發(fā)布時間：2018-02-26 22:42

  本文關(guān)鍵詞： 超聲輔助電弧 聲場優(yōu)化 電弧等離子體 熔滴過渡 脈沖超聲　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：超聲輔助電弧焊是一種在電弧同軸上方施加超聲頻振動,將超聲能量引入焊接電弧與熔池的新焊接方法,利用超聲效應(yīng)可實現(xiàn)改善接頭組織及力學(xué)性能的目的。在焊接過程中,在換能器發(fā)射端與被焊接工件之間的區(qū)域形成聲場,其相應(yīng)能量作用于電弧、熔滴和熔池。通過試驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn),施加超聲后電弧明顯壓縮,熔滴過渡頻率增加,焊接飛濺減弱,超聲輔助熔化極電弧焊已被證明是一種很好的促進熔滴過渡的方法。對接頭而言,超聲作用使晶粒組織細(xì)化,焊縫氣孔率降低,不同材料力學(xué)性能都有不同程度改善。這些研究均顯示出超聲輔助電弧焊良好的應(yīng)用前景。本文主要針對超聲輔助電弧聲場能力不足,超聲與電弧等離子體之間相互作用機制以及超聲對熔滴作用特性不夠明確等問題開展研究。這些研究都是圍繞超聲展開,屬于制約該焊接方法進一步發(fā)展的若干關(guān)鍵問題。本文開展的研究不但有助于揭示超聲、電弧等離子體以及相互交叉領(lǐng)域內(nèi)的物理問題,也對該焊接方法實現(xiàn)更好的應(yīng)用有重要意義。針對超聲輔助電弧聲發(fā)射裝置建立了聲場優(yōu)化設(shè)計理論模型,引入速度勢φ,通過各參量無量綱化處理推導(dǎo)了可描述整個聲場的無量綱邊界積分方程,獲得了速度勢與發(fā)射端幾何參數(shù)直接關(guān)聯(lián)形式,利用該模型可以描述.聲場特性與聲場幾何參數(shù)之間的相關(guān)規(guī)律。在聲場評價過程中,分別計算了無量綱聲輻射功率(?),無量綱聲壓(?),無量綱時間平均勢(?),無量綱的聲輻射力(?)和回復(fù)力常數(shù)(?),并結(jié)合常溫苯乙烯小球聲懸浮實驗對計算結(jié)果進行了驗證。根據(jù)聲場特性與聲發(fā)射端幾何參數(shù)的關(guān)系,詳細(xì)分析了超聲輔助電弧聲發(fā)射端的端面半徑R_1、中心通孔半徑R_2和曲率半徑R對聲輻射力和回復(fù)力常數(shù)的影響。對比研究了球冠面、旋轉(zhuǎn)拋物面和旋轉(zhuǎn)雙曲面三種聲發(fā)射端形狀,在聲發(fā)射端深度D變化時,軸向和徑向最大聲輻射力的變化情況。在第一諧振模式下,小的中心通孔,大的聲發(fā)射端面以及合適的曲率可以顯著提高聲輻射能力。結(jié)合電弧聲拘束相關(guān)理論對上述模型進行了試驗驗證,計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。針對超聲輔助電弧,研究了超聲與電弧之間作用特性,在小電流TIG焊接試驗中首次觀察到一種上下抖動的脈動電弧。電弧形態(tài)隨超聲激勵電流和發(fā)射端高度變化而變化,在諧振點附近,即在超聲激勵電流為150mA,發(fā)射端高度為14 mm時,電弧壓縮最明顯,挺直度最強,電弧中心高亮區(qū)域面積最大,在試驗范圍內(nèi)抖動頻率獲得最大值(522 Hz)。對于粒子分析結(jié)果顯示出等離子體粒子振蕩頻率與等離子體密度之間存在一定關(guān)系,而聲壓變化依賴于電子溫度與密度的變化。通過電弧光譜試驗對比研究了施加超聲前后電弧電子溫度與密度變化,受超聲壓縮作用,越靠近電弧邊緣,A1譜線強度增加越明顯。對電弧內(nèi)部聲傳播特征Helmholtz方程進行了推導(dǎo),完整描述了聲波在電弧空間的產(chǎn)生與傳播過程,利用有限元法對不同電弧電壓電弧等離子體內(nèi)部聲傳播過程進行計算,顯示出模態(tài)頻率隨電壓增加而增加,電弧內(nèi)聲壓分布結(jié)果為熔滴進一步分析提供了理論基礎(chǔ)。借助高速攝像機對熔滴過渡數(shù)據(jù)進行采集,分析了超聲對熔滴的作用特性,研究對象包括熔滴過渡過程中熔滴的位移、加速度、體積及所受合外力。由不同焊接電流時熔滴受力結(jié)果可判定熔滴過渡過程中受到一個超聲附加力作用,而針對單個熔滴變加速運動分析結(jié)果顯示出該附加力符合超聲輻射力的特點。除平焊位置外,超聲-MIG焊接也被應(yīng)用于其它位置焊接,對比同位置普通MIG焊接,電弧穩(wěn)定性方面均顯著增強,其中在立向上焊接過程中,熔滴顆粒更加均勻,過渡的軌跡更加平穩(wěn)。結(jié)合超聲對電弧與熔滴作用研究基礎(chǔ),為了克服大規(guī)范焊接溫度的不利影響,特提出將脈沖超聲引入電弧焊接過程。脈沖超聲輔助電弧焊更是一種全新的焊接方法,通過7A52鋁合金焊接試驗,探索研究了連續(xù)超聲與脈沖超聲輔助MIG焊接過程中電弧與熔滴過渡,以及接頭組織與性能等多方面的差異性。由試驗結(jié)果可以看出,施加脈沖超聲,電弧壓縮程度進一步增強,熔滴過渡頻率更大,焊縫區(qū)面積增加,晶粒細(xì)化更明顯,焊縫Zn元素?zé)龘p明顯減弱。對比超聲-MIG焊接接頭,脈沖超聲-MIG焊接接頭最大拉伸強度和延伸率分別增加9.1%和18.2%,而接頭硬度測試中,焊縫硬度達到了母材硬度的80%,焊縫區(qū)軟化現(xiàn)象改善明顯。該研究對于將來聲調(diào)控焊接過程的研究進一步奠定了理論與試驗基礎(chǔ)。
[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 .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG444

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本文編號：1539997