【正文】 同時(shí)對(duì)曲杰、王洋在試驗(yàn)操作中幫助指導(dǎo)表示感謝，對(duì)分析測(cè)試中心余捷、鄭祖金、郭永良等老師的指導(dǎo)幫助表示感謝，感謝楊濤博士、磨安祥學(xué)長(zhǎng)、敬小軍學(xué)長(zhǎng)等人在課題工作期間的支持和幫助。老師淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的學(xué)術(shù)洞察力和勇于創(chuàng)新的科研精神，使學(xué)生受益匪淺，老師在課題工作中提供了大量的細(xì)致指導(dǎo)，教導(dǎo)學(xué)生科學(xué)研究的思維方式，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。的雙U形對(duì)稱坡口。其中240A電流條件下平均強(qiáng)度783MPa，焊接過(guò)程中因?yàn)楹缚p中混入了更多的母材合金成分而使焊縫的強(qiáng)度高于180A電流下焊縫平均強(qiáng)度。厚板鈦合金窄間隙TIG焊焊縫區(qū)晶粒生長(zhǎng)遵循聯(lián)生結(jié)晶、競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的規(guī)律。對(duì)比分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在焊接初期，焊接溫度迅速上升速度快，達(dá)到峰值溫度后緩慢下降，各焊接層溫度隨著填充金屬厚度的增加而趨于緩和，而且峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間也因?yàn)殁伜辖饘?dǎo)熱性差的特點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的差異。1) 通過(guò)多組的焊接實(shí)驗(yàn)，確定了78mm厚鈦合金板窄間隙TIG焊接的坡口尺寸為頂寬16mm，176。以下為焊接第15層溫度場(chǎng)，見(jiàn)圖59至12所示。測(cè)溫系統(tǒng)原理和實(shí)際圖如圖58c、d、e所示。試驗(yàn)中用于測(cè)量溫度試板材料TC4，規(guī)格330mm143mm52mm（一對(duì)），焊絲Ti4Al2V，φ3mm，開(kāi)單邊U坡口，坡口尺寸如圖56所示。同樣的道理，在第13層焊接時(shí)，反面也出現(xiàn)了頂寬峰值。焊接過(guò)程中，通過(guò)對(duì)每一層焊接后坡口頂端尺寸的測(cè)量，反映了坡口尺寸在焊接過(guò)程中的變形情況。坡口的寬度較圖52所示坡口寬度小，則焊接過(guò)程不能順利進(jìn)行，坡口尺寸較圖52大，則窄間隙坡口的作用就會(huì)減弱。通過(guò)工藝試驗(yàn)確定了最佳的焊接參數(shù)，如表552所示，兩種尺寸的坡口在相同焊接參數(shù)和條件下焊接。本次試驗(yàn)中，所考慮的問(wèn)題是焊接過(guò)程中試板會(huì)橫行收縮，坡口尺寸會(huì)逐漸變小，但陶瓷噴嘴必須能深入到窄間隙坡口中進(jìn)行焊接。對(duì)于本項(xiàng)目，將12塊瓜瓣兒形的鈦合金板拼焊成球體，除了要保證優(yōu)良的焊接質(zhì)量外，還要對(duì)焊接變形進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)試板的焊接試驗(yàn)，確定焊接變形的種類和方式，這樣在正式焊接過(guò)程中，可以及時(shí)的給予控制和矯正。對(duì)比不同電流下的接頭強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)240A電流下接頭的強(qiáng)度普遍要高于180A電流下接頭的強(qiáng)度，分析原因是較大電流下焊縫的熔合比變大而使強(qiáng)度得到提高。焊縫金屬在外載荷的作用下，首先發(fā)生彈性變形，當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一數(shù)值即將發(fā)生屈服時(shí)，由于滑移使得金屬發(fā)生永久的塑性變形，繼續(xù)增大載荷，焊縫金屬將進(jìn)一步變形，晶界或相界處產(chǎn)生微裂口或微空隙，這些裂紋發(fā)展到一定尺寸后就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致最終開(kāi)裂。這也是窄間隙條件下TIG焊接的優(yōu)勢(shì)之一。分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因，根據(jù)嚙合強(qiáng)化理論，根據(jù)窄間隙焊接的嚙合強(qiáng)化理論，焊接過(guò)程中焊縫中混入了母材的部分成分，同時(shí)焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生的針狀α’相隨著被焊金屬厚度的增加和線能量的減少而細(xì)化[20]。對(duì)比不同電流下的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，如圖43所示，可以發(fā)現(xiàn)240A電流下焊縫的強(qiáng)度全面超越180A電流下的焊縫強(qiáng)度。分析焊接電流對(duì)接頭強(qiáng)度的影響，測(cè)試了不同焊接電流下接頭的抗拉強(qiáng)度。圖41 不同電流下的顯微硬度分布由測(cè)試結(jié)果可知，接頭橫街面上的硬度分布不均勻，兩種電流下硬度變化規(guī)律大致相同，熱影響區(qū)硬度明顯升高，其中240A電流下熱影響區(qū)最高硬度達(dá)到349，%，分析認(rèn)為是由于焊接熱輸入的作用導(dǎo)致熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大和生成的鈦馬氏體組織引起。為了了解接頭的機(jī)械性能，分析接頭的斷口形貌，對(duì)接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)，測(cè)試了接頭的綜合機(jī)械性能，對(duì)窄間隙條件下接頭嚙合效應(yīng)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)接頭的力學(xué)性能。