超声-TIG电弧复合焊接方法及电弧行为研究

摘要

本文以解决常规钨极氩弧(TIG)焊接过程中由于电弧能量不集中引起的焊接效率低为目的，提出了以电弧等离子体作为超声载体的超声-TIG复合焊接方法。常规钨极氩弧(TIG)焊适用于高品质焊接，具有电弧稳定、热源易于控制、成形优良和焊缝内部质量高等优点，但其焊接熔深浅和生产效率低等缺点制约了该方法的发展。而功率超声在焊接领域的应用范围越来越广泛，新发展起来的有超声振动辅助钎焊技术、超声辅助电弧焊方法、超声频脉冲焊接技术等。超声的引入改善了焊接过程，并对焊后晶粒大小有明显的细化作用。鉴于将超声和TIG焊接的相关优点结合起来，提出了超声-TIG复合焊接方法。将超声振动施加到TIG焊接电弧空间，其突出特点是引入的超声振动能对TIG焊电弧产生压缩作用并改善电弧特性，进而大幅度增加焊缝熔深和提高接头的机械性能。
　　本文系统研究了U-TIG焊电弧特性、焊缝成形特点、超声对焊缝微观组织及机械性能的影响、阐明超声对电弧作用机制。
　　首先在特定使用环境下提出了超声电源总体设计方案，完成了整流滤波电路、逆变电路、驱动电路和匹配电路的设计及计算，实现了超声频交流信号的输出。利用有限元软件对复合焊炬进行了设计及优化，确定了变幅杆辐射端、冷却机构及钨极装夹方式的最佳方案。其次以辐射声压相对强度为研究对象，考察了温度和介质对声场分布的影响，确定了声场谐振模式。实测超声振幅放大倍数与理论计算值接近，验证了变幅杆的优化过程，满足了超声振动系统谐振及焊接的要求。在此基础上搭建了超声-TIG复合焊接系统，焊接试验验证了该系统能满足试验及设计要求。
　　发现了超声-TIG复合焊接电弧特性及工艺匹配条件。通过对焊接电弧形态的采集，利用电弧长径比分析了其变化规律，发现电弧收缩状态与超声辐射高度、电弧长度存在匹配关系。对复合焊接电弧压力进行测量结果显示，相同工艺参数下复合电弧压力峰值明显高于常规TIG焊电弧，并且不同电弧长度下复合电弧压力峰值受到辐射端高度的影响。随着焊接电流的增加，超声-TIG复合焊电弧压力增量降低。通过电弧静特性分析，超声-TIG复合焊电弧静特性曲线与常规TIG焊相比整体上移，计算得出弧柱区电压降是电弧静特性整体向上平移的主要原因。
　　研究了超声-TIG复合焊接工艺参数对SUS304奥氏体不锈钢焊缝成形影响规律，为该方法实际应用奠定了基础。发现了只有当超声输入功率大于临界值时，焊接过程才得到明显改善；焊缝深宽比及熔化面积受辐射端高度与电弧长度匹配的共同影响。超声-TIG复合焊接过程焊缝热循环显示，复合焊接增大了焊接热输入，热量呈现出定向传递特点，高温停留时间变短。结合等离子流力对熔池表面作用受力分析，超声的引入改变了原有的受力状态。接头微观组织分析结果显示，超声-TIG焊缝中心区域出现了较多的等轴晶，焊缝微观照片也验证了硬度试验的结论。对成形优良的焊缝进行了机械性能测试结果显示，超声-TIG焊接头抗拉强度和延伸率均好于常规 TIG焊；接头硬度显示超声-TIG焊热影响区范围更窄，并且焊缝组织均匀化程度明显好于常规TIG焊；疲劳试验中超声-TIG焊表现出更加明显的优势。
　　最后通过试验验证及理论计算探讨了超声振动与焊接电弧作用机制。从理想介质状态方程出发，获得了超声场内粒子振动形式，电弧周围介质散热加强和电弧内部质点速度增加使得焊接电弧收缩，并计算了不同条件下的平面声场分布。在高强超声振动作用下，附加了整体向下超声辐射力，常规TIG焊电弧受力发生改变，粒子运动方向向轴线偏移。通过电弧局部光谱分析了电弧微观变化、电弧高速摄像研究了电弧能量分布，进一步证实了超声与焊接电弧之间的作用结果。

