【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ......................................... 30 78mm 厚鈦合金窄間隙 TIG 焊接變形的測(cè)量 ........................................... 31 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接溫度場(chǎng)的測(cè)定 ...................................................... 33 焊接溫度場(chǎng)測(cè)定試驗(yàn) ................................................................................... 33 溫度場(chǎng)曲線分析 ........................................................................................... 34 本章小結(jié) .............................................................................................................. 37 結(jié) 論 .............................................................................................................................. 38 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 39 致 謝 ............................................................................................................................ 41 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒 論 課題背景及研究的目的和意義 巨大的勘測(cè)難度使深海勘測(cè)一直居于地球科學(xué)的前沿。這種 勘探 要求大額投入和尖端技術(shù)， 這 是 中國(guó)發(fā)展深海探 測(cè) 一個(gè)繞不過(guò)去的坎兒。 國(guó)際在線報(bào)道：中國(guó)國(guó)際廣播電臺(tái)環(huán)球資訊午間話題關(guān)注 “ 蛟龍 ” 號(hào)深海探測(cè)器突破 3700 米事件。中國(guó)科技部、國(guó)家海洋局聯(lián)合發(fā)布：我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的國(guó)家 863計(jì)劃重大專(zhuān)項(xiàng) “ 蛟龍 ” 號(hào)（如圖 11）載人潛水器在中國(guó) 南 海 3000米級(jí) 海上試驗(yàn)取得成功，最大下潛深度達(dá)到 3759 米，創(chuàng)造了水下和海底作業(yè) 9 小時(shí) 03 分的紀(jì)錄，驗(yàn)證了 “ 蛟龍 ” 號(hào)載人潛水器在 3000 米級(jí)水深的各項(xiàng)性能和功能指標(biāo)。這標(biāo)志著我國(guó)深海載人探測(cè)已取得相當(dāng)大的成就。 圖 11 蛟龍?zhí)? 圖 12 國(guó)外一深海探測(cè)器 取得成績(jī)的同時(shí)我們也要看到差距，美國(guó) 1964 年建造的 “ 阿爾文 ” 號(hào)載人潛水器 即可 下潛到 4500m的深海；法國(guó) 1985 年研制成的 “ 鸚鵡螺 ” 號(hào)潛水器最大下潛深度可達(dá) 6000m；我們的鄰居俄羅斯和日本已經(jīng)完成了深海 6000m 級(jí)水深的探測(cè)數(shù)千次。 中國(guó)載人深海探測(cè) 這條路任重而道遠(yuǎn)。 依據(jù)全國(guó)第 11 個(gè)五年計(jì)劃，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（ 863 專(zhuān)項(xiàng)）中海洋技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略目標(biāo)是： “ 深化近淺海、開(kāi)拓深遠(yuǎn)海 ” 。該 部分內(nèi)容 旨在開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的實(shí)用型潛水設(shè)備，建設(shè)和維護(hù)深海海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，以及勘探和海底取樣。