3) 焊接過(guò)程中，因?yàn)槟覆牡娜刍沟煤缚p金屬中合金元素含量的升高，焊接電流越大，焊縫熔合比越大。其中，180A下A、%，%，高出180A下Al含量的20%，分析結(jié)果產(chǎn)生的原因，焊接電流增大后，焊接線能量增加，母材熔化量增加，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫的熔合比變大。如圖314所示，按照?qǐng)D中由C區(qū)域到I區(qū)域的順序?qū)缚p分區(qū)域掃描合金元素含量，成分分析解如表32所示。圖313為鈦合金焊接試板接頭熱影響區(qū)（B區(qū)域）的顯微組織圖片，窄間隙條件下焊接，熱影響區(qū)范圍窄，冷卻速度快，因此在熱影響區(qū)形成了如圖313a所示網(wǎng)籃狀組織，圖313b所示為冷卻速度更快時(shí)而形成的針狀馬氏體組織。冷卻速度較慢時(shí)，如母材的加工過(guò)程，α相由β相中析出，得到片層狀魏氏組織以及沿β晶界析出的α相。接頭的各區(qū)域如圖310所示，A、B、C分別代表母材、熱影響區(qū)及焊縫。圖39同樣給出了連續(xù)冷卻時(shí)的相變情況，緩慢冷卻時(shí)，β→β+α，增加冷卻速度會(huì)出現(xiàn)ω相，再增加冷卻速度，可以不發(fā)生相變得到室溫介穩(wěn)的β相，或者得到斜方結(jié)構(gòu)的α’或者α’’馬氏體相，鈦馬氏體是由高溫β相無(wú)擴(kuò)散相變得到的。其轉(zhuǎn)變的突出特點(diǎn)是新相與母相間具有嚴(yán)格的取向關(guān)系，α相將以片狀或針狀有規(guī)則的析出，穿越整個(gè)晶粒[18]。純鈦在高溫情況下呈現(xiàn)完全的β相，當(dāng)溫度降至882℃度時(shí)，鈦會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即由體心立方βTi→密排六方αTi，αTi在882℃以下穩(wěn)定，所以鈦在常溫下呈現(xiàn)完全的α相組織。隨著熔池開(kāi)始凝固，晶粒在焊縫形成聯(lián)生結(jié)晶后，垂直于熔合線呈柱狀晶生長(zhǎng)并向焊縫中心區(qū)域推進(jìn)。圖35 180A下宏觀金相圖36 240A下宏觀金相圖37 180A下熱影響區(qū)的晶粒圖圖38 240A下熱影響區(qū)的晶粒圖厚板鈦合金在TIG焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫金屬開(kāi)始凝固時(shí)，首先在熔合區(qū)處半熔化的晶粒處開(kāi)始向焊縫中生長(zhǎng)。粗晶區(qū)緊鄰熔合線，加熱溫度高，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，金屬處于過(guò)熱狀態(tài)，晶粒長(zhǎng)大嚴(yán)重，脆性大，韌性低；細(xì)晶區(qū)位置相當(dāng)于進(jìn)行了正火處理而呈現(xiàn)細(xì)小均勻晶粒，性能較好；不完全正火區(qū)的特點(diǎn)是晶粒大小不一，性能也不盡一致。240A電流下焊接，因?yàn)闊彷斎胼^大的緣故，接頭的范圍要稍寬一些。其中熱影響區(qū)雖然沒(méi)有熔化，但也因受到高溫影響而發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變。關(guān)于焊接坡口尺寸的確定，在第5章中進(jìn)行討論。外觀檢驗(yàn)，焊縫平滑過(guò)渡，無(wú)裂紋、咬邊、焊瘤等缺陷，焊縫表面呈銀白色金屬光澤。保護(hù)氣體含量的確定主要根據(jù)焊縫焊接后顏色確定。利用線切割將焊接接頭切成拉伸試件，使焊縫居中，拉伸試件尺寸如圖212所示，在精磨床上將線切割面上殘留的溝槽磨平。 SME成分分析SME試驗(yàn)時(shí)，試樣的制作過(guò)程與金相試樣相同，拋光后不經(jīng)過(guò)腐蝕，直接在電鏡下進(jìn)行觀察，本論文采用日本日立公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡（Hitatchi S4700）進(jìn)行顯微組織觀察，并用SME所附帶的能譜分析裝置（EDS）進(jìn)行由母材到焊縫的成分分析。焊接過(guò)程中，工件上的溫度隨著瞬時(shí)熱源的移動(dòng)作用而發(fā)生周期性的變化，稱之為焊接熱循環(huán)，焊接熱循環(huán)研究了焊接過(guò)程中工件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化，對(duì)于焊接熱循環(huán)的研究有助于加深對(duì)焊接過(guò)程的理解。本試驗(yàn)中所用78mm厚鈦合金板，即使在窄間隙下焊接，接頭中還是會(huì)存在較大的殘余應(yīng)力。表22 焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)焊接電流I（A）焊槍氣體流量q（L圖210 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖焊接過(guò)程中，深入窄間隙坡口的通氬銅管中氬氣流量很重要，焊接過(guò)程中氬氣流量過(guò)大，造成氣體在坡口間隙中的紊流，混入空氣而使保護(hù)效果變差；氬氣流量過(guò)小，同樣起不到良好的保護(hù)效果。焊接過(guò)程中，工件置于銅質(zhì)工作臺(tái)上，采用手工操作的方式進(jìn)行焊接。鈦合金窄間隙焊接工藝的研究較少，并不確定雙U形坡口的具體尺寸，因此本次焊接工藝試驗(yàn)選用了兩種尺寸的雙U形窄間隙坡口，坡口尺寸如圖28a、b所示，通過(guò)焊接過(guò)程中變形情況的測(cè)量和分析進(jìn)而確定最佳的坡口尺寸。因此選用塑韌性較好的近α鈦合金Ti4Al2V。TC4（Ti6Al4V）鈦合金屬于α+β鈦合金。由于窄間隙坡口窄而深的特征，接近于垂直的坡口側(cè)壁形成兩側(cè)天然的氣槽，加之氬氣的密度大于空氣，氬氣會(huì)聚集于坡口之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接高溫區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)，保護(hù)銅管實(shí)物圖如27a所示。