超声-TIG复合焊炬优化设计及中厚板铝合金工艺研究

摘要

TIG焊是一种常见焊接铝合金的方法，但焊接效率低、容易产生缺陷，如气孔、裂纹等，限制其进一步应用。本文建立了空腔超声-TIG（U-TIG）复合焊接系统，试验结果表明，超声的加入可以增加熔深、提高焊接效率，细化晶粒和改善组织，细化第二相，使第二相析出数量有所增多、更加均匀弥散分布，同时力学性能也有所提高。
　　首先进行了超声换能器和空腔变幅杆的理论设计，运用ANSYS软件对其进行模态分析和优化，设计加工了焊接接电装置、水冷系统和气体保护系统，组装了空腔超声-TIG复合焊炬。与原有复合焊炬相比，空腔复合焊炬操作更加灵活，气体保护效果和水冷效果会更好，可以实现大电流焊接，复合系统更加一体化和实用化。
　　通过初步试验验证，气体保护效果和水冷效果良好，电弧比较稳定。通过打水试验、高速摄像拍摄电弧、焊接试验，确定空腔变幅杆谐振距离H=30为最佳超声工艺参数。堆焊试验结果表明，超声-TIG焊缝熔深提高了50％，深宽比是普通TIG的2倍。薄板对接试验结果表明，超声的加入可以提高焊接效率，使焊缝成形更加美观，细化了晶粒和第二相，第二相数量增多、更加均匀和弥散地分布。力学性能测试结果表明，超声的加入使接头硬度有所增加，热影响区宽度有所减小，抗拉强度平均值提高了8.9%，可以达到母材抗拉强度的69.3%。SEM扫描断口表明，普通TIG断口为脆性断裂，超声-TIG断口为韧脆混合断裂。
　　进行了8mm厚铝合金对接工艺试验研究。在不同焊接电流和送丝速度下，找到了打底焊和盖面焊的最佳工艺参数，超声的加入可以提高焊接效率、节省焊材，使焊接过程更加稳定，焊缝成形更加美观。观察焊缝组织，超声的加入细化晶粒和第二相，第二相数量增多、更加均匀和弥散地分布。超声的加入使接头硬度值有所增加，热影响区宽度有所减小，接头的抗拉强度平均值提高了9.3%，最高抗拉强度值达到母材抗拉强度的60%。SEM扫描断口表明，普通TIG断口为脆性断裂，超声-TIG断口为韧脆断裂。
　　8mm厚铝合金对接试验中发现，普通TIG盖面焊的微观组织和第二相比打底焊要细小，而超声-TIG盖面焊微观组织和第二相与打底焊相差不大，并给予了解释。进行了EDS成分分析，分析和解释了两种方法断裂形式产生的机制。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 功率超声在铝合金中的应用

1.3 功率超声在焊接中的应用

1.4 中厚板铝合金焊接技术

1.5 本课题主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2试验电源及装置

2.3 试验方法

第3章 空腔超声-TIG复合焊炬的设计加工

3.1 空腔超声-TIG复合焊炬的总体设计及特点

3.2 超声换能器的设计

3.3 换能器的有限元分析

3.4 超声空腔变幅杆的设计

3.5 超声振动系统谐振匹配的调试

3.6 空腔超声-TIG复合焊炬的建立

3.7 本章小结

第4章 超声-TIG复合焊工艺特性及试验验证

4.1 气体保护效果和水冷效果简单验证

4.2超声空腔变幅杆谐振距离的确定

4.3 超声效果验证性试验

4.4 本章小结

第5章 8mm厚铝合金超声-TIG复合焊工艺研究

5.1 试验准备

5.2 焊接工艺试验及焊缝成形

5.3 接头形貌与组织分析

5.4 力学性能试验及断口分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