鋁合金超聲-交流TIG復(fù)合焊電弧行為與接頭組織性能研究.pdf

1、本文針對鋁合金交流鎢極氬弧焊（簡稱交流TIG焊）時(shí)焊接效率較低、接頭組織粗大、失強(qiáng)嚴(yán)重、氣孔缺陷多等問題，提出超聲-交流TIG復(fù)合焊接方法，立意通過超聲振動改善電弧特性和焊縫金屬的熔化凝固行為，進(jìn)而獲得高質(zhì)量的鋁合金焊接接頭。論文主要研究內(nèi)容包括：搭建不同頻率和聚焦型復(fù)合焊接系統(tǒng)，分析復(fù)合焊接電弧行為和鋁合金熔化特點(diǎn)，研究不同頻率和變幅桿端面輸出振幅下，復(fù)合焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)特征和氣孔缺陷特征，評價(jià)接頭力學(xué)性能，分析焊接接頭的斷裂行為，建

2、立微觀結(jié)構(gòu)和氣孔缺陷特征與力學(xué)性能間的聯(lián)系，基于超聲空化效應(yīng)，揭示復(fù)合焊超聲振動細(xì)晶機(jī)制，探索輸出振幅和頻率影響超聲細(xì)晶和除氣效果的機(jī)制，討論鋁合金復(fù)合焊適宜的超聲頻率范圍，為進(jìn)一步揭示超聲作用機(jī)理和提高鋁合金超聲復(fù)合焊接頭質(zhì)量提供試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
　　根據(jù)鋁合金交流TIG焊特點(diǎn)，設(shè)計(jì)復(fù)合焊接系統(tǒng)的導(dǎo)電、鎢極連接和冷卻裝置。結(jié)合頻率可能產(chǎn)生的影響，確定外加激勵頻率為20kHz、28kHz和40kHz。為提高熔池中超聲能量，提出凹面

3、聚焦型變幅桿。利用 COMSOL軟件，計(jì)算凹面變幅桿的最佳曲率半徑。通過有限元模擬，優(yōu)化變幅桿尺寸，獲得諧振的超聲振動系統(tǒng)。利用振動系統(tǒng)的節(jié)面位置，完成不同頻率和變幅桿端面形狀的復(fù)合焊接系統(tǒng)的搭建，系統(tǒng)大電流、長時(shí)間穩(wěn)定工作能力強(qiáng)。通過模擬軟件，計(jì)算焊接過程中聲場分布狀態(tài)，研究變幅桿端面與工件表面之間的聲場諧振狀態(tài)和各參數(shù)的影響規(guī)律，為后續(xù)分析提供理論依據(jù)。
　　利用高速攝像系統(tǒng)及電流電壓和電弧壓力采集裝置，研究復(fù)合焊電弧行為。發(fā)

4、現(xiàn)超聲振動使交流電弧收縮，且收縮程度隨聲場能量增大而增大。超聲振動導(dǎo)致電弧靜特性曲線發(fā)生改變。正半波期間，提高了負(fù)阻特性區(qū)的等效負(fù)阻值。負(fù)半波期間，使電弧靜特性更多的表現(xiàn)為下降特性。隨聲能密度提高，下降特性區(qū)等效負(fù)阻增大。超聲振動可降低電弧再引燃電壓，電流極性轉(zhuǎn)變時(shí)電弧穩(wěn)定性提高。此外，與常規(guī)交流電弧相比，復(fù)合焊電弧壓力更高，并隨聲場能量的增加而增加。計(jì)算復(fù)合電弧各區(qū)壓降，發(fā)現(xiàn)超聲可降低陰極和陽極區(qū)的壓降和，提高弧柱區(qū)電場強(qiáng)度。

5、　　通過鋁合金焊接試驗(yàn)，研究復(fù)合焊縫熔化特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)施加超聲振動后，焊縫熔深和熔化面積顯著增大，熔寬略有增加。通過研究焊縫深寬比隨發(fā)射端高度的變化規(guī)律，結(jié)合復(fù)合電弧特性，確定復(fù)雜焊接環(huán)境中各頻率聲場諧振點(diǎn)位置，為后續(xù)研究提供試驗(yàn)依據(jù)。分析超聲振動對熔池金屬流動特點(diǎn)和熱傳導(dǎo)作用的影響，發(fā)現(xiàn)引入超聲振動后，焊縫熔化特點(diǎn)從單純?nèi)刍拖蛑行娜刍娃D(zhuǎn)變。同頻率下輸出振幅越大，以及相同輸出振幅下，頻率為20kHz和40kHz時(shí)，這種趨勢越明顯。

6、>　　研究了復(fù)合焊接接頭微觀結(jié)構(gòu)和氣孔缺陷特征，測試了接頭的力學(xué)性能，分析了接頭的斷裂行為。發(fā)現(xiàn)超聲振動可減小鋁合金焊接接頭熔合區(qū)寬度，細(xì)化晶粒，改變?nèi)鄢亟饘俳Y(jié)晶方式，減少接頭中大氣孔的數(shù)量。頻率為20kHz時(shí)，接頭組織細(xì)小，在超聲作用下發(fā)生部分等軸化。與常規(guī)焊接接頭相比，鋁合金復(fù)合焊接頭中大氣孔數(shù)目顯著降低，多為彌散分布的微氣孔。此時(shí)，接頭力學(xué)性能高。28kHz時(shí)，接頭組織為細(xì)長的胞狀樹枝晶，未檢測到氣孔缺陷，力學(xué)性能具有方向性。40

7、kHz時(shí)，超聲細(xì)晶作用較弱，氣孔缺陷多，性能較低，與常規(guī)交流焊接接頭相比差別不大。
　　通過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，初步探索了超聲空化細(xì)晶以及頻率和輸出振幅影響超聲細(xì)化組織和除氣效果的機(jī)制。計(jì)算發(fā)現(xiàn)鋁合金熔池中，空化泡在膨脹收縮過程中對周圍的液體釋放能量，導(dǎo)致空化泡周圍鋁合金原子的振動頻率顯著提高。這有利于增加熔池金屬形核率，細(xì)化焊縫組織。通過對共振半徑和瞬態(tài)空化閾值的計(jì)算，分析激勵頻率和變幅桿端面輸出振幅對焊接熔池中空化形式和