（材料加工工程专业论文）电子束局部热处理对焊接接头组织和力学性能影响的研究.pdf

摹津 掌硬士掌位- 隆文摘要一般电子束焊接接头在焊后都需要进行真空或炉中整体热处理，以改善接头的组织和性能。电子束局部热处理是一种新型的热处理方式，具有精确度高、灵活性好、效率高、节省能源和提高生产率的优点。因此探讨该热处理对电子柬焊接接头组织与性能的影响，具有十分重要的实际意义。本文结合金相分析，研究探讨了焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢电子束焊接接头断裂和疲劳性能的影响；采用小孔法测量了b t 2 0 钛合金电子束焊接接头，在焊态和焊后电子束局部热处理两种状态下残余应力的分布；同时还对b ，r 2 0 钛合金上述两种状态下焊缝和母材的疲劳性能进行了研究。舱文主要工作有以下几个方面：通过金相组织分析、拉伸试验、硬度测试和冲击试验等试验手段，研究探讨了焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s 凇a 钢焊接接头组织和力学性能的影响，并与焊后整体热处理状态接头的组织和性能进行了比较。结果表明，焊后电子柬局部热处理可以在一定程度上改善焊接接头特别是焊缝的组织和综合力学性能。采用三点弯曲试样，研究探讨焊后电子柬局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢焊接接头断裂韧度( c t o d ) 的影响，并与焊后整体热处理状态接头的断裂韧度进行比较。结果发现，焊后电子束局部热处理可以提高焊缝的断裂韧度：同时指出其提高的杌理与焊缝得到的组织密切相关。采用紧凑拉伸试样，研究探讨了焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢焊缝和母材两区域的疲劳裂纹扩展速率d 枷n 和门槛值k 曲的影响，并与焊后整体热处理状态相应区域的疲劳裂纹扩展速率d g d n 和门槛值k t h 进行比较的结果发现，焊后电子束局部热处理可以提高焊接接头的抗裂纹扩展能力。根据组织分析、力学性能、断裂韧度和疲劳裂纹扩展试验所得到的试验结果，综合评价了电子束局部热处理在3 0 c r m n s i n i 2 a 钢上的应用可行性。指出在本研究的工艺条件下，电子柬局部热处理能够在一定程度上改善焊接接头的组织和性能，但对焊接接头整体性能的改善程度与焊后整体热处理相比稍差，这意味着本研究的电子束局部热处理工艺尚不能完全替代整体热处理，今后需要继续探索更为合理的电子束局部热处理方法和工艺，以便节省能源和提高生产率。采用通孔法测量了焊态和焊后电子束局部热处理两种状态下b t 2 0 钛合金电子束焊接接头残余应力的分布。结果发现，无论是焊态还是焊后电子束局部热处理状态，b t 2 0 钛合金薄板电子束焊接接头残余应力以纵向应力为主：焊后电子束局部热处理可以降低焊缝中心处的拉伸残余应力值，其中纵向拉伸应力约降低5 0 左右。天津大学司仕学位论文本文最后对b t 2 0 钛合金焊态和焊后电子束局部热处理两种状态焊接接头进行了疲劳性能试验，并与母材疲劳性能进行了比较分析。结果表明，b t 2 0 薄板母材的疲劳性能优于电子束焊态和电子束局部热处理态接头的疲劳性能；对于b t 2 0 薄板，电子束局部热处理使焊接接头产生一定的角变形，导致了接头疲劳强度的降低。建议在对b t 2 0 薄板进行电子束焊接和电子束局部热处理时必须采取必要的措旌，保证将焊接变形控制到最小程度。、关键词：蜒束焊接皇王塞屡整垫处理3 0 c r m n s i n i 2 a 一 堕! 墨塑焊接接头显微组织力学性能断裂韧性疲劳裂纹扩展速率钛合金残余应力疲劳试验天津大掣强哑士掌岱时 3 a b s t r a c tg e n e r a l i y , i no r d e rt oi m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ee l e c t r o nb e a mw e l d e di o i n t s ，t h ev a c u l l i t io rf u r n a c ew h o l ep o s tw e l dh e a tt r e a t m e n t ( f w p w h t ) s h o u l db ea d o p t e da f t e rb e i n gw e l d e d t h ee l e c t r o nb e a ml o c a lp o s tw e l dh e a tt r e a t m e n tf e b l p w h t ) i san e w l yd e v e l o p e dh e a tt r e a t m e n tt h a tp r o v i d e st h ea d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n ，f l e x i b i l i t ya n de f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n ga n dh i g h e rp r o d u c t i v i t y t h e r e f o r e