钛/钢(TA1/Q345)层状复合板是以低合金钢Q345为基板,工业纯钛TA1为覆板,在炸药爆轰作用下通过高速斜碰撞而实现结合的双金属复合结构。TA1/Q345层状复合板作为一种兼有钢的高强度和钛的优异耐蚀性的层状结构材料,在航天航空、石油化工、海洋工程等领域具有广阔的应用前景。然而,由于钛和钢之间热物理性能差异大,并且极易发生反应生成脆性相,使其焊接加工变得异常困难。因此,实现TA1/Q345层状复合板的焊接连接为主线,开展复合板焊接过程中微观结构演化过程以及组织调控研究,具有重要的理论和实际意义。本文首先通过试验和数值计算对TA1/Q345层状复合板爆炸焊接过程进行研究。复合板界面处存在典型的周期性波纹形貌。基于流体动力学的SPH(Smoothed Particle Hydrodynamic)无网格数值模拟方法再现了复合板界面处波纹形貌和射流的形成过程。在爆炸焊接过程中,基、覆板之间的剧烈斜碰撞导致界面附近材料发生严重的塑性变形和温度升高,进而造成界面处金属间化合物的生成和界面附近显微组织的演化(回复、再结晶和长大)。结合试验和数值模拟结果,揭示了复合板界面组织的形成机制,为后面层状复合板的焊接提供了理论指导。TA1/Q345层状复合板焊接的难点在于解决Fe-Ti脆性合金相的过渡问题。本文基于多种合金组元(Cu、V、Nb和Zr)与Fe和Ti之间的冶金反应研究,发现Cu元素可与Ti反应生成多种Cu-Ti金属间化合物,从而抑制了脆性Fe-Ti金属间化合物的生成。与此同时,在Cu组元基础上通过添加V或Nb形成Cu基复合型焊接材料。研究结果表明复合型焊接材料更易于实现对焊缝组织的调控。本文还采用纳米压痕技术对焊缝微观组织的力学性能进行表征,初步确定了 TA1/Q345复合板焊接连接的微观组织构成。TA1/Q345层状复合板焊缝的成形和连接质量受Cu基过渡层焊接工艺参数的影响。研究结果表明,Cu基过渡层焊缝高于TA1/Q345层状复合板界面可有效减少焊缝中Fe-Ti脆性相的生成。在焊接工艺优化的基础上,本文还对Cu基过渡层焊接材料进行优化研究。结果表明,选择Cu20V和Cu20Nb这两种合金系作为焊接材料,所形成的焊缝显微组织更加均匀,Fe-Ti金属间化合物的含量也得到有效控制,接头性能明显提高。在过渡层焊接工艺和焊接材料优化的基础上,本文借助纳米压痕技术和透射电子显微镜,深入研究了 TA1/Q345层状复合板焊接接头典型区域的组织形态和相应的微观力学性能。Cu基过渡层焊缝与底部Fe基体之间以Cu基固溶体为主,硬度较低。Cu基焊缝与两侧TA1/Q345界面主要以βTi化合物为主,FeTi脆性相固溶于βTi中。Cu基焊缝与盖面Ti焊缝之间以Cu-Ti金属间化合物为主,脆性的Fe2Ti金属间化合物弥散分布在Cu基固溶体基体上。与此同时,本文采用单轴拉伸和三点弯曲试验对TA1/Q345层状复合板焊接接头的宏观力学性能进行评估,确定了焊缝显微组织的失效机制。研究发现,过渡层焊缝中Cu基固溶体可以有效抑制裂纹的起裂和扩展,脆性相对较低的Cu-Ti金属间化合物可以提高焊缝的抗开裂性能,焊接接头的力学性能与 Cu-Ti金属间化合物的分布、含量密切相关。研究结果建立了 TA1/Q345层状复合板焊接接头中材料-组织-性能之间的内在联系和影响规律。TA1/Q345层状复合板焊接过程中,Cu基过渡层材料、TA1、Q345之间的热物理性能差异将导致接头产生焊接残余应力。本文采用有限元方法对复合板焊接过程进行残余应力计算,结果表明Cu基过渡层焊接后,其残余应力值相对较低。而Ti焊缝盖面后,接头部位特别是焊缝区域残余应力升高。有限元计算结果与试验测试相吻合。工程实际中,有限元的结论可为TA1/Q345层状复合板残余应力的消除提供理论依据和数据支撑。