【文章內容簡介】 ......................................... 30 78mm 厚鈦合金窄間隙 TIG 焊接變形的測量 ........................................... 31 厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接溫度場的測定 ...................................................... 33 焊接溫度場測定試驗 ................................................................................... 33 溫度場曲線分析 ........................................................................................... 34 本章小結 .............................................................................................................. 37 結 論 .............................................................................................................................. 38 參考文獻 ........................................................................................................................ 39 致 謝 ............................................................................................................................ 41 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒 論 課題背景及研究的目的和意義 巨大的勘測難度使深?？睖y一直居于地球科學的前沿。這種 勘探 要求大額投入和尖端技術， 這 是 中國發(fā)展深海探 測 一個繞不過去的坎兒。 國際在線報道：中國國際廣播電臺環(huán)球資訊午間話題關注 “ 蛟龍 ” 號深海探測器突破 3700 米事件。中國科技部、國家海洋局聯(lián)合發(fā)布：我國自行設計、自主集成研制的國家 863計劃重大專項 “ 蛟龍 ” 號（如圖 11）載人潛水器在中國 南 海 3000米級 海上試驗取得成功，最大下潛深度達到 3759 米，創(chuàng)造了水下和海底作業(yè) 9 小時 03 分的紀錄，驗證了 “ 蛟龍 ” 號載人潛水器在 3000 米級水深的各項性能和功能指標。這標志著我國深海載人探測已取得相當大的成就。 圖 11 蛟龍?zhí)? 圖 12 國外一深海探測器 取得成績的同時我們也要看到差距，美國 1964 年建造的 “ 阿爾文 ” 號載人潛水器 即可 下潛到 4500m的深海；法國 1985 年研制成的 “ 鸚鵡螺 ” 號潛水器最大下潛深度可達 6000m；我們的鄰居俄羅斯和日本已經(jīng)完成了深海 6000m 級水深的探測數(shù)千次。 中國載人深海探測 這條路任重而道遠。 依據(jù)全國第 11 個五年計劃，國家高技術研究發(fā)展計劃（ 863 專項）中海洋技術領域的戰(zhàn)略目標是： “ 深化近淺海、開拓深遠海 ” 。該 部分內容 旨在開發(fā)強大的實用型潛水設備，建設和維護深海海底觀測網(wǎng)絡，以及勘探和海底取樣。項目計劃 開發(fā) 在水下 4500 米的作業(yè)的深海潛水設備。如圖 13 所示，該潛水器是一個直徑約為 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)大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 圖 13 深海潛水 器效果圖 鈦合金具有密度小、比剛度、比強度高，耐蝕性、耐熱性好等一系列優(yōu)點，在航空航天、海洋工程、汽車和醫(yī) 療等領域得到了越來越廣泛的應用 [1]， 鈦合金 在海洋工況下使用極具優(yōu)勢，世界各工業(yè)發(fā)達國家都十分重視鈦材在艦船領域中的開發(fā)應用，特別是原蘇聯(lián)全鈦耐壓殼核潛艇的成功制造，標志著鈦材在艦船中應用的重大突破 [2]。 