項(xiàng)目計(jì)劃 開(kāi)發(fā) 在水下 4500 米的作業(yè)的深海潛水設(shè)備。如圖 13 所示，該潛水器是一個(gè)直徑約為 2m，壁厚 90mm的球形容器，由 12 塊弧瓣 形 鈦合金板拼焊而成。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 圖 13 深海潛水 器效果圖 鈦合金具有密度小、比剛度、比強(qiáng)度高，耐蝕性、耐熱性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、海洋工程、汽車(chē)和醫(yī) 療等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 [1]， 鈦合金 在海洋工況下使用極具優(yōu)勢(shì)，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視鈦材在艦船領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，特別是原蘇聯(lián)全鈦耐壓殼核潛艇的成功制造，標(biāo)志著鈦材在艦船中應(yīng)用的重大突破 [2]。 鈦合金能以更輕 的 重量抵抗更強(qiáng) 的 水壓 ，而且又極耐海水腐蝕，是制造深海探測(cè)器的首選材料。深海探測(cè)器的設(shè)計(jì)厚度是 90mm，因此如何完成厚板鈦合金的焊接，成為深海探測(cè)器制造的關(guān)鍵問(wèn)題。 本課題的研究，正是致力于深海探測(cè)器制造過(guò)程中鈦合金焊接技術(shù)的開(kāi)發(fā)。從更深遠(yuǎn)的角度來(lái)看， 近年來(lái) 厚板 鈦合金 結(jié)構(gòu)在 石油、化工、 能源 等 工業(yè) 領(lǐng)域 的應(yīng)用越來(lái)越多 ，而 且 上述工業(yè)領(lǐng)域 對(duì)于鈦合金的應(yīng)用 由以厚板焊接結(jié)構(gòu)居多，因此一種高效便捷、經(jīng)濟(jì)性好、用于焊接厚板鈦合金的方法對(duì)于推動(dòng)厚板鈦合金結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有著重要意義。 本論文主要是針 對(duì) 4500m 級(jí)深海探測(cè)器項(xiàng)目中厚板鈦合金焊接工藝 進(jìn)行研究，分析焊接接頭組織和性能的基礎(chǔ)上確定最佳的焊接過(guò)程參數(shù)，同時(shí)更深入的探究厚板鈦合金焊接結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律及應(yīng)力、變形的控制等問(wèn)題 ， 為鈦合金深海探測(cè)器制造及厚板鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。 厚板鈦合金焊接性分析 常溫下鈦合金因表面氧化膜的作 用而保持高的穩(wěn)定性和耐蝕性能，在焊接高哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 溫下，鈦合金表面氧化膜變得疏松，使鈦與氫、氧、氮的反應(yīng)速度加快，降低了焊接接頭的塑韌性 。 如果鈦合金在無(wú)保護(hù)或者保護(hù)不良的情況下進(jìn)行焊接，焊接接頭會(huì)因?yàn)殚g隙元素的污染而導(dǎo)致接頭的脆化。 因?yàn)殁伒娜埸c(diǎn)高，比熱容小，導(dǎo)熱性能差，所以在焊接時(shí)冷卻速度慢，焊接熱影響區(qū)高溫下停留時(shí)間長(zhǎng)， β晶粒在高溫下極易過(guò)熱粗化，導(dǎo)致接頭的塑韌性下降。但對(duì)于 TC4 這樣的雙相鈦合金，由于合金化程度高，晶粒長(zhǎng)大傾向相對(duì)較小，所以，在焊接 TC4 時(shí)宜采用較大的焊接熱輸入。 氣孔是鈦及鈦合金在焊接時(shí)最常見(jiàn)的 焊接缺陷 [3]。 鈦合金焊接接頭中的氣孔主要分為兩類(lèi)，在焊接熱輸入較大時(shí)熔合線附近形成氣孔，在焊接熱輸入較小時(shí)焊縫中部產(chǎn)生氣孔。氣孔的存在會(huì)降低接頭的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。氣孔敏感性與焊接方法、工藝等因素都有關(guān)， 冷卻速度的快慢對(duì)氣孔的影響主要由周?chē)鷼怏w擴(kuò)散使氣泡長(zhǎng)大和氣泡上浮時(shí)間兩個(gè)相互矛盾的因素決定。 一般來(lái)說(shuō)，電子束焊接氣孔最多，等離子最少，氬弧焊趨于中間 。 