i ti sv e r yt e c h n i c a l l ys i g n i f i c a n tt os t u d yt h ee f f e c to fe b l p w h to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe l e o x o nb e a mw e l d e d j o i n t s t h ee f f e c t so fe b l p w h to nf r a c t u r ea n df a t i g u ep r o p e r t i e so f3 0 c r m l l s i n i 2 as t e e lw e l d e di o i n t sh a v eb e e ns t u d i e da n dd i s c u s s e d md i s t r i b u t i o no fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s e sh a sb e e na n a l y z e dw h i c hi sb a s e du p o nm e a s u r i n gt h er e s i d u a ls t r e s s e so f a s w e l d e dj o i n t sa n dt h ej o i n t sa f t e re b l p w h to f b t 2 0t i t a n i u ma l l o y a tt h es a r n et i m e ，t h ef a t i g u ep r o p e r t i e so ft w ok i n d so fb t 2 0w e l d e dj o i n t sm e r i t i o n e da b o v eh a v eb e e na n a l y z e d i nt h i sp a p e r , s e v e r a lp o i n t sd e v e l o p e da r ea sf o l l o w s ：t h ee f f e c t so fe b l p 、彻o nt h em i c r o s t m e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f3 0 c r m n s i n i 2 as t e e lw e l d e di o i n t sh a v eb e e ns t u d i e db ym e a n so fm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s ，t e n s i l et e s t h a r d n e s sm e a s u r e m e n ta n di m p a c tt e s t t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa b o v ei o i n t sh a v eb e e ne o m p a r c d 、i t ht h a to fi o i n t sa f t e rf w p w h t1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fw e l d e di o i n t se s p e c i a l l yt h ew e l 凼伽1b ei m p r o v e db yt h ee b l p w h tt os o m ee x t e n t t h ee f f e c to fb b l p w i l to nt h ec r a c kt i po p e n i n gd i s p l a c e m e n t ( c t o d lo f3 0 c r m n s i n i 2 as t e e lw e l d e di o i n t sh a v eb e e ns t u d i e db ym e a l 堆o ft h r e e p o i n tb e n ds a m p l e a n dt h ef r a c t u r et o u g h n e s so f t h ea b o v em e n t i o n e dj o i n t sh a sb e e ne o m p 习a e d谢t i lt h a to fj o i n t sa f t e rf w p w h t t h er e s u l t ss h o wt h a tt i l ef r a c t u r et o u g h n e s so ft h ew e l dc a nb el a r g e l yi m p r o v e db yt h ee b l p w h t a n dt h a ti t sm e c h a n i s mo fi m p r o v e m e n ti sc l o s e l yr e l a t e dt ot h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ew