摘要
钛合金由于具有比强度高，密度低等特点，是航天壳体结构的常用制造材料。航天壳体结构连接多采用焊接方法，为增强焊接接头的力学性能同时防止焊接高温对其内部结构的破坏，会在壳体对焊结构内部赤道环位置增加衬底板，形成“T”形焊接接头。随着钛合金金属的不断研究与发展，钛合金航空壳体结构也面临金属材料与成型手段的升级。本文以两种钛合金焊接材料和三种焊接方法形成的带衬底板“T”形焊接接头宏观缺陷、微观组织和力学性能为研究对象，结合有限元模拟焊接成型过程中的应力变化特征，定向优化壳体结构材料和焊接方案，实现高质量低成本的有效结构连接。 采用电子束焊接方法对带衬底板钛合金进行焊接，通过调节电子束焊接工艺参数，获得了四种不同焊缝形貌的焊接接头。从宏观缺陷角度观察，随电子束热输入能量增加，衬底板边缘位置与对接板之间的未焊透缺陷逐渐降低，数据上表示为熔合度由44.77％增加至88.63％。该数据表明，较低的电子束焊接速度能很好的降低衬底板与对接板之间的未焊透缺陷。从微观组织方面发现，在焊接线能量的作用下，母材中的α相和β相逐渐转化为交错的网篮状马氏体相。此时不同试样的各微区显微硬度和剪切力均呈现焊缝区＞热影响区＞母材区的梯度特征，该趋势证明该四种电子束焊接工艺参数的改变对焊接接头的显微组织和微区力学性能影响不明显。为进一步分析不同电子束焊接速度下产生的未焊透缺陷对焊接壳体结构的影响，采用有限元数值模拟方法对工作条件下的壳体结构的内部应力分布进行表征。模拟结果表明衬底板与对接板之间的熔合度是影响壳体结构内部应力的主要因素，较高的熔合度会降低结构应力从而提高服役寿命。针对最高熔合度下的电子束焊接参数进行焊接过程的数值模拟，计算结果显示，随电子束热源移动，受周围金属的约束，焊后金属逐渐从压应力状态转变为拉应力状态，焊缝中心位置的呈现较高的拉应力，焊缝纵向和横向残余应力峰值分别为782 MPa和515.37MPa，模拟结果与实测结果分布趋势一致。 分别采用钨极惰性气体保护焊(TIG焊)和TIG+钎焊复合焊接方法对带衬底板钛合金薄板进行焊接试验，对形成的“T”形焊接接头宏观缺陷、微观组织和力学性能展开研究。TIG焊接时形成的焊接接头熔深较浅，熔合度为0％，不符合壳体结构焊接需求。TIG+钎焊复合焊接使用银基钎焊材料作为衬底板与对接板的中间层，焊缝成形良好，衬底板与对接板之间的熔合度高达97％。焊缝截面形成两种明显分布的焊缝形貌，即对接焊缝和钎焊缝。在焊接过程中，受TIG热源影响部分钛合金板材与钎料熔化，在钛合金-钛合金之间实现熔焊过程，在钛合金-钎料界面发生扩散反应。利用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对焊接接头的微观组织演变进行分析，X射线衍射仪(XRD)和能谱仪(EDS)对焊接接头各微区元素变化进行表征。结果表明钎焊区域中的显微组织主要由金属间化合物组成，对焊缝内则存在明显的长条状β相。显微硬度呈现钎焊区＞钛合金母材＞热影响区＞对接焊缝区的趋势，其中钎焊区域的平均显微硬度值为429 HV。钎焊区域中生成的金属间化合物显著提高了机械性能，其抗剪切强度较母材增加了 60％。 结合三种带衬底板钛合金封装对焊方案，分别对其焊接接头的组织与力学性能展开研究。基于对带衬底板钛合金电子束焊接接头的研究表明，较小的未焊透缺陷对于带衬底板封装对焊壳体结构有积极影响。当采用TIG+钎焊方法对TC17焊接时，钎焊区熔合较好，衬底板与对接板之间的未焊透缺陷极小。银基钎料的增加虽然使衬底板与对接板之间生成界面层，但有效的提高了熔合度，减少了焊缝截面的焊接缺陷，接头抗剪切力提高到2641 N,高效低成本的实现了带衬底板钛合金的高强度连接。
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