在鋁合金TIG焊接過程中,超聲作用于焊接熔池,熔池凝固后焊縫晶粒細化,氣孔減少,接頭力學性能提高。然而已有的研究主要側(cè)重于超聲改善焊縫組織及提高接頭力學性能的效果,對超聲細化焊縫晶粒機制及超聲減少焊縫氣孔缺陷機制的研究較少。超聲電弧復合場下鋁合金TIG焊縫晶粒細化機制及氣孔缺陷減少機制的研究是指導超聲電弧復合焊接方法改進的理論基礎(chǔ),具有重要的意義。為此,本論文對超聲細化鋁合金TIG焊縫晶粒機制進行了基礎(chǔ)理論研究,同時初步探索了超聲對熔池內(nèi)氣泡行為的影響。試驗材料選擇在航空航天領(lǐng)域具有較大應用前景的2195鋁鋰合金。將超聲波工具頭與固體母材接觸,超聲通過固體母材傳入熔池內(nèi)部,通過這種超聲施加方式研究了超聲對鋁鋰合金TIG焊縫晶粒細化及氣孔減少的影響。建立了有限元模型,研究了母材及熔池內(nèi)聲場分布規(guī)律,分析了熔池邊界固液混合區(qū)內(nèi)超聲振動的衰減。將超聲對熔池的作用階段按以下三種方式進行劃分:第一,超聲僅在熔池凝固之前作用于熔池;第二,超聲僅在熔池凝固過程中作用于熔池;第三,超聲在熔池凝固之前及熔池凝固過程均作用于熔池。分別研究三種超聲作用階段下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒結(jié)構(gòu)形成規(guī)律,揭示超聲電弧復合場下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒細化機制,推導出表征超聲作用下熔池內(nèi)晶粒異質(zhì)形核率大小的表達式。最后在理論上分析了超聲對熔池中氣泡產(chǎn)生、長大及上浮的作用,為研究超聲對焊縫中氣孔的影響機制奠定基礎(chǔ)。對室溫下固體母材中聲傳播及聲場分布進行了數(shù)值模擬。研究表明超聲在母材中以反對稱蘭姆波形式向前傳播,波陣面為球面。超聲在母材內(nèi)傳播穩(wěn)定后形成穩(wěn)定的駐波場分布。分析了溫度對固體母材中超聲傳播的影響,揭示了焊接非均勻溫度場影響下固體母材中聲傳播特征。建立了熔池邊界固液混合區(qū)粘彈性材料模型,分析了超聲在固液混合區(qū)內(nèi)傳播時的振動衰減。建立了聲固耦合模型,揭示了熔池內(nèi)聲壓場分布規(guī)律及影響因素,研究表明熔池底部聲壓最大,從熔池底部到熔池表面聲壓逐漸減小。熔池內(nèi)聲壓大小主要與超聲輸入振幅及熔池尺寸有關(guān)。對熔池內(nèi)聲空化規(guī)律進行了研究,得到了熔池內(nèi)可發(fā)生聲空化的臨界超聲輸入振幅,熔池內(nèi)聲空化強度主要與熔池內(nèi)聲壓大小有關(guān)。定點焊條件下,在熄弧之前施加超聲,熄弧同時關(guān)閉超聲,通過這種方式實現(xiàn)了超聲僅在熔池凝固之前作用于熔池。試驗表明超聲影響下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒由柱狀晶變?yōu)榈容S晶。1A99純鋁對比試驗表明超聲對鋁鋰合金TIG焊熔池中晶粒異質(zhì)形核具有明顯的促進作用,對均質(zhì)形核無促進作用。分析了熔池凝固前的超聲作用對晶粒異質(zhì)形核的影響,研究表明超聲振動增大原子振動頻率及幅度,原子之間的碰撞幾率增加,此外空化提高熔體凝固溫度及改善異質(zhì)形核點表面潤濕性,促進晶粒的異質(zhì)形核。聲流動可以增大熔池流動速度,有助于晶核在熔池內(nèi)的分散。最后分析了超聲僅作用于熔池凝固前時鋁鋰合金TIG焊縫晶粒結(jié)構(gòu)的形成機制,并進行了試驗驗證。超聲影響下電弧關(guān)閉之前熔池內(nèi)凝固析出大量的異質(zhì)形核質(zhì)點Al3Zr,熔池凝固時Al3Zr促進異質(zhì)形核,異質(zhì)形核率增大,最后形成等軸晶。定點焊條件下,在熄弧同時施加超聲,通過這種方式實現(xiàn)了超聲僅在熔池凝固過程中作用于熔池。熔池凝固后鋁鋰合金TIG焊縫邊緣存在一較窄的晶粒破碎區(qū),焊縫內(nèi)部大部分區(qū)域為等軸晶區(qū)。利用1A99純鋁研究了超聲對晶粒破碎的影響,結(jié)果表明熔池內(nèi)空化強度及熔池凝固速度對晶粒破碎具有較大的影響。研究了焊縫邊緣晶粒破碎區(qū)及焊縫內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機制,熔池開始凝固時,熔池邊緣形成柱狀晶,超聲打碎柱狀晶,形成晶粒破碎區(qū)。在焊縫內(nèi)部超聲促進異質(zhì)形核點Al3Zr的析出,異質(zhì)形核率增大,形成等軸晶。定點焊條件下,在熔池凝固前及凝固過程均向熔池內(nèi)施加超聲。熔池凝固后焊縫邊緣不再存在晶粒破碎區(qū),全部變?yōu)榈容S晶區(qū)。晶粒細化規(guī)律同熔池凝固前超聲作用下晶粒細化規(guī)律一致,表明晶粒細化主要來源于超聲促進了熔池內(nèi)晶粒的異質(zhì)形核。根據(jù)以上分析,提出了超聲電弧復合場下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒細化機制,并分析了定點焊和連續(xù)焊條件下超聲細化焊縫晶粒機制的區(qū)別和聯(lián)系。對表征超聲影響下鋁合金TIG焊熔池內(nèi)晶粒異質(zhì)形核率的表達式進行了推導,異質(zhì)形核率表達式是熔池內(nèi)聲壓及焊接電流的函數(shù)。最后在理論上分析了超聲對熔池內(nèi)氣泡產(chǎn)生、長大及上浮運動的作用,結(jié)果表明超聲能夠促進氣泡的產(chǎn)生、長大及上浮。瞬態(tài)空化強度越大,氣泡數(shù)量越多。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG444.74
【部分圖文】：