e l d t h ee f f e c t so fe b l p w h to nt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr d a d n ) a n dt h et h r e s h o l dv a l n e s ( ak 曲) o f t h ew e l da n db a s em e t a lo f 3 0 c r m n s i n i 2 as t e ew e l d e di o i n t sh a v eb e e ns t u d i e db yu s i n gc o m p a c tt e n s i o na p e e i m e n t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t h ( 0 a d n )a n dt h et h r e s h o l dv a l u e s ( ak 山) o ft h ea b o v em e n t i o n e dt w oz o n e sh a v eb e e nc o m p a r e d 淅t l lt l l o s co fi o i n t sa f t e rf w p w h t t h er e s u l t ss h o wt t i a te b l p w h tc a ni m p r o v e 也ef a t i g u er e s i s t a n ta b i l i t yo f t h ew e l d e di o i n t s o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s 。m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f r a c t u r et o u g h n e s sa n df a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e ，t h ea p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yo fe b l p w h to l l3 0 c r m n s i n i 2 as t e e 】h a sb e e ns y n t l l e t i e a l l ye v a l u a t e d i th a sb e e ni n d i c a t e dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fw e l d e di o i n t sc a nb ei m p r o v e db vt l l ee b l p w h tt os o m ee x t e n tu n d e rt h et e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o ng i v e ni nt h i ss u b j e c t ，b u ti ti si m p o s s i b l et ot o t a l l ys u b s t i t u t et h ef w p w h tf o rt h ei m p r o v e m e n ti sn o tb e t i e rt h a nt i l a tb yf w p w h tn e r e f o r e a nm o r ea p p r o p r i a t et e c h n i q u eo ft l l ee b l p w h tn e e d st ob ee x p l o r e dc o n t i n u a l l ys oa st os a v ee n e r g ya n de n h a n c ep r o d u c t i v i t y 天津大掌硕士掌位论文t h ed i s t r i b u t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s s e so fa s w e l d e da n de b l p w h ti o i n t sf o rb t 2 0t i t a n i u ma l l o yt h i np l a t eh a v eb e e nm e a s u r e da n ds t u d i e du s i n gt h r o u g h - h o l e d r i l l i n gm e t h o d n l er e s u l t ss h o wt h a tt h er e s i d u a ls t r e s s e so ft h ee l e c t r o nb e a mw e l d so fb t 2 0t i t a n i u ma l l o yt h i np l a t ei sm a i n l yc h a r a c t e r i z e da sl o n g i t u d i n a lt e