铝合金超声辅助TIG焊声传播特性与焊缝晶粒细化机制

发布时间：2020-11-21 04:23

　　 在铝合金TIG焊接过程中,超声作用于焊接熔池,熔池凝固后焊缝晶粒细化,气孔减少,接头力学性能提高。然而已有的研究主要侧重于超声改善焊缝组织及提高接头力学性能的效果,对超声细化焊缝晶粒机制及超声减少焊缝气孔缺陷机制的研究较少。超声电弧复合场下铝合金TIG焊缝晶粒细化机制及气孔缺陷减少机制的研究是指导超声电弧复合焊接方法改进的理论基础,具有重要的意义。为此,本论文对超声细化铝合金TIG焊缝晶粒机制进行了基础理论研究,同时初步探索了超声对熔池内气泡行为的影响。试验材料选择在航空航天领域具有较大应用前景的2195铝锂合金。将超声波工具头与固体母材接触,超声通过固体母材传入熔池内部,通过这种超声施加方式研究了超声对铝锂合金TIG焊缝晶粒细化及气孔减少的影响。建立了有限元模型,研究了母材及熔池内声场分布规律,分析了熔池边界固液混合区内超声振动的衰减。将超声对熔池的作用阶段按以下三种方式进行划分:第一,超声仅在熔池凝固之前作用于熔池;第二,超声仅在熔池凝固过程中作用于熔池;第三,超声在熔池凝固之前及熔池凝固过程均作用于熔池。分别研究三种超声作用阶段下铝锂合金TIG焊缝晶粒结构形成规律,揭示超声电弧复合场下铝锂合金TIG焊缝晶粒细化机制,推导出表征超声作用下熔池内晶粒异质形核率大小的表达式。最后在理论上分析了超声对熔池中气泡产生、长大及上浮的作用,为研究超声对焊缝中气孔的影响机制奠定基础。对室温下固体母材中声传播及声场分布进行了数值模拟。研究表明超声在母材中以反对称兰姆波形式向前传播,波阵面为球面。超声在母材内传播稳定后形成稳定的驻波场分布。分析了温度对固体母材中超声传播的影响,揭示了焊接非均匀温度场影响下固体母材中声传播特征。建立了熔池边界固液混合区粘弹性材料模型,分析了超声在固液混合区内传播时的振动衰减。建立了声固耦合模型,揭示了熔池内声压场分布规律及影响因素,研究表明熔池底部声压最大,从熔池底部到熔池表面声压逐渐减小。熔池内声压大小主要与超声输入振幅及熔池尺寸有关。对熔池内声空化规律进行了研究,得到了熔池内可发生声空化的临界超声输入振幅,熔池内声空化强度主要与熔池内声压大小有关。定点焊条件下,在熄弧之前施加超声,熄弧同时关闭超声,通过这种方式实现了超声仅在熔池凝固之前作用于熔池。试验表明超声影响下铝锂合金TIG焊缝晶粒由柱状晶变为等轴晶。1A99纯铝对比试验表明超声对铝锂合金TIG焊熔池中晶粒异质形核具有明显的促进作用,对均质形核无促进作用。分析了熔池凝固前的超声作用对晶粒异质形核的影响,研究表明超声振动增大原子振动频率及幅度,原子之间的碰撞几率增加,此外空化提高熔体凝固温度及改善异质形核点表面润湿性,促进晶粒的异质形核。声流动可以增大熔池流动速度,有助于晶核在熔池内的分散。最后分析了超声仅作用于熔池凝固前时铝锂合金TIG焊缝晶粒结构的形成机制,并进行了试验验证。超声影响下电弧关闭之前熔池内凝固析出大量的异质形核质点Al3Zr,熔池凝固时Al3Zr促进异质形核,异质形核率增大,最后形成等轴晶。定点焊条件下,在熄弧同时施加超声,通过这种方式实现了超声仅在熔池凝固过程中作用于熔池。熔池凝固后铝锂合金TIG焊缝边缘存在一较窄的晶粒破碎区,焊缝内部大部分区域为等轴晶区。利用1A99纯铝研究了超声对晶粒破碎的影响,结果表明熔池内空化强度及熔池凝固速度对晶粒破碎具有较大的影响。研究了焊缝边缘晶粒破碎区及焊缝内部等轴晶区的形成机制,熔池开始凝固时,熔池边缘形成柱状晶,超声打碎柱状晶,形成晶粒破碎区。在焊缝内部超声促进异质形核点Al3Zr的析出,异质形核率增大,形成等轴晶。定点焊条件下,在熔池凝固前及凝固过程均向熔池内施加超声。熔池凝固后焊缝边缘不再存在晶粒破碎区,全部变为等轴晶区。晶粒细化规律同熔池凝固前超声作用下晶粒细化规律一致,表明晶粒细化主要来源于超声促进了熔池内晶粒的异质形核。根据以上分析,提出了超声电弧复合场下铝锂合金TIG焊缝晶粒细化机制,并分析了定点焊和连续焊条件下超声细化焊缝晶粒机制的区别和联系。对表征超声影响下铝合金TIG焊熔池内晶粒异质形核率的表达式进行了推导,异质形核率表达式是熔池内声压及焊接电流的函数。最后在理论上分析了超声对熔池内气泡产生、长大及上浮运动的作用,结果表明超声能够促进气泡的产生、长大及上浮。瞬态空化强度越大,气泡数量越多。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG444.74
【部分图文】：