外憑借著良好的低溫性能和卓越的超塑性成型性能，鋁鋰合金已成為理想的航空、航天結(jié)構(gòu)材料，展現(xiàn)出廣闊的應用前景，鋁鋰合金最常應用于重型運載火箭的燃料貯箱，如圖1-1所示。中間筒段前短殼 前底后短殼后底 圖1-1 高強鋁鋰合金燃料貯箱Fig.1-1 Fuel tank composed of high strength aluminium lithium alloy對于大型復雜的構(gòu)件，很難通過整體成型技術(shù)加工完成，必須采取分段連接的形式組成大型復雜的輕量化構(gòu)件。因此，焊接就成為了不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。對高強鋁合金大型復雜構(gòu)件的焊接而言，接頭是結(jié)構(gòu)輕量化的制約環(huán)節(jié)，對結(jié)構(gòu)的整體性能有決定性影響。對于鋁鋰合金的焊接，通常采用電弧焊、攪拌摩擦焊、釬焊及擴散焊等焊接方法。在電弧焊接方法中，TIG是最常用的熔化焊接方法之一。對于鋁鋰合金TIG焊過程，常存在以下一些問題：(1) 由于熱輸入較大，導致焊縫晶粒粗大并且接頭力學性能差。(2) 鋁鋰合金TIG焊縫內(nèi)極易產(chǎn)生氣孔

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文- 4 -備示意圖如圖1-2所示。使用此焊接方法對304不銹鋼進行焊接，結(jié)果表明，與普通TIG焊接頭相比，電弧超聲激勵共熔池雙鎢極氬弧焊接頭拉伸性能明顯提高[15]。圖 1-2 雙電弧焊接系統(tǒng)示意圖[15]Fig.1-2 Schematic of twin-arc system[15]江蘇大學雷玉成等人解決了超聲與交流電弧隔離耦合困難的問題，實現(xiàn)了超聲激勵電源與交流弧焊電源之間的電隔離和耦合，在交流電弧中激發(fā)出了超聲[33,34]。應用此技術(shù)對 SiCp/6061Al 基復合材料進行焊接，結(jié)果表明，電弧超聲可使新生 Al3Ti 相明顯細化，新生顆粒增強相 AlN 及 TiN 增多且分布更為均勻，晶間偏析富 Si 相也隨頻率的提高而大幅減少[29,30]。脈沖電流焊接時

圖 1-3 超聲輔助焊接設(shè)備示意圖[18]Fig.1-3 Schematic of an ultrasonic assisted weld apparatus[1圖 1-4 超聲電弧同軸復合式設(shè)備示意圖tic of experimental equipment with a coaxial compound of 包括兩部分，焊接系統(tǒng)以及超聲發(fā)射系統(tǒng)。焊接系及冷卻系統(tǒng)。超聲發(fā)射系統(tǒng)包括超聲電源、換能器
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本文編號：2892518