铝锂合金电子束焊接工艺及其接头组织与性能

论文摘要

铝锂合金由于具有密度低、比强度高、低温性能和抗蚀性能好等特点，目前正逐渐取代常规铝合金而广泛应用于制作飞机油箱以及航天飞机的低温贮箱等部件，被认为是一种理想的航空航天结构材料。此外，铝锂合金在汽车、船舶和体育用品等领域中也有一定应用。由于铝锂合金在工业生产中大多作为焊接结构使用，采用常规的焊接方法如MIG、TIG焊等焊接铝锂合金时，易产生接头热影响区软化、焊缝气孔以及结晶裂纹等缺陷，使其应用受到很大限制。真空电子束焊具有能量密度高、热输入小、保护气氛好等特点，采用电子束工艺焊接铝锂合金可获得焊缝晶粒细小、热影响区小、强度系数高的焊接接头。此外，对电子束焊接过程进行数值模拟分析，得到焊接温度场及应力场分布，可为实际焊接工艺优化提供指导。基于此，本文在采用ANSYS有限元分析优化电子束工艺参数的基础上，对航空航天等领域中应用广泛的1420及2090铝锂合金的电子束焊接工艺进行研究，分析电子束流、焊接速度及扫描方式对接头组织和性能的影响，并对接头进行焊后热处理，将焊态下及热处理后接头的组织与性能进行对比，分析热处理后接头中强化相的析出。数值模拟分析结果表明，铝锂合金电子束焊接具有很快的升温速度和降温速度，在焊缝附近的温度梯度较大，采用组合热源所获得焊缝的熔合线形状与实际焊缝十分吻合，呈钉形分布特征。在电子束焊接过程中，熔池前部存在一定压应力，而在焊缝附近存在高值纵向拉应力。采用有限元优化电子束流及焊接速度等工艺参数，当电子束流为I=8mA、焊接速度为V=1000mm·min-1时，接头处于临界熔透状态，且焊缝附近的拉应力峰值大大降低。接头显微组织观察表明，铝锂合金电子束焊接头组织构成以共晶相为主，在晶内分布少量强化相，另外在熔合线附近出现等轴细晶区（EQZ），这与铝锂合金中的Li和Zr元素有关。在焊接过程中采用圆形扫描可增强对熔池的搅拌作用，减少合金元素偏析，使晶界共晶相的尺寸减小且增加晶内共晶相的数量，有利于提高晶界强度。此外，圆形扫描还通过其搅拌作用增加熔池中非均匀形核质点Al3Zr的数量，提高熔池的形核率，细化焊缝组织。直线扫描对熔池的搅拌作用不及圆形扫描，因此对焊缝晶粒的细化作用不佳，焊缝组织中的晶界共晶相有所粗化。对接头进行力学性能测试，结果显示，添加圆形扫描获得接头的抗拉强度较高，直线扫描次之，而未添加扫描的最低。由于圆形扫描可以显著减少焊接过程中合金元素的烧损，有利于保持其强化作用效果，因此获得接头的强度较高。接头显微硬度测试表明，焊缝金属区的硬度低于母材和热影响区，在热影响区出现软化现象。采用圆形扫描获得接头的硬度值相对较高，这是由于圆形扫描可通过电子束的回扫运动熔断已经长大的枝晶，使熔池内部异质形核表面的数量增加，从而细化焊缝组织。接头拉伸断口扫描观察表明，未添加扫描的接头呈脆性沿晶断裂特征，而添加圆形扫描的接头呈塑韧性较好的穿晶断裂特征，在断口表面分布有较多细小的韧窝。将在焊态下和热处理后1420和2090铝锂合金接头的显微组织和力学性能进行对比发现，热处理后两种铝锂合金接头的强度均显著提高，但接头的延伸率有所下降。热处理后接头焊缝中析出了数量较多且尺寸细小的强化相，经接头XRD测试和TEM观察证实，1420焊缝中的强化相以球状δ′相为主，2090焊缝中的强化相以球状δ′相和针状T1相为主，这些强化相析出有利于提高接头的强度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铝锂合金的发展及应用
• 1.1.1 铝锂合金的发展概况
• 1.1.2 铝锂合金的性能及热处理特点
• 1.1.3 铝锂合金的应用
• 1.2 铝锂合金的焊接性特点
• 1.2.1 铝锂合金的焊接性分析
• 1.2.2 铝锂合金的主要焊接方法
• 1.3 铝锂合金的电子束焊接研究现状
• 1.4 铝锂合金电子束焊接过程数值模拟
• 1.5 本课题研究的目的、意义及主要研究内容
