水冷超声—TIG焊炬设计及熔池中声场分布的数值模拟

摘要

超声-TIG复合焊接方法在改善焊缝组织和性能,提高焊接效率方面有一定的优势。本课题针对现有超声-TIG复合焊炬进行水冷设计,解决该复合系统变幅杆在焊接过程中容易过热,引起电弧和焊接过程不稳定的问题;提高超声-TIG复合焊炬承载较大焊接电流和单道焊接长度的能力,提高焊接效率。同时,本课题将超声振动加入到焊接过程中,采用数值模拟方法来研究焊接熔池中超声场的分布。
　　对现有复合焊炬进行水冷设计。首先利用ANSYS软件对变幅杆冷却的可行性进行分析,确定了变幅杆的冷却形式和设计尺寸,使其满足超声振动系统谐振的要求。试验证明,采用该方式变幅杆冷却效果明显,而且对超声作用影响微弱,声压降低为原有的96％。其次,设计钨极装卡方式,保证钨极调节的灵活性,满足焊接过程中导电、传热的需要。同时设计钨极冷却系统,通过测温试验发现,距钨极夹底部5mm处温度下降1/3,冷却效果明显。
　　对改进的复合焊炬进行验证试验,结果表明变幅杆与钨极冷却效果良好,焊接过程更稳定,可焊接长度明显提高。在160A时,能实现单道连续焊缝稳定焊接3min;180A时,稳定焊接2min;200A时,稳定焊接50s,达到现有设计的承载极限。对比加超声前后不同焊接电流下的焊缝熔深,发现熔深增加程度随电流增大而减弱。
　　最后,利用ANSYS有限元软件,初步探究了声场在熔池中的分布,结果表明:声场通过固液耦合面的反射,主要集中在熔池中,并且在熔池中的整体分布与温度场有关,同时随超声振动发生周期性变化。熔池中的纵波经过透射聚焦后,在底部声场作用最强,并且沿着表面方向不断递减,随超声振动发生周期性变化。

目录

水冷超声-TIG焊炬设计及熔池中声场分布的数值模拟硕

DESIGN OF WATER-COOLED ULTRASONIC-TIG WELDING TORCH AND NUMERICAL SIMULATION OF ACOUSTIC DISTRIBUTION IN MOLTEN POOL

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 功率超声在焊接领域中的应用

1.3超声对熔池冶金行为的影响

1.4 课题主要研究内容

第2章 超声-TIG复合焊炬水冷设计

2.1 变幅杆的实用化设计

2.2 变幅杆尺寸设计

2.3 变幅杆冷却设计的初步验证

2.4 钨极的装夹和冷却

2.5 超声-TIG焊炬设计整体合成

2.6 本章小结

第3章 超声-TIG焊炬水冷设计验证

3.1 超声-TIG复合焊接系统的建立

3.2 变幅杆水冷设计验证

3.3 复合焊炬对大电流承载能力探究

3.4 超声振动促进熔深增加程度的规律

3.5 本章小结

第4章 焊接熔池中声场分布的模拟计算

4.1 计算软件和计算方法

4.2 焊接温度场模拟计算

4.3声场在工件中传播的模拟计算

4.4 声场在熔池中的分布

4.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