本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)深潛器的壁厚為 90mm，厚板材料在焊接時(shí)必然會(huì)引起較大的 焊接 應(yīng)力和變形，而且 厚板材料焊接時(shí)常加工成 U 形或 V 形坡口，以多層多道焊的方式進(jìn)行焊接 ，填充金屬量過(guò)大是這種焊接方法一個(gè)很大的不足 [4]，不僅浪費(fèi)了焊接材料，而且因?yàn)闊彷斎肓窟^(guò)大而使得接頭性能變差。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 國(guó)內(nèi)外對(duì)于鈦合金板焊接工藝的研究較多，但是多數(shù) 限于 薄板研究，對(duì)于這種厚板鈦合金焊接的研究 很少 。 用于焊接厚板鈦合金主要有以下幾種方法： MIG 多層多道焊 法國(guó)的 。實(shí)驗(yàn)用板厚為 20mm，用 TIG打底， MIG填充的方法對(duì)鈦合金厚板進(jìn)行焊接。 采用 MIG焊時(shí)，開(kāi)坡口如圖 14。因 其需要繁瑣的保護(hù)措施，而且效率較低，所以他們得出的結(jié)論是 MIG焊接方法并不適合 于 焊接鈦合金厚板 [5]。 圖 14 MIG 方法焊接坡口及焊接層數(shù)示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 窄間隙 TIG 國(guó)內(nèi)船舶重工工業(yè)集團(tuán)的張偉明等人利用窄間隙 TIG自動(dòng)焊的方法，焊接了40mm厚的 TA2（工業(yè)純鈦）試板 （如圖 15） ， 并對(duì)焊接后接頭的組織 和 性能 進(jìn)行了 分析 。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用窄間隙 TIG 的方法可以得到無(wú)缺陷的焊縫，焊接接頭性能良好 ，同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接接頭因?yàn)檎g隙條件焊接，使得接頭的強(qiáng)度較常規(guī)坡口焊接條件下下強(qiáng)度高 [6]。 圖 15 40mm厚 TA2窄間隙焊接接頭 電子束焊接 電子束焊接以其能量密度高，焊接速度快，焊縫深寬比 大 等特點(diǎn)，特別適合于厚板的焊接。 國(guó)內(nèi) 大連交通大學(xué)的宮平，羅宇等人使用電子束焊接的方法，焊接了 20mm的 TC4 板，并研究了不同聚焦電流對(duì)焊縫成形的影響。 發(fā)現(xiàn) 聚焦電流對(duì)焊縫形狀的影響作用很大 ， 聚焦電流不同 ， 焊縫形狀各異。當(dāng)控制聚焦電流使電子束焦點(diǎn)落在工件表面附近一定區(qū)域內(nèi)時(shí) ， 焊接熔深 、 熔寬和焊縫寬度 比值隨著 焦點(diǎn)位置 的不同 表現(xiàn)出不同值，而 后隨著焦點(diǎn)位置的上移或下移 ， 焊接熔深和深寬比 H/B不斷減小 ， 熔 寬和焊縫寬度不斷增加 [7]。 圖 16 不同聚焦電流下焊縫成形情況 圖 17 聚焦電流對(duì)焊縫成形參數(shù)的影響 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 美國(guó)機(jī)械學(xué)會(huì) 等人嘗試在正確的參數(shù)下焊接 厚的法蘭盤(pán) 環(huán)焊縫 結(jié)構(gòu) (如圖 18 所示 )。 焊接結(jié)果顯示，采用單面 電子束 焊接一次無(wú)法熔透 厚的鈦合金板，因?yàn)楹附舆^(guò)程中缺乏可重復(fù)性的焊接參數(shù)。如果采用 如圖 19 所示 雙面焊接的方式，可以達(dá)到優(yōu)良的焊接接頭，接頭的性能也得到的提升 [8]。 圖 18 結(jié)構(gòu)上方的環(huán)焊縫 圖 19 雙側(cè)焊接的建立 分析上述 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)在焊接厚板鈦合金方面 電子束焊接 是比較有優(yōu)勢(shì)的焊接方法 ，電子束焊接具有焊接速度高，焊接變形小，熱效率高等一系列優(yōu)點(diǎn) [9]，特別適合于厚板活潑金屬的焊接，但焊接生產(chǎn)成本高，且試件尺寸受真空室限制 [1011]；相比之下，采用氬弧焊的方法，工藝簡(jiǎn)單，操作靈活，可以有效解決大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)問(wèn)題 [1213]， 如果是以 開(kāi) V 形坡口 ， 多層多道方式焊接厚板鈦合金 ，焊接效果并不理想 ， 以窄間隙 TIG 的方式焊接厚板鈦合金板有一定的借鑒意義，但是必須在良好的保護(hù)下進(jìn)行焊接。 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接 鑒 于此，提出一種利用手工氬弧焊，窄間隙條件下焊接厚板鈦合金的方法，并配以良好的惰性氣體保護(hù)措施。 TIG 焊是所有焊接方法中應(yīng)用面最廣的，對(duì)有色金屬及其合金如鈦合金的焊接最具優(yōu)勢(shì) [14]。