n s i l es t r e s s e s ；t h et e n s i l er e s i d u a ls t r e s s e so fw e l dc e n t e rc a nb ed e c r e a s e da f t e re b l p w h ta n dt h el o n g i t u d i n a lt e n s i l es t r e s s e si sd e c r e a s e da b o u t5 0 a tl a s t ，t h ee f f e c t so fe b l p 啪o nt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so f w e l d e di o i n tf o rb t 2 0t i t a n i u ma l l o yt h i np l a t eh a sb e e ns t u d i e da n dt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fa b o v ej o i n t sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h a to fa wi o i n t sa n dp a r e n tm e t a l a st ob t 2 0t i t a n i u ma l l o yt h i np l a t e ，t h ef a t i g u et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep a r e n tm e t a lh a sb e t t e rf a t i g u ep r o p e r t i e st h a ni t sk 鼬j o i n sa n de b l p w h tj o i n t s s o m ea n g u l a rd e f o r m a t i o n sh a v eb e e np r o d u c e dw h e n 蝤ew e l dw a sh e a tt r e a t e db ye b l p 讳日rs ot h ef a t i g u ep r o p e r t i e so f j o i n t sw a sd e c r e a s e d i ti ss u g g e s t e dt h a tt h ew a yt oc o n t r o l lt h ea n g u l a rd e f o r m a t i o n sb et a k e nw h e nh e a t - t r e a t i n gb t 2 0t i t a n i u ma l l o yt h i np l a t eb ye b l p w h tk e yw o r d s ：e l e c t r o nb e a mw e l d i n g3 0 c r m n s i n i 2 a s t e e lm e c h a n i c a lp r o p e r t yf a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t ee l e c t r o nb e a m1 0 c a lh e a tt r e a t m e n tw e l d e d j o i n tm i c r o s t m c t u r ef r a c t u r et o u g h n e s st i t a n i u ma l l o yr e s i d u a ls t r e s s e sf a t i g u et e s t第一章绪论1 1 选题背景及意义电子柬焊接( e l e c 缸加b e a mw e l d i n g ，简称e b w ) 是以高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接和加工的新型特种加工工艺方法。它具有传统熔焊方法难以比拟的优势和特殊功能：其焊接能量密度极高，容易实现金属材料的深熔透焊接，焊缝窄、深宽比大、焊缝热影响区小、焊接残余变形小、焊接工艺参数容易精确控制、重复性和稳定性好等【”。随着航空、航天、微电子及国防工业的飞速发展，各种高强度、高硬度、高韧性、耐高温台金、钛台金、高强度合金等金属材料、复合材料的广泛应用，构件形状日趋复杂化，对焊接工艺及加工精度和表面完整性提出了越来越高的要求，传统熔焊工艺在高技术制造领域已难以适应其发展趋势，对这些材科的焊接和加工采用高能束焊接技术( 包括电子束焊、激光焊和等离子焊等) 具有极大优势，这也是当今世界先进技术和焊接工艺发展的前沿领域和重要方向也是国防工业和武器装备研制中必不可少的特种焊接技术。研究表明【2 翻：电子束焊接接头的力学性能与接头组织和化学成分及焊后热处理密切相关。由于接头加热过程集中、加热和冷却速率极快、接头易形成淬硬组织，极大影响电子束焊接接头的组织和力学性能同时，一些高强钢和钛合金等，焊后均有产生延迟氢致裂纹的倾向因而电子柬焊接接头必须进行整体热处理( 真空或热处理炉中) ，以便减小焊接残余应力，消除氢致裂纹，改善焊缝附近的微观组织结构，以便提高电子束焊接接头的抗断裂及疲劳特性。