鈦合金能以更輕 的 重量抵抗更強 的 水壓 ，而且又極耐海水腐蝕，是制造深海探測器的首選材料。深海探測器的設計厚度是 90mm，因此如何完成厚板鈦合金的焊接，成為深海探測器制造的關鍵問題。 本課題的研究，正是致力于深海探測器制造過程中鈦合金焊接技術的開發(fā)。從更深遠的角度來看， 近年來 厚板 鈦合金 結構在 石油、化工、 能源 等 工業(yè) 領域 的應用越來越多 ，而 且 上述工業(yè)領域 對于鈦合金的應用 由以厚板焊接結構居多，因此一種高效便捷、經(jīng)濟性好、用于焊接厚板鈦合金的方法對于推動厚板鈦合金結構的應用有著重要意義。 本論文主要是針 對 4500m 級深海探測器項目中厚板鈦合金焊接工藝 進行研究，分析焊接接頭組織和性能的基礎上確定最佳的焊接過程參數(shù)，同時更深入的探究厚板鈦合金焊接結構溫度場的變化規(guī)律及應力、變形的控制等問題 ， 為鈦合金深海探測器制造及厚板鈦合金焊接結構在工業(yè)領域的應用提供理論和技術支持。 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)大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 溫下，鈦合金表面氧化膜變得疏松，使鈦與氫、氧、氮的反應速度加快，降低了焊接接頭的塑韌性 。 如果鈦合金在無保護或者保護不良的情況下進行焊接，焊接接頭會因為間隙元素的污染而導致接頭的脆化。 因為鈦的熔點高，比熱容小，導熱性能差，所以在焊接時冷卻速度慢，焊接熱影響區(qū)高溫下停留時間長， β晶粒在高溫下極易過熱粗化，導致接頭的塑韌性下降。但對于 TC4 這樣的雙相鈦合金，由于合金化程度高，晶粒長大傾向相對較小，所以，在焊接 TC4 時宜采用較大的焊接熱輸入。 氣孔是鈦及鈦合金在焊接時最常見的 焊接缺陷 [3]。 鈦合金焊接接頭中的氣孔主要分為兩類，在焊接熱輸入較大時熔合線附近形成氣孔，在焊接熱輸入較小時焊縫中部產(chǎn)生氣孔。氣孔的存在會降低接頭的抗拉強度和疲勞強度。氣孔敏感性與焊接方法、工藝等因素都有關， 冷卻速度的快慢對氣孔的影響主要由周圍氣體擴散使氣泡長大和氣泡上浮時間兩個相互矛盾的因素決定。 一般來說，電子束焊接氣孔最多，等離子最少，氬弧焊趨于中間 。 本項目所設計深潛器的壁厚為 90mm，厚板材料在焊接時必然會引起較大的 焊接 應力和變形，而且 厚板材料焊接時常加工成 U 形或 V 形坡口，以多層多道焊的方式進行焊接 ，填充金屬量過大是這種焊接方法一個很大的不足 [4]，不僅浪費了焊接材料，而且因為熱輸入量過大而使得接頭性能變差。 國內外研究現(xiàn)狀及分析 國內外對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 法國的 。實驗用板厚為 20mm，用 TIG打底， MIG填充的方法對鈦合金厚板進行焊接。 采用 MIG焊時，開坡口如圖 14。因 其需要繁瑣的保護措施，而且效率較低，所以他們得出的結論是 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)大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 窄間隙 TIG 國內船舶重工工業(yè)集團的張偉明等人利用窄間隙 TIG自動焊的方法，焊接了40mm厚的 TA2（工業(yè)純鈦）試板 （如圖 15） ， 并對焊接后接頭的組織 和 性能 進行了 分析 。 試驗發(fā)現(xiàn)利用窄間隙 TIG 的方法可以得到無缺陷的焊縫，焊接接頭性能良好 ，同時發(fā)現(xiàn)焊接接頭因為窄間隙條件焊接，使得接頭的強度較常規(guī)坡口焊接條件下下強度高 [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，特別適合于厚板的焊接。 國內 大連交通大學的宮平，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焊縫成形的影響。 發(fā)現(xiàn) 聚焦電流對焊縫形狀的影響作用很大 ， 聚焦電流不同 ， 焊縫形狀各異。當控制聚焦電流使電子束焦點落在工件表面附近一定區(qū)域內時 ， 焊接熔深 、 熔寬和焊縫寬度 比值隨著 焦點位置 的不同 表現(xiàn)出不同值，而 后隨著焦點位置的上移或下移 ， 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 聚焦電流對焊縫成形參數(shù)的影響 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 美國機械學會 等人嘗試在正確的參數(shù)下焊接 厚的法蘭盤 環(huán)焊縫 結構 (如圖 18 所示 )。 