目录

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 超声与介质的作用

1.2.1 超声空化作用

1.2.2 超声声流效应

1.2.3 机械与热作用

1.2.4 超声悬浮方法

1.3 功率超声在加工领域中的应用

1.3.1 功率超声在金属凝固领域中的应用现状

1.3.2 功率超声在机械加工领域中的应用现状

1.4 功率超声在焊接领域的应用

1.4.1 超声波焊接的研究现状

1.4.2 超声波钎焊的研究现状

1.4.3 超声波冲击的研究现状

1.4.4 功率超声辅助焊接研究现状

1.4.5 高频脉冲焊接研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 U-TIG复合焊接系统的构建

2.1 U-TIG焊接基本思想及原理

2.2 功率超声电源设计

2.2.1 超声电源总体实现方案

2.2.2 超声电源主电路结构

2.2.3 超声电源驱动电路结构

2.3 超声负载匹配计算

2.3.1 谐振匹配计算

2.3.2 阻抗匹配计算

2.4U-TIG复合 焊炬设计及优化

2.4.1 超声振动有限元模型的建立

2.4.2 辐射端结构对超声振动的影响

2.4.3 冷却机构对超声振动的影响

2.4.4 钨极装夹方式对超声振动的影响

2.4.5 复合 焊炬保护气结构设计

2.5 超声辐射声场分布测量

2.5.1 辐射声场测量方法

2.5.2 声压轴向分布

2.5.3 声压分布影响因素

2.5.4 声压径向分布

2.6 超声TIG复合 焊接系统调试

2.7 本章小结

第3章 U-TIG复合焊电弧物理特性测量与分析

3.1 复合电弧形态分析

3.1.1 电弧形态采集系统

3.1.2 辐射端高度对电弧形态的影响

3.1.3 超声振动对电弧形态的影响

3.2 复合电弧压力特性分析

3.2.1 电弧压力测量方法

3.2.2 辐射端高度对电弧压力的影响

3.2.3 焊接电流对电弧压力的影响

3.2.4 喷嘴高度对电弧压力的影响

3.3 复合电弧静特性分析

3.3.1 电弧静特性测量方法

3.3.2 辐射端高度对电弧静特性的影响

3.3.3 超声振动对电弧各区压降影响

3 .4 本章小结

第4章 U-TIG复合焊接上锈钢工艺试验研究

4.1 焊接试验材料及方法

4.2 超声参数对焊缝成形的影响

4.2.1 超声功率对成形的影响

4.2.2 辐射端高度对成形的影响

4.2.3 电弧长度对成形的影响

4.3 焊接工艺参数对焊缝成形的影响

4.3.1 焊接电流对成形的影响

4.3.2 焊接速度对成形的影响

4.3.3 保护气流量对成形的影响

4.4 不锈钢焊缝成形研究

4.4.1 焊缝成形试验设计

4.4.2 不锈钢焊缝成形分析

4.5 焊缝热循环曲线分析

4.5.1 焊接热循环测量方法

4.5.2 超声振动对热循环的影响

4.6 焊接熔化特点分析

4.6.1 等离子流力作用模型

4.6.2 熔化特点分析

4.7 本章小结

第5章 U-TIG焊接接头组织性能分析

5.1 焊接接头组织分析

5.1.1 304不锈钢焊缝中心组织形态

5.1.2 304不锈钢焊缝熔合区组织形态

5.1.3 超声振动对焊缝局部组织的影响

5.2 接头机械性能分析

5.2.1 焊缝拉伸试验

5.2.2 拉伸断口分析

5.2.3 焊缝硬度试验

5.3 接头疲劳强度对比分析

5.3.1 试验焊接件准备

5.3.2 疲劳试验结果

5.3.3 疲劳试验结果分析

5.4 本章小结

第6章 超声振动与焊接电弧作用机制

6.1 电弧空间内的超声振动

6.1.1 理想介质中的超声传播

6.1.2 超声场内粒子振动

6.1.3 超声振动对电弧能量传递的影响

6.1.4 超声振动对导热系数的影响

6.1.5 介质对超声振动的热吸收

6.2 超声声场空间分布计算

6.2.1 声场计算模型参数的确定

6.2.2 声场计算结果及分析

6.3 焊接电弧受力分析

6.3.1 常规TIG焊接电弧受力分析

6.3.2 超声辐射力

6.3.3 U-TIG焊接电弧受力分析

6.3.4 单一辐射声场内电弧形态

6.4 U-TIG电弧收缩试验验证

6.4.1 焊接电弧高速摄像研究

6.4.2 电弧局部光谱分析

6.4.3 电弧收缩数据分析

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历