一般电子束焊接接头在焊后需要进行真空或炉中整体热处理，而整体热处理不仅需要大型或专用设备，且工艺过程复杂、耗费能量及生产成本昂贵，因此探讨电子柬局部热处理代替整体热处理具有重要应用前景。电子束局部热处理的研究是多功能电子束加工技术和集成工艺研究课题的一部分内容。多功能电子束加工技术和集成工艺是在一台电子束设备上具有焊接、真空局部热处理、表面改性、钎焊和堆焊等多种加工功能，把工件装入真空室后，在一次抽真空循环内可以完成多道工序 4 1 。这不仅大大提高生产效率，提高设备利用率，降低加工成本，而且对于一些特殊材料( 如需要焊后局部热处理的高强钢和特殊结构的钛合金，有多道加工工序的零件等) 的加工十分有利。例如，飞机起落架主体的电子束焊接，不仅需要焊前、焊后的局部热处理，还要通过送丝系统来帮助焊缝成型；带轴涡轮盘蓖齿的整体修复需要对电子束焊缝进天津大掌司【士掌位论文行局部消除应力退火处理等等。在小批量、多品种的生产流程中，为了提高电子束焊接设备的利用率，多功能电子束加工技术和集成工艺是必不可少的，在航空航天以及兵器工业中有广泛的应用前景。此项研究属于开拓性研究，国内外有关焊后电子柬局部热处理对焊接接头断裂和疲劳力学行为影响的研究报道较少。而焊接接头的断裂和疲劳问题一直是人们普遍关注的问题【5 j 。如何用断裂力学的观点和试验方法来评定焊后电子束局部热处理工艺是一个全新的领域，鉴于此种情况，在国防科工委国家重点实验室基金的资助下，本文针对航空工业上常用的材料3 0 c m 恤s 订婀2 a 低合金超高强度钢和b t 2 0 近n 态钛合金，研究电子束焊接和焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢组织和断裂、疲劳性能的影响；采用小孔法测量了b t 2 0 钛合金焊态和电子束局部热处理状态焊接接头的残余应力，分析了电子束局部热处理对焊接接头残余应力的影响；探讨在本文研究的工艺条件下焊后电子柬局部热处理在这两种材料上的应用可行性。本课题为电子束焊接技术在军事部门的更广泛应用，保证焊接产品质量的同时，降低制造成本，提高经营效益具有重要价值。1 2 与本文研究有关的文献综述电子柬焊接和电子束热处理都属于电子束加工技术的主要内容，电子束焊接是电子束加工技术中发展最快应用最广的一种，己成为工业生产中的重要特种工艺。电子束热处理也因其耗能小、效率高等优点，近十年来在工业中的应用发展迅速。下面就两者的基本特点和应用现状作简要介绍。1 2 1 电子束焊接( 1 ) 电子束焊接的基本概念”“”电子束焊接是用极致密的高速电子流打到被焊金属上，使其加热、熔化，形成焊缝的一种新型焊接技术。电子束是在真空环境中通过电子枪产生的。如图1 1 所示，电子枪通常由阴极、聚束极和阳极组成。电子是以热发射或场致发射的方式从发射体( 阴极) 逸出。在2 5 3 0 0 k v 的加速电压的作用下，电子被加速到0 3 o 7 倍的光速，具有一定的动能，经电予枪飞、广一 秉一jn 蠢零l 鑫江剩 l 嘲，曷士，糊誊i善，+ 。图1 1 电子束焊接原理置津大学硕士掌崔瞒文中静电透镜和电磁透镜的作用，电子会聚成功率密度很高的电子束。电子束焊接过程中正是由功率密度极高的高速电子流与工件碰撞时，电子与金属晶格的整体也与金属原子、分子和电子的相互作用，电子的动能转化成热能，从而使被轰击的材料升温熔化，达到焊接的目的。( 2 ) 电子束焊接的特点电子束作为焊接热源有两个明显的特点，即功率密度高( 可达1 0 8 w c m 2 ，至少比传统的焊接方法所能获得的能量高两个数量级以上) 和精确快速的可控性。基于上述特点和焊接时的真空条件，以电子柬作为高能量密度热源的电子柬焊接，具有很多优于传统焊接工艺的特点，可归纳为表l ，1 【8 】o表1 1 皂子柬焊接的特点序号特点内容电子束斑点尺寸小功率密度大。可实现高深宽比( 即焊l焊缝深宽比高缝深而窄) 的焊接，深宽比达6 0 ：l ，可次焊透0 1 3 0 0 咖厚度的不锈钢板能量集中，熔化和凝固速度快。例如焊接厚1 2 5 m m 的铝焊接速度快，板焊接速度达4 0 0 m m m i n ，是氩弧焊的4 0 倍。能避免2焊缝物理性能好晶粒长大，使接头性能改善高温作用时间短合金元素烧损少焊缝抗蚀性好3焊件热变形小功率密度高输入焊件的热量少，焊件变形小真空对焊缝有良好的保护作用。高真空电子束焊尤其适合4焊缝纯洁度高焊钛及钛合金等活性材料参数易于精确调节便于偏转对焊接结构有广泛的适应5工艺适应性强性不仅能焊金属和异种金属材料的接头，也可焊非金属材6可焊材料种类多料如陶瓷、石英玻璃等电子束焊接易于实现机械化、自动化控制，参数重复性、7再现性好再现性好，提高了产品质量的稳定性可将重复的或大型整体焊件分为易于加工的、简单的或小8可简化加工工艺型部件用电子束焊为一个整体减少加工难度，节省材料简化工艺( 3 ) 电子束焊接的发展及应用现状自从德国的s t e i g e n v a l d 和法国的s t o h r 将电子束首先应用到工业生产中以来，电子束焊接在工业上的应用已有4 0 多年的历史。1 9 5 4 年法国的s t o l r 博士自己设计和制造了一台电子束焊接装置，为法国原子能委员会焊接了核反应堆的燃料包壳。