铜钢异种金属CMT焊接工艺及温度场模拟

作     者：蔡玉博 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林三宝

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：铜钢焊接 CMT技术 焊缝区组织 界面层组织 温度场 

摘      要：针对火箭发动机燃烧室内外壁焊接工艺的改进,本文采用CMT技术,选择合适的填充材料对T2纯铜和304不锈钢进行搭接焊,分析各接头焊缝组织、界面生成相和力学性能,制定并优化焊接工艺,结合温度场分布特点以及各焊接参数对温度场的影响,共同指导实际构件的焊接。首先采用不同焊丝进行焊接试验,对比各接头的外观成形和组织性能,确定S201焊丝作为铜钢CMT搭接焊的填充材料,进一步通过工艺试验确定送丝速度、焊接速度和焊枪角度的规范区间,基于响应曲面法设计试验,建立接触角、铺展宽度和抗拉强度与各焊接参数之间的关系模型,分析了单因素和多因素交互作用下焊接参数对各响应值的影响规律,发现适当的焊接速度配合较大的焊枪角度和较小的送丝速度更易获得成形良好且满足使用性能的铜钢CMT搭接接头,对优化的工艺进行试验验证,证明了模型的适用性。然后通过金相观察、扫描电子显微分析、能谱分析等方法,系统研究了不同类型接头焊缝和界面层的组织结构,由于钢表面和熔池边界散热速度较快,所以此处晶粒都垂直长大,更大的温度梯度使钢表面的胞状晶更细小,熔池边界较粗大的胞状晶一直生长至焊缝中心,相比之下,焊缝中上部的过冷度更大,所以出现了等轴晶,界面层为(α+ε)双相固溶体;钢发生熔化时,冷却过程中溶解的铁会不断析出,形成弥散分布的α-Fe,其能促进异质形核,所以焊缝组织为细小的等轴晶,界面层为分布ε-Cu的铁基固溶体,填加S211焊丝接头界面还有少量Fe3Si生成。最优工艺的铜钢拉伸试件断裂在热影响区,且发生明显的颈缩,属于延性断裂,接头强度达到220.78MPa,强度系数为76.89%,满足使用性能要求,硬度最低值也出现在热影响区。最后分析铜钢CMT搭接焊温度场,根据构件尺寸建立实体模型,选择双椭球热源对试板的温度场进行模拟,与实测的热循环曲线吻合,验证了模型的正确性,进一步模拟燃烧室的温度场,发现等温线呈不对称的椭圆形分布,钢侧温度梯度更大,铜侧散热更快,焊接参数的改变将影响温度场分布,增大送丝速度或减小焊接速度都会使高温区扩大,而随着焊枪角度的增大,主要热输入逐渐由铜侧偏向钢侧。