超声—电弧等离子体作用机制及焊接特性研究

发布时间：2018-02-26 22:42

本文关键词： 超声辅助电弧声场优化电弧等离子体熔滴过渡脉冲超声　出处：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：超声辅助电弧焊是一种在电弧同轴上方施加超声频振动,将超声能量引入焊接电弧与熔池的新焊接方法,利用超声效应可实现改善接头组织及力学性能的目的。在焊接过程中,在换能器发射端与被焊接工件之间的区域形成声场,其相应能量作用于电弧、熔滴和熔池。通过试验已经发现,施加超声后电弧明显压缩,熔滴过渡频率增加,焊接飞溅减弱,超声辅助熔化极电弧焊已被证明是一种很好的促进熔滴过渡的方法。对接头而言,超声作用使晶粒组织细化,焊缝气孔率降低,不同材料力学性能都有不同程度改善。这些研究均显示出超声辅助电弧焊良好的应用前景。本文主要针对超声辅助电弧声场能力不足,超声与电弧等离子体之间相互作用机制以及超声对熔滴作用特性不够明确等问题开展研究。这些研究都是围绕超声展开,属于制约该焊接方法进一步发展的若干关键问题。本文开展的研究不但有助于揭示超声、电弧等离子体以及相互交叉领域内的物理问题,也对该焊接方法实现更好的应用有重要意义。针对超声辅助电弧声发射装置建立了声场优化设计理论模型,引入速度势φ,通过各参量无量纲化处理推导了可描述整个声场的无量纲边界积分方程,获得了速度势与发射端几何参数直接关联形式,利用该模型可以描述.声场特性与声场几何参数之间的相关规律。在声场评价过程中,分别计算了无量纲声辐射功率(?),无量纲声压(?),无量纲时间平均势(?),无量纲的声辐射力(?)和回复力常数(?),并结合常温苯乙烯小球声悬浮实验对计算结果进行了验证。根据声场特性与声发射端几何参数的关系,详细分析了超声辅助电弧声发射端的端面半径R_1、中心通孔半径R_2和曲率半径R对声辐射力和回复力常数的影响。对比研究了球冠面、旋转抛物面和旋转双曲面三种声发射端形状,在声发射端深度D变化时,轴向和径向最大声辐射力的变化情况。在第一谐振模式下,小的中心通孔,大的声发射端面以及合适的曲率可以显著提高声辐射能力。结合电弧声拘束相关理论对上述模型进行了试验验证,计算结果与试验结果吻合良好。针对超声辅助电弧,研究了超声与电弧之间作用特性,在小电流TIG焊接试验中首次观察到一种上下抖动的脉动电弧。电弧形态随超声激励电流和发射端高度变化而变化,在谐振点附近,即在超声激励电流为150mA,发射端高度为14 mm时,电弧压缩最明显,挺直度最强,电弧中心高亮区域面积最大,在试验范围内抖动频率获得最大值(522 Hz)。对于粒子分析结果显示出等离子体粒子振荡频率与等离子体密度之间存在一定关系,而声压变化依赖于电子温度与密度的变化。通过电弧光谱试验对比研究了施加超声前后电弧电子温度与密度变化,受超声压缩作用,越靠近电弧边缘,A1谱线强度增加越明显。对电弧内部声传播特征Helmholtz方程进行了推导,完整描述了声波在电弧空间的产生与传播过程,利用有限元法对不同电弧电压电弧等离子体内部声传播过程进行计算,显示出模态频率随电压增加而增加,电弧内声压分布结果为熔滴进一步分析提供了理论基础。借助高速摄像机对熔滴过渡数据进行采集,分析了超声对熔滴的作用特性,研究对象包括熔滴过渡过程中熔滴的位移、加速度、体积及所受合外力。由不同焊接电流时熔滴受力结果可判定熔滴过渡过程中受到一个超声附加力作用,而针对单个熔滴变加速运动分析结果显示出该附加力符合超声辐射力的特点。除平焊位置外,超声-MIG焊接也被应用于其它位置焊接,对比同位置普通MIG焊接,电弧稳定性方面均显著增强,其中在立向上焊接过程中,熔滴颗粒更加均匀,过渡的轨迹更加平稳。结合超声对电弧与熔滴作用研究基础,为了克服大规范焊接温度的不利影响,特提出将脉冲超声引入电弧焊接过程。脉冲超声辅助电弧焊更是一种全新的焊接方法,通过7A52铝合金焊接试验,探索研究了连续超声与脉冲超声辅助MIG焊接过程中电弧与熔滴过渡,以及接头组织与性能等多方面的差异性。由试验结果可以看出,施加脉冲超声,电弧压缩程度进一步增强,熔滴过渡频率更大,焊缝区面积增加,晶粒细化更明显,焊缝Zn元素烧损明显减弱。对比超声-MIG焊接接头,脉冲超声-MIG焊接接头最大拉伸强度和延伸率分别增加9.1%和18.2%,而接头硬度测试中,焊缝硬度达到了母材硬度的80%,焊缝区软化现象改善明显。该研究对于将来声调控焊接过程的研究进一步奠定了理论与试验基础。
[Abstract]:The ultrasonic - assisted arc welding is a new method to improve the microstructure and mechanical properties of welded joints . Based on the relationship between the acoustic field characteristics and the geometric parameters of the acoustic emission end , the influence of the radius of curvature R _ 1 , the radius R _ 2 of the center hole and the radius of curvature R on the acoustic radiation force and the restoring force constant are analyzed in detail . In order to overcome the adverse effects of ultrasonic wave on the welding temperature of arc plasma , this paper presents a new welding method . The results show that ultrasonic - MIG welding is a new welding method . In addition to the flat welding position , the ultrasonic - MIG welding is applied to the arc welding process .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG444

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