2219铝合金超声-TIG复合焊中超声频率的影响

摘要

目前铝合金焊接应用最广泛的方法是交流TIG焊接。交流TIG焊能实现高品质焊接、得到优良焊缝、焊接精度高;但是单道熔深浅,焊接效率低。超声-TIG复合焊使得电弧收缩、能量更集中,焊缝的熔深增加明显。超声频率的改变对于超声的空化作用、声流效应、热及机械作用都有直接影响。研究表明,超声频率对于熔体中气孔、焊缝微观组织、焊缝的力学性能等都有重要影响。频率作为超声的重要参数,研究其在超声-TIG复合焊时的影响具有重要意义。
　　利用COMSOL Multiphysics模拟软件,建立超声-TIG复合焊的声场模型、优化超声变幅杆,最终凹面变幅杆的曲率半径选择21mm。凹面变幅杆与平面变幅杆比较具有电弧稳定性好、声场强度高的优点。与平面变幅杆对比,凹面变幅杆电弧压缩更好、焊缝的熔合区宽度减小,焊缝中心的晶粒组织细化;从抗拉强度分析凹面变幅杆的抗拉强度提高了9.3MPa,两者共同说明凹面变幅杆比平面变幅杆超声作用效果好,在试验中验证了模拟的结果。
　　通过平板堆焊试验,根据焊接成形、宏观形貌、测量焊缝的深宽比,最终确定超声频率28kHz和40kHz时最佳的辐射端高度为21mm和18mm。对比不同频率下超声的影响,试验结果表明超声的施加对于热影响区的回复软化、熔合区尺寸减小成分均匀化、焊缝中心组织细化作用效果明显;使得第二相在熔合区的分布均匀,形态窄小;使得焊缝中间第二相分布均匀,尺寸小且弥散,并且当超声频率为28kHz时效果最好。超声的施加明显提高了接头的拉伸性能,28kHz的抗拉强度最高为274.9MPa,相比于普通TIG提高了12.85％。
　　初步分析超声频率对超声-TIG复合焊的作用机制。建立声场模型,分析声压幅值及声辐射力在轴向呈周期性分布;随频率增加,周期减小、大小增加。超声在传播过程中随频率的增加衰减增加。用高速摄像拍摄不同超声频率下的电弧,图像处理后测量得到电弧的长径比。相比于TIG焊,超声频率为28kHz时,面积压缩率为18.36%,压缩效果最好。根据Rayleigh-Plesset方程描述空化泡的运动规律,超声频率越接近空化泡的谐振频率,能量耦合越好,空化释放的能量越大;频率越高,空化发生越困难,在焊接快速凝固的短时间内来不及长大、崩溃。声流效应主要与超声频率及振幅成正比。

目录

2219铝合金超声-TIG复合焊中超声频率的影响

THE EFFECT OF ULTRASONIC FREQUENCY IN ULTRASONIC ASSISTED TIG WELDING FOR 2219 ALUMINUM ALLOY

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 超声在铝合金熔体凝固过程中的应用

1.3 超声频率的影响

1.4 超声复合焊接的发展现状

1.5 课题的主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验分析测试方法

第3章 超声变幅杆的优化及验证

3.1 凹面变幅杆的优化

3.2 优化的凹面变幅杆作用效果验证

3.3 本章小结

第4章 超声频率对超声-TIG焊焊缝组织及性能的影响

4.1 焊接工艺确定

4.2 超声频率对宏观形貌的影响

4.3 超声频率对焊缝微观组织的影响

4.4 超声频率对第二相的影响

4.5 超声频率对焊接缺陷的影响

4.6 超声频率对接头力学性能的影响

4.7 本章小结

第5章 超声频率对超声-TIG焊作用机理的初步研究

5.1空间声场分布

5.2 超声频率对电弧的影响

5.3 超声对熔池作用机理研究

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