其后，由于真空技术的完善和电子技术的发展，联邦德国z e i s s公司研制成功了第一台生产性的7 5 k w 真空电子束焊机。1 9 5 8 年美国西屋公司进一步研制成功1 5 0 k v 高压型的真空电子束焊机，突破了制造高压电子枪的一，津大掌司e 士掌位论文系列难点1 ”i 。七十年代和八十年代的前期，是电子束发展的巅峰时期。在此期间，人们做了大量电子束焊接机理研究、设备改进、工艺选择等工作，无论是设备数量，还是技术应用领域都有了大幅度的增长i l “。除了1 0 。4 1 0 - j p a 的高真空电子束焊接以外，还发展了1 0 1 1 0 p a 的低真空电子束焊接和非真空电子束焊接，用以在满足焊接质量的情况下，降低成本，提高生产率【“1 1 1 2 】。日、俄、德开展了双枪及单枪电子束焊接的研究i l ”。多功能电子束加工技术和集成工艺便是在八十年代由前苏联提出的。它可以消除电子束焊接过程中出现的种种缺陷，可以利用同一设备实现多道加工工序，极大提高生产效率，降低加工成本，从而在航空航天系统得到普遍重视。目前，国外生产和销售的电子束焊机功率是1 1 2 0 k w ，焊接熔深达2 5 0 r a m ，焊缝深宽比可达5 0 ：1 ，真空室大小通常为1 2 0 0 m 3 ，最大可达8 0 0m 3 。日本大阪大学焊接研究所研制成功的5 0 0 k w 超高压电子束焊机，一次可焊2 0 0 r a m 的不锈钢，深宽比达7 0 ：1 。法国f r a m a t o m e 公司设计制造的2 0 0 k wf e - 2 0 0 型电子束焊机，可焊厚达3 0 0 m m 的板材【12 】【”1 。电子束焊接技术一出现，便以优异的性能受到重视。由早期的原子能、航空、航天等高科技领域，现已逐渐扩展到汽车、电子、化工、电力、潜艇等多个领域，尤其是需要焊接质量高、精度好的部位【l 卜。电子束焊接在促进新材料的应用、机械结构的改进、加工工艺的变革和促进尖端科学技术的发展等方面具有巨大的推动作用我国的电子束焊接起步于六十年代，如今已有多种型号的电子束焊机生产，最大功率可达3 0 k w 加速电压1 5 0 k w ，焊缝深宽比达1 7 ：1 ，电子束焊接的局部真空、自动控制等工艺技术都有了发展和研究，但比发达国家仍有一定差距i i ”。我国的电子束焊接主要应用于航空、航天、核工业等方面，在汽车齿轮、某些压力容器和大能量的内燃机制造中也有应用。在机理和工艺研究上，北京航空工艺研究所、北京航空航天大学、天津大学、上海交通大学、西北工业大学、中国科学院电工所、桂林科学电器研究所、西安航空发动机公司、航空材料及工艺研究所所开展的工作涉及熔池小孔动力学、电子束钎焊、接头疲劳裂纹扩展行为、接头残余应力、填丝焊接、局部真空焊接时的焊缝轨迹示教等f 1 6 1 。在我国，多功能电子柬加工技术和集成尚属于新型加工工艺，在许多方面还很不成熟，正处于探索性研究阶段。1 2 2 电子束热处理( 1 ) 电子束热处理的基本概念电子束热处理就是用电子束发生器输出的功率密度至少为1 0 3 w c m 2 以上的4能束，定向作用在金属上，从而达到金属产生物理、化学或相结构转变的热处理方式。通常按相变类型分类，可将电子柬热处理分为电子束相变硬化处理( 或电子束淬火) 、电子束熔凝处理、电子束合金化和电子束束流处理等几种l l ”。( 2 ) 电子束热处理的特点与传统的热处理工艺相比，电子束热处理具有变形小、节能、清洁、重复性好和灵活型好等优点。与激光热处理相比，电子束热处理有以下特点【l ”：总效率高：无须进行表面处理；电子束比激光易于控制，能实现选择热处理：电子束热处理成本低，约为激光的一半；电子束热处理设备易达到大功率1 0 k w 以上设备易于制造且工作稳定。而激光只能达到7 k w ，且稳定性较差i 电子束热处理需真空条件不如激光方便，但真空条件使处理的零件表面质量更好。( 3 ) 电子束热处理的应用及发展电子柬热处理是7 0 年代才发展起来的一种高能束热处理技术。由于其耗能小、效率高等优点，近十年来在工业中的应用发展迅速。目前，电子柬淬火在国内外已获得了工业应用，从当前电子束淬火的应用现状来看，基本上仍以钢和铸铁的电子柬淬火为主；在铜、钛合金及其它非铁合金方面也有广阔的应用l i i 景。电子柬相变硬化对金属的显微组织和性能有很大的影响，经过处理后组织晶粒明显细化，一般过共析钢的细化效果要优于亚共析钢的细化效果。各种钢铁材料经电子束淬火处理后，其显微硬度明显升高，与传统的正火和退火工艺比较。增加2 3 倍。由于表面硬度的增加，使得处理后材料的耐磨性也有了提高【l s l l l 9 1 。-电子束熔凝处理主要应用于以下两个方面：改善合金的表层组织和强化表面层。目前国内外对电子柬熔凝处理主要集中在工模具的应用上。为了保持和改善模具韧性的同时，局部提高工模具钢的表面强度、耐磨性和热稳定性，采用电子束局部熔凝处理是一个有效的办法。某些模具钢在处理后，形成了极细的组织提高了碳化物的弥敖度，并能改善合金元素及碳化物的分布，因而使材料的表面硬度和热稳定性大大提高。国内学者陈晓风等研究了电子束扫描速率对t c 4 钛合金熔凝层的凝固组织和显微硬度的影响【2 0 】。结果表明，随着电子束扫描速率的提高，熔凝层的熔宽降低，熔深无明显变化；熔凝层的显微硬度增高。同时，处理后豹耐磨性有明显改善。国内外进行金属表面合金化的研究，多采用大功率c 0 2 激光器。原则上激光能实现的工艺，电子束都能实现。