焊接結果顯示，采用單面 電子束 焊接一次無法熔透 厚的鈦合金板，因為焊接過程中缺乏可重復性的焊接參數(shù)。如果采用 如圖 19 所示 雙面焊接的方式，可以達到優(yōu)良的焊接接頭，接頭的性能也得到的提升 [8]。 圖 18 結構上方的環(huán)焊縫 圖 19 雙側焊接的建立 分析上述 國內外的研究現(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 [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，工藝簡單，操作靈活，可以有效解決大多數(shù)焊接結構問題 [1213]， 如果是以 開 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下進行焊接。 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措施。 TIG 焊是所有焊接方法中應用面最廣的，對有色金屬及其合金如鈦合金的焊接最具優(yōu)勢 [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，而且在相對少的焊接熱輸入下，解決了開坡口困難、焊接速度緩慢，焊后板材應力變形大等問題 [15]。 本課題采用鎢極氬弧焊，焊接窄間隙鈦合金（ TC4）厚板，對厚板鈦合金的焊接工藝進行深入研究，探究最優(yōu)的焊接參數(shù)和提高焊接接頭強度的有效途徑，得到質量優(yōu)良的接頭的同時，對接 頭性能進行測試，進一步分析影響接頭性能的主要因素。 針對厚板鈦合金窄間隙 TIG 焊接，研究內容主要圍繞以下幾個方面研究： 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 1. 焊槍及保護裝置的設計及制造 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性能的測試 4. 焊接溫度場的測量及焊接變形控制的分析 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 焊接工藝試驗 焊槍及 保護裝置的設計及制作 焊槍的設計及制作 作為氬弧焊機重要組成部分之一的氬弧焊槍，其作用是夾持鎢極、傳導焊接電流和輸送保護氣。 焊槍的設計要根據(jù)所焊材料的種類和結構狀況而決定，具體來說焊槍的設計要考慮焊接電流 的大小、焊接結構所處的具體工況、焊接工人的可操作性等，一把合適的氬弧焊槍的設計要考慮多方面的因素。 試驗方案提出焊接厚板鈦合金的方法為窄間隙 TIG 多層焊。首先，鈦合金焊接時晶粒長大傾向并不明顯，同時為保證窄間隙多層焊時側壁 熔 合良好，宜采用較大的熱輸入。焊接前估計所使用焊接電流值 100A~300A，因此，所設計焊槍應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，焊槍的氣體保護噴嘴必須深入到窄間隙坡口中，對焊接區(qū)充分的保護。這要求所設計的 焊槍噴嘴能深入到所開窄間隙坡口中 ； 本項目旨在制造直徑兩米的球形容器，整個球體共有 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，勞動強度大，對焊工的要求較高?？紤]到上述因素，所設計焊槍的體積越小越好，盡可能的輕質，以減輕焊工的勞動強度 ，保證焊接質量 。 綜合考慮上述因素，抓住所設計焊槍冷卻好、質量輕及細長陶瓷噴嘴三個主要特點，設計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，總長度 40mm，保證了槍體輕質的特點，減輕了焊接工人負擔；特 制 的陶瓷噴嘴 （圖 22 所示） 外徑 D 只有 10mm，長度 L卻達到了 63mm，可以深入窄間隙坡口中進行焊接；焊槍具有良好的水冷系統(tǒng)，試驗證明即使在較大的焊接電流下長時間焊接，焊槍也不會過熱 。 圖 21 焊槍主體結構 圖 22 陶瓷噴嘴尺寸 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 最終完整的槍體設計圖如圖 23 所示。 圖 23 整體焊槍設計圖 保護裝置的設計 及 制造 常溫下鈦表面鈍化層（氧化膜）的致密性極強，使得鈦非常穩(wěn)定。但在溫度升高過程中，鈦對氫、氧和氮的吸收能力不斷加強 [16]。