激光焊光纤接头（一种改善TiAl电子束焊接接头的新型拉链形接头）

激光焊光纤接头（一种改善TiAl电子束焊接接头的新型拉链形接头）部分结果如下：本项目获得了国家自然科学基金项目的资助。图1 焊接过程示意图原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.06.032

随着航天工业的发展，结构减重已成为提高航天器推重比的一种趋势，尤其是飞机发动机减重。与传统的Ni基合金相比，TiAl合金不仅重量轻，而且具有优良的高温强度和抗蠕变性能。因此，它被认为是制造航空发动机的新一代材料。然而，焊接技术则是制造此类结构件必不可少的技术。尽管TiAl合金表现出优异的高温力学性能，但该合金焊接时，因其固有的室温脆性和焊接热应力高而受到极大的影响。例如，固态裂纹是该合金熔焊过程中的一个棘手问题。

Chaturvedi等人分析了TiAl合金电子束焊（EBW）接头中的横向裂纹，结果表明，留存的α2相和热诱导应力引起了固态开裂。为了减少TiAl合金开裂，Arenas等人对γTiAl合金进行了钨极氩弧焊，结果表明，接头的冷却速率对固态开裂起着关键作用，即开裂频率随接头冷却速率的降低而降低。当接头冷却速率降低到560K/s时，裂纹消失。为了缓解TiAl合金焊接的内应力，实现无裂纹的目的，Reisgen等人在对TiAl合金进行EBW之前，采用500-700℃预热处理，焊后得以有效控制焊接裂纹。Chen等利用EBW原位焊接前、后热处理的功能对TiAl合金进行了焊接，成功实现了该合金的无裂纹焊接。在这种情况下，调整焊接工艺和优化焊接热循环对裂纹控制而言至关重要。但考虑到TiAl合金高成本的特点，通过大量实验来优化焊接工艺参数显然是不现实的，因为这样会消耗大量时间和提高经济成本。近年来，数值模拟方法迅速发展成为指导焊接工艺的有效方法。

自20世纪90年代以来，数值模拟一直被应用于焊接工艺。随着有限元法（FEM）的发展，热-力学分析已被广泛用于研究不同焊接工艺的热力学效应和优化焊接参数。Lu等人将铝合金的MIG焊接模拟结果与实验结果进行了比较，结果表明，两种结果的应力分布趋势相似，焊缝中心累积了较高的残余拉应力。Lin等人采用复合电子束加热工艺对Ti-60合金EBW接头的残余应力进行了修正，结果表明，接头内最大焊接应力降低了48.3%，应力的缓解效果较好。在这种情况下，可以对TiAl合金EBW过程进行数值分析，以确定接头内应力分布。

虽然焊前和焊后处理可以实现无裂纹焊接，但需要承担大量时间和经济成本。为探索提高TiAl合金焊接性能的有效方法，2022年6月15日，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室张戈（音译）、陈国庆等人撰写的A novel zipper shape joint for improving microstructure and mechanical property of electron beam welded TiAl joint在Journal of Manufacturing Processes期刊上发表，通讯作者为陈国庆和冷劲松教授。本文对TiAl合金进行了EBW，设计了一种新型拉链形接头，优化了焊接热循环和缓解了焊接应力。还对拉链形接头和直线形接头进行了有限元模拟分析，揭示了接头形状对焊接热循环和接头应力分布的影响。

图1 焊接过程示意图

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.06.032

本项目获得了国家自然科学基金项目的资助。

部分结果如下：

图2 不同接头显微组织及焊接热循环曲线比较：（a）直线形接头显微组织；（b）拉链形接头显微组织；（c）晶界处围观组织；（d）焊接热循环曲线对比

图3 拉链形接头的应力分布曲线：（a）Von Mises应力曲线；（b）横向应力曲线σx；（c）正态应力曲线σy；（d）纵向应力曲线σz；其中，焊缝方向为Z向

图4 直线形接头的应力分布曲线：（a）Von Mises应力曲线；（b）横向应力曲线σx；（c）正态应力曲线σy；（d）纵向应力曲线σz；其中，焊缝方向为Z向

图5 不同接头的抗拉强度及断口形貌：（a）应力-应变曲线；（b）直线形接头断口形貌：（c）拉链形接头断口形貌

结论：

（1）有限元分析结果表明，拉链形接头不能直接冷却至室温。这是因为当焊接温度降低到1000℃时，接头的冷却速度显著降低。

（2）拉链形接头经过焊前和焊后热处理，促使α→γ相转变，并在晶界区域形成α2/γ片层。而直线形接头则不存在该情况。

（3）虽然直线形接头的残余应力略低，但是拉链形接头的裂纹频率却更低。这是由于拉链形接头的高温停留时间较长，导致接头中γ相较多，从而大大降低了接头裂纹敏感性。