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超声—TIG电弧复合焊接方法及电弧行为研究

孙清洁  
【摘要】: 本文以解决常规钨极氩弧(TIG)焊接过程中由于电弧能量不集中引起的焊接效率低为目的,提出了以电弧等离子体作为超声载体的超声-TIG复合焊接方法。常规钨极氩弧(TIG)焊适用于高品质焊接,具有电弧稳定、热源易于控制、成形优良和焊缝内部质量高等优点,但其焊接熔深浅和生产效率低等缺点制约了该方法的发展。而功率超声在焊接领域的应用范围越来越广泛,新发展起来的有超声振动辅助钎焊技术、超声辅助电弧焊方法、超声频脉冲焊接技术等。超声的引入改善了焊接过程,并对焊后晶粒大小有明显的细化作用。鉴于将超声和TIG焊接的相关优点结合起来,提出了超声-TIG复合焊接方法。将超声振动施加到TIG焊接电弧空间,其突出特点是引入的超声振动能对TIG焊电弧产生压缩作用并改善电弧特性,进而大幅度增加焊缝熔深和提高接头的机械性能。本文系统研究了U-TIG焊电弧特性、焊缝成形特点、超声对焊缝微观组织及机械性能的影响、阐明超声对电弧作用机制。 首先在特定使用环境下提出了超声电源总体设计方案,完成了整流滤波电路、逆变电路、驱动电路和匹配电路的设计及计算,实现了超声频交流信号的输出。利用有限元软件对复合焊炬进行了设计及优化,确定了变幅杆辐射端、冷却机构及钨极装夹方式的最佳方案。其次以辐射声压相对强度为研究对象,考察了温度和介质对声场分布的影响,确定了声场谐振模式。实测超声振幅放大倍数与理论计算值接近,验证了变幅杆的优化过程,满足了超声振动系统谐振及焊接的要求。在此基础上搭建了超声-TIG复合焊接系统,焊接试验验证了该系统能满足试验及设计要求。 发现了超声-TIG复合焊接电弧特性及工艺匹配条件。通过对焊接电弧形态的采集,利用电弧长径比分析了其变化规律,发现电弧收缩状态与超声辐射高度、电弧长度存在匹配关系。对复合焊接电弧压力进行测量结果显示,相同工艺参数下复合电弧压力峰值明显高于常规TIG焊电弧,并且不同电弧长度下复合电弧压力峰值受到辐射端高度的影响。随着焊接电流的增加,超声-TIG复合焊电弧压力增量降低。通过电弧静特性分析,超声-TIG复合焊电弧静特性曲线与常规TIG焊相比整体上移,计算得出弧柱区电压降是电弧静特性整体向上平移的主要原因。 研究了超声-TIG复合焊接工艺参数对SUS304奥氏体不锈钢焊缝成形影响规律,为该方法实际应用奠定了基础。发现了只有当超声输入功率大于临界值时,焊接过程才得到明显改善;焊缝深宽比及熔化面积受辐射端高度与电弧长度匹配的共同影响。超声-TIG复合焊接过程焊缝热循环显示,复合焊接增大了焊接热输入,热量呈现出定向传递特点,高温停留时间变短。结合等离子流力对熔池表面作用受力分析,超声的引入改变了原有的受力状态。接头微观组织分析结果显示,超声-TIG焊缝中心区域出现了较多的等轴晶,焊缝微观照片也验证了硬度试验的结论。对成形优良的焊缝进行了机械性能测试结果显示,超声-TIG焊接头抗拉强度和延伸率均好于常规TIG焊;接头硬度显示超声-TIG焊热影响区范围更窄,并且焊缝组织均匀化程度明显好于常规TIG焊;疲劳试验中超声-TIG焊表现出更加明显的优势。 最后通过试验验证及理论计算探讨了超声振动与焊接电弧作用机制。从理想介质状态方程出发,获得了超声场内粒子振动形式,电弧周围介质散热加强和电弧内部质点速度增加使得焊接电弧收缩,并计算了不同条件下的平面声场分布。在高强超声振动作用下,附加了整体向下超声辐射力,常规TIG焊电弧受力发生改变,粒子运动方向向轴线偏移。通过电弧局部光谱分析了电弧微观变化、电弧高速摄像研究了电弧能量分布,进一步证实了超声与焊接电弧之间的作用结果。


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