• 1.5.1 本课题研究的目的及意义
• 1.5.2 本课题主要研究内容
• 第二章 铝锂合金电子束焊接数值模拟
• 2.1 焊接过程有限元分析基础
• 2.1.1 焊接温度场分析
• 2.1.2 焊接应力场分析
• 2.2 铝锂合金电子束焊接有限元模拟分析过程
• 2.2.1 有限元模型建立及网格划分
• 2.2.2 定义材料属性
• 2.2.3 热源模型的选取
• 2.2.4 初始条件和边界条件
• 2.2.5 加载和求解
• 2.3 焊接数值模拟计算结果及分析
• 2.3.1 焊接温度场计算结果及分析
• 2.3.1.1 电子束焊接温度场分布云图
• 2.3.1.2 试件上各节点的焊接热循环
• 2.3.1.3 电子束工艺参数对温度场分布的影响
• 2.3.1.4 模拟结果验证
• 2.3.2 焊接应力场计算结果及分析
• 2.3.2.1 焊接过程动态应力结果及分析
• 2.3.2.2 焊接残余应力结果及分析
• 2.4 工艺优化
• 2.5 本章小结
• 第三章 焊接工艺过程及其实验分析
• 3.1 试验材料及方案
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 电子束焊接试验
• 3.1.3 焊后热处理试验
• 3.2 试验结果及分析
• 3.2.1 接头微观组织结构分析
• 3.2.2 接头力学性能测试
• 3.3 本章小结
• 第四章 铝锂合金电子束焊接头的微观组织结构
• 4.1 1420 铝锂合金接头显微组织观察与分析
• 4.1.1 1420 铝锂合金母材组织
• 4.1.2 1420 铝锂合金接头过渡区组织
• 4.1.3 1420 铝锂合金接头焊缝组织
• 4.2 热处理对 1420 铝锂合金电子束焊接头组织的影响
• 4.2.1 热处理对 1420 铝锂合金母材组织的影响
• 4.2.2 热处理对 1420 铝锂合金接头过渡区组织的影响
• 4.2.3 热处理对 1420 铝锂合金接头焊缝组织的影响
• 4.3 2090 铝锂合金接头显微组织观察与分析
• 4.3.1 2090 铝锂合金母材组织
• 4.3.2 2090 铝锂合金接头过渡区组织
• 4.3.3 2090 铝锂合金接头焊缝组织
• 4.4 热处理对 2090 铝锂合金电子束焊接头组织的影响
• 4.4.1 热处理对 2090 铝锂合金母材组织的影响
• 4.4.2 热处理对 2090 铝锂合金过渡区组织的影响
• 4.4.3 热处理对 2090 铝锂合金接头焊缝组织的影响
• 4.5 铝锂合金电子束焊接头焊缝 TEM 观察
• 4.5.1 1420 铝锂合金电子束焊接头焊缝 TEM 观察
• 4.5.2 2090 铝锂合金电子束焊接头焊缝 TEM 观察
• 4.6 铝锂合金电子束焊接头焊缝金属 X 射线衍射分析
• 4.6.1 热处理前后 1420 铝锂合金电子束焊接头焊缝金属物相分析
• 4.6.2 热处理前后 2090 铝锂合金电子束焊接头焊缝金属物相分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 铝锂合金电子束焊接头的力学性能与断口分析
• 5.1 接头拉伸试验结果及断口扫描分析
• 5.1.1 1420 铝锂合金电子束焊接头拉伸试验及断口扫描
• 5.1.2 2090 铝锂合金电子束焊接头拉伸试验及断口扫描
• 5.2 接头显微硬度测试与结果分析
• 5.2.1 1420 铝锂合金电子束焊接头显微硬度测试
• 5.2.2 2090 铝锂合金电子束焊接头显微硬度测试
• 5.3 热处理对铝锂合金电子束焊接头力学性能与断裂机制的影响
• 5.3.1 热处理对接头拉伸性能的影响
• 5.3.2 热处理对接头显微硬度的影响
• 5.3.3 热处理对断口形貌的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表（录用）论文情况