如圖25所示為本課題設(shè)計(jì)的雙U形窄間隙坡口，坡口坡角小，窄而深，普通的拖罩根本無(wú)法深入其中，而拖罩浮于試板表面時(shí)會(huì)造成坡口中氣體的紊流，使保護(hù)效果變差。因此鈦合金的焊接衍生出兩種方式：箱內(nèi)焊接和敞開(kāi)式焊接。焊接過(guò)程中，隨著溫度的升高，鈦從250℃開(kāi)始吸氫，400℃開(kāi)始吸氧，600℃開(kāi)始吸氮。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。焊接前估計(jì)所使用焊接電流值100A~300A，因此，所設(shè)計(jì)焊槍應(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)。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：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第2章 焊接工藝試驗(yàn)作為氬弧焊機(jī)重要組成部分之一的氬弧焊槍，其作用是夾持鎢極、傳導(dǎo)焊接電流和輸送保護(hù)氣。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。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(如圖18所示)。圖15 40mm厚TA2窄間隙焊接接頭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。采用MIG焊時(shí)，開(kāi)坡口如圖14。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。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(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。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。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)。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。中國(guó)載人深海探測(cè)這條路任重而道遠(yuǎn)。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。 mechanical property。溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果符合焊接熱循環(huán)變化規(guī)律，同時(shí)因?yàn)殁伜辖鸬奈锢硇阅芴攸c(diǎn)而呈現(xiàn)出其特殊性。焊接試驗(yàn)中設(shè)置不同的坡口尺寸，一些列變化的焊接電流及氣體保護(hù)流量參數(shù)，進(jìn)行多組焊接試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)焊接接頭宏觀及微觀組織分析、對(duì)比不同參數(shù)下的力學(xué)性能測(cè)試，優(yōu)化參數(shù)，確定最佳的厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝。 焊縫溫度曲線測(cè)量及分析。通過(guò)上述的分析，確定厚板鈦合金焊接工藝，分析在窄間隙條件下焊接，焊接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的特殊性能。技術(shù)要求與主要內(nèi)容：利用窄間隙TIG焊接的方法，為得到性能優(yōu)良的焊接接頭，本課題主要通過(guò)以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：1) 通過(guò)對(duì)厚板鈦合金焊接性的分析，設(shè)計(jì)并制造窄間隙TIG焊接條件下使用的焊槍和保護(hù)裝置。 年 月哈爾濱哈飛集團(tuán)汽車博物館設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師：王 五學(xué) 號(hào)：0123456789專 業(yè)：建筑學(xué)院 系：建筑學(xué)院張 三哈爾濱哈飛集團(tuán)汽車博物館設(shè)計(jì)敬小軍厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝研究崔 慶 龍 院 (系)： 材料科學(xué)與工程 專 業(yè)：焊接技術(shù)與工程學(xué)　　號(hào)： 1072910104 指導(dǎo)教師： 呂世雄 馮吉才2011年6月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝研究專 業(yè) 焊接技術(shù)與工程 學(xué)　　 號(hào) 1072910104 學(xué) 生 崔 慶 龍 指 導(dǎo) 教 師 呂世雄 馮吉才 答 辯 日 期 2011年6月29日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)姓名： 崔 慶 龍 學(xué)號(hào)： 1072910104 專業(yè)： 焊接技術(shù)與工程 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：厚板鈦合金窄間隙TIG焊接工藝研究 工作起止日期： 2010 年 10 月 8 日起 2010 年 6 月 29 日止指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行情況，完成質(zhì)量及評(píng)分意見(jiàn)：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________