国内唐传芳、周广德】等对4 5 钢采用适当的合金粉末及处理工艺，获得了预期的合金化层。电子束合金化处理不仅使4 5 钢的显微硬度大大增加，而且其总的强化深度也大大增加了；合金化层的耐磨性均比4 5 钢常规热处理的耐磨性要高。以上文献把研究的重点只放在了研究工件在经过电子柬热处理后其组织、硬度和耐磨性的变化上，而没有对处理前后试样的断裂韧性、疲劳特性和残余应力的变化等领域进行研究。( 4 ) 本文研究的焊后电子束热处理需要说明的一点是，上面所述的三种电子束热处理都是采用专用的电子束热处理设备来实现的，另外还有一种电子束热处理是可以在电子束焊机上实现的局部热处理( 回火或退火) 】。其原理是在电子束焊接后马上进行低热输入的熟处理。在进行这种电子束局部热处理时，为保证均衡的温度分布和所处理区域不发生重熔，采用微机控制的扫描圆点图形来扫描试样，可以改变热输入量的大小、扫描区的宽度和扫描速度等。在本文研究中，采用的焊后电子束局部热处理实际上是多功能电子束加工技术的一种，它不同于上面所述的前三种电子柬热处理，而和文献 2 2 】中的局部热处理相似。两者均是在电子束焊机上于电子柬焊后马上进行的热处理，只是二者在具体的扫描方式上有所差别，在本试验中扫描方式采用的直线型扫描( x 单向或x - y 双向扫描) 。电子束焊接后随即进行电子束局部热处理，频率约6 0 0 h z ，扫描区最大宽度大约为2 2 m m 左右，在试件表面以焊缝为轴对称分布。扫描速度v - - 0 6 6 m r a i n 。其中，局部热处理的温度由红外测温仪测得，测试时探头跟随扫描线移动，因此测得的是扫描线及附近一定尺寸范围内的材料表面平均温度。1 3 本文主要研究内容本研究采用航空、航天工业常用的3 0 c r m n s 泓超高强钢和b t 2 0 钛合金等材料，结合金相分析，研究探讨焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 超高强钢电子束焊接接头断裂和疲劳性能的影响；采用小孔法测量了b t 2 0 钛合金焊态和焊后局部热处理的两种电子柬焊接接头残余应力的分布，同时还对b t 2 0 钛合金上述两种状态下焊缝和母材的疲劳性能进行探索性试验研究，为电子束局部热处理工艺在这两种材料上的应用可行性提供实验依据。论文主要内容和章节安排如下：第一章，在简要介绍电子柬焊接和电子束热处理的基本概念、特征和应用现状等内容后，对与本文研究密切相关的文献进行综述。第二章，通过金相组织分析、硬度测试、拉伸试验和冲击试验等试验手段研究焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢焊接接头和母材的显微组织和力学性能的影响，并与焊后整体热处理状态接头和母材的组织和力学性能进行比较。采用三点弯曲试样研究探讨焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢焊接接头和母材断裂韧度( c t o d ) 的影响，并与焊后整体热处理状态接头和母材的6断裂韧度进行比较。第三章，采用紧凑拉伸试样分析探讨了焊后电子束局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢焊缝和母材两区域的疲劳裂纹扩展速率d a d n 和门槛值k t i l的影响，并与焊后整体热处理状态相应区域的疲劳裂纹扩展速率d “d n 和门槛值k t h 进行比较。根据组织分析、力学性能、断裂韧度和疲劳裂纹扩展试验所得到的试验结果，综合评价焊后电子柬局部热处理在3 0 c r m n s i n i 2 a 钢上的可行性和应用前景，并对今后的研究方向提出建议。第四章，采用小孔法测试了b t 2 0 钛合金焊接接头经过焊后电子束局部热处理后的残余应力分布，并与焊态的应力分布进行了比较和分析：对b t 2 0 钛合金焊态和焊后电子束局部热处理两种状态焊接接头进行了疲劳性能试验，并与母材疲劳性能进行了比较分析。综合评价焊后电子束局部热处理在b t 2 0 薄板上的虚用可行性和发展前景。第五章，总结全文，得出结论。7第二章电子束局部热处理对3 0 c r m n si ni2 a 钢焊接接头组织和性能的影响3 0 c r m n s i n i 2 a 超高强钢在航空工业中占有重要地位，其比强度优于普通结构钢，可减轻飞机结构重量，用于机翼大梁、连接螺栓、起落架等重量结构件。本章主要研究了电子柬局部热处理对3 0 c r m n s i n i 2 a 钢电子柬焊接接头组织和性能的影晌。2 1试验材料2 1 1 材料成分及力学性能3 0 ( 枞n s i n i 2 a 钢化学成分见表2 1 。其化学成分由高能束流加工重点实验室提供。采用9 兀y k1 中压动枪式电子柬焊机焊接。表2 13 0 c r l l n s i n i 2 a 铜1 【匕学成分cm nos in id ovsp0 3 01 1 40 9 21 1 91 7 l0 0 1 50 0 2 52 1 2 焊接及焊后热处理工艺在本研究中，3 0 c r m n s i n i 2 a 钢的供货状态，即焊前状态为退火态。焊接试板均由高能束流加工重点实验室提供。焊接试板形状及尺寸如图i 1 所示。接头形式是将10 0 2 6 0 1 0 m m 的钢板沿长度方向电子束熔透形成的对接接头。其电子柬焊接工艺见表2 2 。