窄間隙焊接不僅可大幅度的減少坡口截面積、大大減少焊縫金屬的填敷量，而且在相對(duì)少的焊接熱輸入下，解決了開(kāi)坡口困難、焊接速度緩慢，焊后板材應(yīng)力變形大等問(wèn)題 [15]。 本課題采用鎢極氬弧焊，焊接窄間隙鈦合金（ TC4）厚板，對(duì)厚板鈦合金的焊接工藝進(jìn)行深入研究，探究最優(yōu)的焊接參數(shù)和提高焊接接頭強(qiáng)度的有效途徑，得到質(zhì)量?jī)?yōu)良的接頭的同時(shí)，對(duì)接 頭性能進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步分析影響接頭性能的主要因素。 針對(duì)厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接，研究?jī)?nèi)容主要圍繞以下幾個(gè)方面研究： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 1. 焊槍及保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制造 2. 厚板鈦合金焊接工藝的確定及參數(shù)的優(yōu)化 3. 焊接接頭金相組織的觀察和力學(xué)性能的測(cè)試 4. 焊接溫度場(chǎng)的測(cè)量及焊接變形控制的分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 焊接工藝試驗(yàn) 焊槍及 保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)及制作 焊槍的設(shè)計(jì)及制作 作為氬弧焊機(jī)重要組成部分之一的氬弧焊槍?zhuān)渥饔檬菉A持鎢極、傳導(dǎo)焊接電流和輸送保護(hù)氣。 焊槍的設(shè)計(jì)要根據(jù)所焊材料的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)狀況而決定，具體來(lái)說(shuō)焊槍的設(shè)計(jì)要考慮焊接電流 的大小、焊接結(jié)構(gòu)所處的具體工況、焊接工人的可操作性等，一把合適的氬弧焊槍的設(shè)計(jì)要考慮多方面的因素。 試驗(yàn)方案提出焊接厚板鈦合金的方法為窄間隙 TIG 多層焊。首先，鈦合金焊接時(shí)晶粒長(zhǎng)大傾向并不明顯，同時(shí)為保證窄間隙多層焊時(shí)側(cè)壁 熔 合良好，宜采用較大的熱輸入。焊接前估計(jì)所使用焊接電流值 100A~300A，因此，所設(shè)計(jì)焊槍?xiě)?yīng)承受較大的焊接電流，這要求焊槍必須有良好的冷卻系統(tǒng) ； 窄間隙坡口是 窄而深的間隙，采用 TIG 焊的方法在窄間隙坡口條件下焊接，焊槍的氣體保護(hù)噴嘴必須深入到窄間隙坡口中，對(duì)焊接區(qū)充分的保護(hù)。這要求所設(shè)計(jì)的 焊槍噴嘴能深入到所開(kāi)窄間隙坡口中 ； 本項(xiàng)目旨在制造直徑兩米的球形容器，整個(gè)球體共有 6 條經(jīng)線焊縫和 1 條赤道環(huán)焊縫，全部由焊工手工操作完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)焊工的要求較高。考慮到上述因素，所設(shè)計(jì)焊槍的體積越小越好，盡可能的輕質(zhì)，以減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度 ，保證焊接質(zhì)量 。 綜合考慮上述因素，抓住所設(shè)計(jì)焊槍冷卻好、質(zhì)量輕及細(xì)長(zhǎng)陶瓷噴嘴三個(gè)主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了適合于窄間隙、大電流下焊接的焊槍。 焊槍黃銅制主體如圖 21 所示，總長(zhǎng)度 40mm，保證了槍體輕質(zhì)的特點(diǎn)，減輕了焊接工人負(fù)擔(dān)；特 制 的陶瓷噴嘴 （圖 22 所示） 外徑 D 只有 10mm，長(zhǎng)度 L卻達(dá)到了 63mm，可以深入窄間隙坡口中進(jìn)行焊接；焊槍具有良好的水冷系統(tǒng)，試驗(yàn)證明即使在較大的焊接電流下長(zhǎng)時(shí)間焊接，焊槍也不會(huì)過(guò)熱 。 圖 21 焊槍主體結(jié)構(gòu) 圖 22 陶瓷噴嘴尺寸 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 最終完整的槍體設(shè)計(jì)圖如圖 23 所示。 圖 23 整體焊槍設(shè)計(jì)圖 保護(hù)裝置的設(shè)計(jì) 及 制造 常溫下鈦表面鈍化層（氧化膜）的致密性極強(qiáng)，使得鈦非常穩(wěn)定。但在溫度升高過(guò)程中，鈦對(duì)氫、氧和氮的吸收能力不斷加強(qiáng) [16]。