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超声-TIG电弧物理特性及焊接工艺研究

作　者: 赵国庆
导　师: 杨春利
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 超声-TIG焊 物理特性 焊接工艺 收缩机制
分类号: TG444
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


TIG焊是一种高质量的焊接方法,可以得到优良的焊缝成形,但是单道熔深浅、焊接效率低。超声-TIG焊接方法可以有效弥补普通TIG焊的不足。为进一步发掘此方法的优势,本文针对系统中尚未完善的部分进行了改进,研究了超声-TIG物理特性及焊接工艺,并对超声-TIG电弧收缩机理进行了初步探讨。首先利用有限元软件对复合焊炬进行了优化,分别确定了变幅杆辐射端、冷却机构及工具头形式和尺寸的最佳方案,满足了超声振动系统谐振及焊接的要求。改进后的焊炬系统具备优良的协调性、稳定性、可靠性及实用性。以声压强度为研究对象,测定了不同温度、不同种类传播介质中的辐射声场分布,确定了声场谐振模式。采集了超声-TIG电弧压力、静特性及温度场分布。试验表明超声-TIG电弧压力明显提高,电弧显著收缩,静特性曲线中的电压值皆处于较高水平。同电流下的超声-TIG焊可以实现对焊件更大的热输入,焊后冷却速率有所增加。由于热量的定向传递特点,超声-TIG焊热输入增大并未导致热影响区热输入量的增加,这对于减轻热影响区晶粒长大程度,提高接头性能有着积极的作用。试验研究了超声-TIG复合焊接工艺。采用匹配良好的工艺参数进行了304不锈钢板的对焊试验。结果证明了超声-TIG焊可以在更小的规范下实现单面焊双面优良成形。熔透情况下,超声-TIG焊缝中心出现较大区域的等轴晶、焊缝边缘区柱状晶得到细化、熔宽和熔化面积大大减小、熔合区宽度变窄、δ铁素体相分布更为均匀。力学性能测试显示,超声-TIG焊接接头抗拉强度、塑性皆优于普通TIG焊,超声-TIG焊接接头热影响区比普通TIG焊窄,焊缝组织分布也更为均匀。进行了高速摄像及电弧局部光谱分析,获取了超声-TIG电弧收缩的微观变化信息。初步探讨了超声-TIG电弧的收缩原因,并提出了四种作用机制:电弧力、电弧导电、导热及流体压缩机制,并阐明了其物理本质。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 课题研究的目的和意义  9
  1.2 功率超声对流体的作用  9-12
    1.2.1 超声空化  9-10
    1.2.2 声流效应  10-11
    1.2.3 机械作用和热作用  11
    1.2.4 超声悬浮  11-12
  1.3 功率超声在焊接中的应用  12-15
    1.3.1 超声波焊接  12-14
    1.3.2 超声细化晶粒  14
    1.3.3 超声冲击  14-15
  1.4 课题主要研究内容  15-16
第2章 超声-TIG 复合焊炬系统优化  16-29
  2.1 模态分析力学基础及基本原理  16-17
  2.2 变幅杆模态分析  17-18
  2.3 辐射端形状对振动的影响  18-19
    2.3.1 圆台参数对谐振性能的影响  18
    2.3.2 辐射圆台选择  18-19
  2.4 冷却机构对振动系统的影响分析  19-22
  2.5 工具头与变幅杆声学分析  22-28
    2.5.1 钨极传声式工具头  23-25
    2.5.2 钨极导电式工具头  25-28
  2.6 本章小结  28-29
第3章 超声-TIG 物理特性研究  29-43
  3.1 超声辐射声场测量与分析  29-34
    3.1.1 声场谐振曲线  30-33
    3.1.2 声压径向分布  33-34
  3.2 电弧压力测量与分析  34-38
    3.2.1 发射端高度对电弧压力的影响  35-37
    3.2.2 电弧长度对电弧压力的影响  37
    3.2.3 电流对电弧压力的影响  37-38
  3.3 超声作用下的电弧静特性  38-39
  3.4 焊接工件温度场测定与分析  39-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章 超声-TIG复合焊接工艺研究  43-57
  4.1 工艺参数对深宽比的影响  43-46
    4.1.1 对比试验设计  43-44
    4.1.2 发射端高度对深宽比的影响  44
    4.1.3 电弧长度对深宽比的影响  44-46
  4.2 焊接工艺研究  46-52
    4.2.1 工艺试验设计  46
    4.2.2 焊缝成形  46-48
    4.2.3 微观组织  48-52
  4.3 力学性能测试  52-56
    4.3.1 拉伸试验  52-54
    4.3.2 硬度试验  54-56
  4.4 本章小结  56-57
第5章 超声-TIG 电弧收缩的机理研究  57-65
  5.1 超声-TIG 电弧收缩机制  57-61
    5.1.1 超声辐射力作用模型  57-59
    5.1.2 电弧导电机制  59-60
    5.1.3 导热性能观点  60
    5.1.4 流体压缩模型  60-61
  5.2 超声-TIG 电弧收缩试验验证  61-64
    5.2.1 高速摄像研究  61-62
    5.2.2 电弧局部光谱分析  62-64
  5.3 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接工艺 > 电弧焊
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