工作距离为2 0 0 m m ，真空度为1 1 0 - 2 p a 。国2 1 焊接试扳形状及尺寸示意图表2 2 电子束焊接工艺参数加速电压电子束流焊接速度聚焦电流工艺u ，k vv m av m m i n - ii m a焊接6 01 6 01 3 37 8 0修饰6 01 8o 6 68 2 0天津大孽q l 陆孽坤t 甚艺本研究共对三种电子束焊接接头进行了试验，分别以字母a 、b 、c 来表示。其代表的具体含义分别为：a 状态：焊态；b 状态：焊后( 约2 0 r a m ) 6 8 0 高温下回火( 3 0 i m ) ，空冷；c 状态：焊接完随后进行电子束局部热处理，直线型扫描，频率约6 0 0 h z ，最大扫描尺寸：x 方向，扫描区宽度大约为2 2 r a m 左右，在试件表面以焊缝为轴对称分布。其焊接和修饰工艺参数与a 状态试样相同。扫描速度v = 0 6 6 m r a i n 。其具体工艺参数见表2 3 。其中，局部热处理的温度由红外铡温仪测得，测试时，探头跟随扫描线移动，因此测得的是扫描线及附近一定尺寸范围内的材料表面平均温度。表2 3 电子柬局韶热妊理工艺参数温度扫描时间电子束流扫描速度t ，低w m av 抽m i f f l8 6 m 母6 07 05 50 6 62 2 试验方法2 2 1 金相组织观察为了研究焊后电子柬局部热处理对3 0 c r m n s i n 讫a 钢焊接接头各区显微组织的影响，在德国产n e u p h t o n 2 型光学显微镜上观察了3 0 c r m n s 凇a 钢上述a 、b 、c 三种状态下焊接接头焊缝、热影响区和母材三个区域的宏观组织和显微组织腐蚀剂为蜊酸酒精溶液。显徽组织放大倍数为5 0 0x 。2 2 2 显微硬度测试采用f i v a 1 0 a 型维氏硬度计测量了焊态( a ) 、整体热处理态( b ) 和电子束局部热处理态( c ) 三种焊接接头焊缝、熟影响区和母材三个区域的显微硬度，载荷为1 0 k g ，其测试点分布如图2 _ 2 所示。其中焊缝和热影响区处测点间距为o 5 m m ，而母材图2 2 显微硬度测试点分布示意图2 2 3 力学性能测试在d s s 2 5 t 电子万能试验机上进行了拉伸试验，测定了焊态( a ) 、整体热处理态( b ) 和电子束局部热处理态( c ) 三种状态下焊缝、焊接接头和母材的屈服强度oo2 、抗拉强度ob 、伸长率6 和断面收缩率1 i r 。拉伸试样如图2 3 所示。由于电子束焊缝区很窄仅为1 5 2 r a m ，无法采用标准拉伸试样来获得焊缝的力学性能，因此在本试验中，焊缝和接头均采用微型拉伸试样，其形状、尺寸分别如图2 3 ( a ) 、( b ) 所示，其中焊缝拉伸试样是沿焊缝纵向取样，焊接接头拉伸试样是沿焊缝横向取样。而母材采用标准板式拉伸试样，如图2 3 ( c ) 所示，其中由于c 状态扫描区较窄，为了测试扫描区内母材的力学性能，故采用微型拉伸试样。( a ) 焊缝( b ) 焊接接头( c ) 母材围2 3 拉伸试样形状及尺寸图2 2 4 冲击韧度测试对焊态( a ) 、整体热处理( b ) 和电子束局部热处理( c ) 三种状态焊接接头焊缝、热影响区和母材三个区域分别在室温下进行冲击试验，试验在2 9 4 1 4 7 j冲击试验机上进行。试验根据g b 2 6 5 0 - - 8 9 焊接接头冲击试验方法标准的要求进行。采用v 型缺口冲击试样，试样尺寸及缺口位置如图2 4 所示。0j 津犬省相曩士掌位论文f i，氛i 2 7 跚3 、 r彻1、( c )( a ) 母材( b ) 焊缝( c ) 热影响区图2 4 三种状态焊接接头夏比冲击试样图2 2 5 断裂韧度测试对焊态( a ) 、整体热处理( b ) 和电子柬局部热处理( c ) 三种状态焊接接头焊缝、热影响区和母材进行了断裂韧度试验。断裂韧度试样取自2 0 0x2 0 0x2 0 m m 的钢板沿长度方向电子束熔透形成的对接接头。在焊接前进行正、反面点焊然后进行电子束焊接和修饰，各阶段的具体工艺参数见表2 4 。试板表面与电子束枪端口距离为2 0 0 m m ，真空度为lx1 0 2 p a 。表2 4 电子柬焊接和修饰工艺参数加速电压电子束流焊接速度聚焦电流工艺u ( k v )i b ( m a )v ( n “蛐n )i f ( m a )正反面点焊6 01 50 _ 3 37 8 0焊接6 01 6 01 3 37 8 0修饰6 0】80 6 68 2 01 1 钏引。、l，菏。固a 、b 、c 各状态参数如2 1 2 所述，只是c 状态焊后电子束局部热处理工艺参数有所改变，见表2 5 。表2 5 电子柬局部热处理工艺参数温度扫描时间电子束流扫描速度t ，t si b 。“，m av m - m i n _ 18 2 阻j 9 3 01 2 09 00 6 6断裂韧度试验依照英国标准b s 7 4 4 8 1 ：p a r ti 和p a r t i i ，并参照国内标准j b 4 2 9 1 - - 8 6 焊接接头裂纹张开位移( c o d ) 试验方法来进行。采用三点弯试样测定了三种状态焊缝、热影响区和母材的c o d 值。根据标准j b 4 2 9 1 - - 8 6 ，筛选焊接材料和选择焊接工艺规范时，可以采用线切口试样代替疲劳裂纹试样，可用直径不超过0 0 8 m m 的钼丝线