Ji-cai.WU lin.LI Hong-wei.YANG Wei-peng.ZHU Chun-ling 铬青铜与双相不锈钢电子束熔钎焊接头形成机制 -焊接学报2005,26(2)采用光学金相、能谱分析及电子探针元素分析方法对QCr0.8/1Cr21Ni5Ti电子束熔钎焊接接头的组织结构进行了研究.研究结果表明,铬青铜与双相不 锈钢电子束熔钎焊接头的焊缝组织为宏观均匀的Fe在Cu中的过饱和固溶体相,熔钎界面上部形成了与焊缝及钢侧母材连结良好的一薄的+相熔合过渡 层,下部为钎合面.给出了铜钢异种材料电子束熔钎接头形成的结构和热作用条件,并基于组织结构分析和
10、电子束焊接的特点,建立了QCr0.8/1Cr21Ni5Ti电 子束熔钎焊接接头形成的物理模型,探讨了其形成机制.分析认为,QCr0.8/1Cr21Ni5Ti电子束熔钎焊接头组织结构的形成是由匙孔形熔池形成阶段、熔合 过渡层形成阶段、钎缝形成阶段及最终组织形成阶段组成.9.期刊论文 贾坤荣.刘军.岳珠峰.JIA Kunrong.LIU Jun.YUE Zhufeng 厚板焊接温度场和残余应力场的数值模拟 -热加工工艺2009,38(17)运用有限元计算软件ABAQUS,对10 mm厚钢板电子束焊接温度场和残余应力场进行了数值模拟.有限元模型中选用三维实体单元,采用非耦合方法,并考 虑了材料物理性
11、能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响.针对电子束焊接热源的特点采用移动体积生热的高斯锥形分布的模式来模拟匙孔效应.温 度场计算结果表明,焊件热影响区狭窄.计算结果分别给出了焊缝部位上、中、下表面的纵向、横向和板厚方向残余应力分布.结果表明,焊缝区大部分区 域三个位置的应力无显著差异,但是在起焊点和收焊点三处应力存在显著差异;焊缝区残余纵向拉应力分布在焊缝两侧各20mm区域,最大值达到材料屈服应 力.残余应力的分布与厚板焊接理论相一致.10.学位论文 吴会强 钛铝金属间化合物电子束焊接接头组织及断裂行为研究 2005钛铝合金因其优异的机械性能在航空、航天、军事及民用领域表现出良好的前景。世界
12、各国材料研究工作者争先开展此类金属间化合物实用化技术 的研究工作。近年来针对此类材料连接问题也成为焊接领域的研究热点。本课题针对此类合金固相连接技术的局限性，研究了不同铝含量的钛铝合金(主 要是Ti3Al及TiAl)的电子束焊接接头的组织特征及断裂行为。采用电子束焊接Ti3Al-Nb合金时，电子束焊缝外观成形良好。在采用加速电压55kV、聚焦电流2590mA、焊速400mm/min、束流14mA的最佳焊接规范下 ，得到抗拉强度839MPa的焊接接头，可达母材强度的92.7。焊缝区断口形貌显示除局部地区有韧性特征外，大部分区域为起源于晶界或相界的河流花 样和扇形花样，呈脆性断裂。Ti3Al-Nb
13、合金电子束焊缝中主要是由B2相组成，并含有少量2相，且不随焊接线能量的变化而改变，焊接线能量只影响 Ti3Al-Nb合金电子束焊接接头晶胞形貌尺寸和位向。焊缝产生这种不同结晶形态的主导因素是焊缝中Nb，Al元素不均衡性，匙孔渠道温度梯度和结晶速 度的差异。与母材相比，热影响区和熔合区的硬度有显著增加，具有明显的不均匀性，并且HAZ的硬度显著高于FZ区，焊缝中心区域的硬度在整个焊缝区 最低。热处理机制对焊缝组织形态有重要影响。1000热处理后试样的焊缝晶粒中为2相和B2相相间的层片状组织(魏氏组织)，650热处理后试样焊 缝为B2相晶粒的基体中析出了少量小块状的2相，两种热处理机制都会使接头显微
14、硬度分布均匀性提高。Ti3Al接头组织中2相体积不同，焊缝中裂纹的萌生部位截然不同。等轴状2晶粒对裂纹的扩展具有一定的阻碍作用，裂纹大多数沿着等轴状 2晶粒与基体B2相边界扩展(断裂模式)。焊缝中初生2相体积分数低时，变形首先发生于晶粒粗大的B2相中，裂纹通常沿B2相解理面萌生，2晶粒 对裂纹的阻碍作用较小(断裂模式)。电子束焊接TiAl基合金易产生宏观裂纹，对焊接规范较为敏感。在加速电压55kV，焊接速度300mm/min、束流22mA、聚焦电流2590mA焊接条件下，铸 态TiAl焊接接头最高抗拉强度达224.3MPa，接近母材强度的62.27，抗弯强度为521.4MPa，达母材强度76.
15、87。电子束焊接包套锻处理TiAl接头最高 抗拉强度达328.7MPa接近母材强度的62.14，接头抗弯强度为542.9MPa，为母材强度的64.84。TiAl接头焊缝主要为层片状2+和块状m混合性织构组织。焊接冷却速度的提高，焊缝残余相(2)会增多，且两者近乎呈线性关系。焊接过 程中形成的2相成为接头裂纹开裂的主要组织因素。此外2与相结构上的差异以及由此产生的相变应力，电子束对试件本身的热冲击产生热致应力 ，也是导致接头区域裂纹敏感性的重要因素之一。焊接特殊的热循环特征，会使焊缝组织中片层组织形成后，在缓慢冷却过程中发生不连续的粗化行为。同时建立了焊缝片层间距随焊接冷却速度 ，及基体母材Al
16、含量变化的数学模型和层片状组织长大速率的数学模型。利用焊接热模拟试验，分析了合金元素对TiAl基合金电子束可焊性的影响规律 ，初步探讨了夹层Nb箔，Ti箔间隙元素的引入对钛铝合金焊接性的影响，利用Ti层焊接铸态TiAl合金接头强度得到某种程度的改善。分析了焊后热处理 对组织形态及晶粒细化作用，发现采用1200+2h热处理规范时，焊缝晶粒相比于母材晶粒细化程度较高。采用动态拉伸试验，研究了TiAl接头的断裂行为。TiAl焊缝缺口前端萌生微裂纹，微裂纹易在平行于层片方向形核，裂纹进行跳跃式扩展。TiAl接 头中片层组织位向对裂纹扩展有重要影响。当裂纹平行于片层时裂纹较易扩展，当裂纹近似垂直于片层，裂纹有较强止裂倾向。从裂纹偏转和裂尖钝化 机理，
