铝合金超声交流TIG复合焊接焊缝成形及组织特征研究

论文摘要

TIG焊是铝合金常用的焊接方法,但由于其效率低,容易产生裂纹和气孔等缺陷限制了其在铝合金中更广泛的应用。本课题组前期已自主开发出超声交流TIG复合焊接系统,研究结果表明超声的引入可提高铝合金焊接效率,改善焊缝的组织和性能。为了更深入地探究铝合金超声交流TIG复合焊接（U-TIG）中超声在熔池中的作用,本文对超声在氩气及电弧空间中传播的特点进行了分析,研究了铝合金超声交流TIG复合焊的电弧特性与工艺特点,并针对超声对熔池金属的作用进行了初步讨论。首先分析了超声在氩气及电弧空间中的传播特征。在氩气中超声能量主要受到发射端高度与喷嘴高度的影响,而保护气流量的影响很小。与氩气相比,超声在电弧中传播时其能量衰减更为严重,焊接电流与弧长均影响超声能量的衰减程度。利用高速摄像对超声交流TIG复合焊电弧形态进行了观察。当超声能量较强时,电弧压缩较明显,同时超声的引入可提高电流过零时刻电弧的稳定性。针对2219铝合金,进行了U-TIG平板堆焊试验。研究了不同焊接规范参数下,超声对焊缝表面成形、深宽比、微观组织以及气孔倾向的影响。结果表明:U-TIG焊缝熔深增加,熔合区明显变窄,气孔倾向减小;确定了用于对接焊试验的最佳匹配参数,发射端高度30mm,对应喷嘴高度11mm。在此基础上,进行了2219铝合金U-TIG填丝与不填丝对接焊试验,重点研究了发射端高度与超声电源输入电压对不填丝铝合金超声交流TIG复合焊接接头组织和力学性能的影响。研究结果表明:与常规TIG焊相比,不填丝U-TIG焊缝中心组织由粗大的树枝晶转变为细小的等轴晶,热影响区晶粒明显细化;焊缝的抗拉强度最大达265.7MPa,比普通TIG焊接接头高近6%。随着超声功率的增加,抗拉强度也相应增加。与填丝TIG焊相比,填丝U-TIG焊热影响区更窄,抗拉强度提高了2%,拉伸效果不如不填丝U-TIG焊明显。最后利用Fluent有限元软件,初步探讨了电弧压力改变以及超声声流作用对熔池流动的影响。超声TIG电弧力分布明显加快了熔体的流动速度;超声声流作用使熔池呈现出两种不同循环方向的流动,可促进热量向熔池底部传输,有助于焊缝组织和成分均匀化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 超声波及其特性
• 1.3 功率超声在铝合金凝固中的应用
• 1.3.1 功率超声细化晶粒
• 1.3.2 功率超声熔体除气
• 1.3.3 超声抑制偏析
• 1.3.4 超声去膜作用
• 1.4 功率超声在焊接中的应用
• 1.4.1 超声波焊接
• 1.4.2 超声钎焊
• 1.4.3 超声辅助焊接
• 1.4.4 超声与电弧的作用
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 试验设备、材料及方法
• 2.1 试验设备及装置
• 2.1.1 焊接设备
• 2.1.2 超声电源
• 2.1.3 声场测量装置
• 2.1.4 高速摄像设备
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 金相分析
• 2.3.2 性能测试
• 2.3.3 硬度试验
• 第3章 超声交流TIG 焊声场及电弧特性分析
• 3.1 超声交流TIG 焊声场特性的研究
• 3.1.1 超声在氩气氛围中的传播
• 3.1.2 超声在电弧空间中的传播
• 3.2 超声交流TIG 电弧特性的研究
• 3.2.1 超声对电弧形态的影响
• 3.2.2 电流过零点电弧稳定性分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 2219 铝合金超声交流TIG 焊接工艺研究
• 4.1 铝合金超声交流TIG 堆焊试验研究
• 4.1.1 试验方法
• 4.1.2 超声振动对焊缝表面成形影响
• 4.1.3 超声振动对焊缝深宽比的影响
• 4.1.4 超声振动对组织和气孔倾向的影响.
• 4.2 铝合金超声交流TIG 不填丝对接焊工艺研究
• 4.2.1 试验方法
• 4.2.2 表面成形对比分析
• 4.2.3 焊缝形貌分析
• 4.2.4 拉伸试验及断口分析.
• 4.2.5 硬度试验
• 4.3 铝合金超声交流TIG 填丝对接焊工艺研究
• 4.3.1 焊缝表面成形
• 4.3.2 焊缝形貌分析
• 4.3.4 力学性能试验
• 4.4 本章小结
• 第5章 超声作用机理初步分析
• 5.1 超声在液态金属中传播
• 5.2 熔池的Fluent 模拟.
• 5.2.1 模拟前处理工作
• 5.2.2 模拟结果分析
• 5.3 高速摄像试验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