软铁弹带TIG堆焊工艺及界面研究

论文摘要

在铜弹带的TIG堆焊过程中,容易存在界面渗透裂纹,铜堆焊层泛铁导致弹带硬度升高等缺点。本文选用软铁（含碳量小于0.04%的工业纯铁）代替铜作为弹带的堆敷材料,采用冷丝TIG焊、自主设计的热丝TIG焊及振动TIG焊的方法在炮弹基体上进行软铁堆焊试验,基体主要有20#、45#和50#钢。对软铁堆焊进行工艺摸索,分析比较不同焊接方法及参数对软铁堆焊接头的宏观成形、连接界面形态和堆焊层微观组织的影响,研究堆焊层的硬度大小及分布的影响规律,测量堆焊层剪切强度并进行实弹发射检验软铁弹带的效果。利用冷丝焊接方法进行了工艺摸索,30mm口径炮弹的软铁弹带时合适的参数为:焊接电流180-220A,送丝速度1.3-1.5m/min,转动周期100-110s,气流量10 L/min。发明了新型的双TIG电源热丝焊接技术,大幅提高了送丝速度,降低了主弧焊枪电流。而振动焊接能够降低焊接电流,增加送丝速度,改善堆焊层组织。软铁堆焊接头的宏观照片显示,随着焊接电流的增大,堆焊层宽度增加、高度减少,基体热影响区范围变大。背部水冷能有效减小接头热影响区的大小。对接头界面进行金相显微镜及扫描电镜观察发现,焊接电流越大,基体界面熔化量越多,越过界面进入熔池的碳元素也越多。热丝焊接使界面附近粗晶区晶粒严重长大,部分粗晶区晶粒熔化,界面上联生晶粒度较大,而振动焊接接头的界面组织比较细小。通过对软铁堆焊层微观组织观察发现,冷丝焊接电流小于180A时,20#钢基体的软体堆焊层组织构成基本为铁素体,电流达到220A时,堆焊层中出现了粒状贝氏体。热丝焊接的堆焊层组织则由垂直于熔合线的柱状铁素体、块状铁素体、粒状珠光体、少量贝氏体等组织构成。振动焊接的堆焊层多为铁素体组织。当基体不同时,随着基体含碳量增加,软铁堆焊层则会相继出现珠光体和贝氏体类型组织。研究堆焊层机械性能发现,降低焊接电流、选用含碳量低的母材和背部水冷方式均能降低软铁堆焊层的硬度,振动焊接的方法能使20#钢基体的软铁堆焊层的平均硬度降到160HV左右,比其他两种方法降低15HV左右,接近机械压带的水平。对三种焊接方法得到的接头进行剪切试验,软铁堆焊层及铜堆焊层断口撕裂方式一样,均位于弹带层上,连接界面处的强度值要高于炮弹堆焊层本身的强度。实弹发射试验效果良好,表明了软铁能代替铜作为弹带的堆焊材料可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外弹带焊接技术的发展现状
• 1.3 软铁与钢焊接的研究现状
• 1.4 热丝TIG 焊接技术研究现状
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第2章 试验设备、材料与方法
• 2.1 试验设备
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 冷丝焊接
• 2.3.2 热丝焊接
• 2.3.3 振动焊接
• 2.4 焊接试验与分析
• 2.4.1 焊接前期准备
• 2.4.2 焊接试验
• 2.4.3 接头微观组织分析
• 2.4.4 接头力学性能测试
• 第3章 焊接工艺对堆焊接头成形的影响
• 3.1 引言
• 3.2 焊接工艺对比
• 3.2.1 冷丝焊接工艺探索
• 3.2.2 热丝焊接工艺试验
• 3.2.3 振动焊接工艺试验
• 3.3 焊接工艺对接头宏观形貌的影响
• 3.3.1 宏观接头对比
• 3.3.2 堆焊层宽度与焊接电流的关系
• 3.3.3 堆焊层高度与焊接电流的关系
• 3.3.4 接头热影响区大小与焊接电流的关系
• 3.3.5 背部水冷对接头热影响区大小的控制
• 3.4 本章小结
• 第4章 堆焊接头微观组织分析
• 4.1 引言
• 4.2 堆焊接头热影响区组织分析
• 4.3 软铁堆焊接头界面组织分析
• 4.3.1 堆焊层界面
• 4.3.2 焊接电流对界面形貌及合金元素分布的影响
• 4.3.3 焊接方法对界面形貌及合金元素分布的影响
• 4.4 软铁堆焊层组织分析
• 4.4.1 焊接电流对堆焊层组织的影响
• 4.4.2 焊接方法对堆焊层组织的影响
• 4.4.3 不同母材对堆焊层组织的影响
• 4.4.4 空冷对堆焊接头组织的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 堆焊接头力学性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 硬度试验
• 5.2.1 不同基体软铁堆焊层的平均硬度
• 5.2.2 不同焊接电流软铁堆焊层的平均硬度
• 5.2.3 不同冷却条件软铁堆焊层的平均硬度
• 5.2.4 不同基体软铁堆焊层的硬度分布
• 5.2.5 不同焊接方法软铁堆焊层的硬度分布
• 5.3 剪切试验
• 5.4 实弹打靶试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