外凭借着良好的低温性能和卓越的超塑性成型性能，铝锂合金已成为理想的航空、航天结构材料，展现出广阔的应用前景，铝锂合金最常应用于重型运载火箭的燃料贮箱，如图1-1所示。中间筒段前短壳 前底后短壳后底 图1-1 高强铝锂合金燃料贮箱Fig.1-1 Fuel tank composed of high strength aluminium lithium alloy对于大型复杂的构件，很难通过整体成型技术加工完成，必须采取分段连接的形式组成大型复杂的轻量化构件。因此，焊接就成为了不可或缺的关键技术。对高强铝合金大型复杂构件的焊接而言，接头是结构轻量化的制约环节，对结构的整体性能有决定性影响。对于铝锂合金的焊接，通常采用电弧焊、搅拌摩擦焊、钎焊及扩散焊等焊接方法。在电弧焊接方法中，TIG是最常用的熔化焊接方法之一。对于铝锂合金TIG焊过程，常存在以下一些问题：(1) 由于热输入较大，导致焊缝晶粒粗大并且接头力学性能差。(2) 铝锂合金TIG焊缝内极易产生气孔

哈尔滨工业大学工学博士学位论文- 4 -备示意图如图1-2所示。使用此焊接方法对304不锈钢进行焊接，结果表明，与普通TIG焊接头相比，电弧超声激励共熔池双钨极氩弧焊接头拉伸性能明显提高[15]。图 1-2 双电弧焊接系统示意图[15]Fig.1-2 Schematic of twin-arc system[15]江苏大学雷玉成等人解决了超声与交流电弧隔离耦合困难的问题，实现了超声激励电源与交流弧焊电源之间的电隔离和耦合，在交流电弧中激发出了超声[33,34]。应用此技术对 SiCp/6061Al 基复合材料进行焊接，结果表明，电弧超声可使新生 Al3Ti 相明显细化，新生颗粒增强相 AlN 及 TiN 增多且分布更为均匀，晶间偏析富 Si 相也随频率的提高而大幅减少[29,30]。脉冲电流焊接时

图 1-3 超声辅助焊接设备示意图[18]Fig.1-3 Schematic of an ultrasonic assisted weld apparatus[1图 1-4 超声电弧同轴复合式设备示意图tic of experimental equipment with a coaxial compound of 包括两部分，焊接系统以及超声发射系统。焊接系及冷却系统。超声发射系统包括超声电源、换能器
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本文编号：2892518