在鋁合金TIG焊接過程中,超聲作用于焊接熔池,熔池凝固后焊縫晶粒細(xì)化,氣孔減少,接頭力學(xué)性能提高。然而已有的研究主要側(cè)重于超聲改善焊縫組織及提高接頭力學(xué)性能的效果,對(duì)超聲細(xì)化焊縫晶粒機(jī)制及超聲減少焊縫氣孔缺陷機(jī)制的研究較少。超聲電弧復(fù)合場(chǎng)下鋁合金TIG焊縫晶粒細(xì)化機(jī)制及氣孔缺陷減少機(jī)制的研究是指導(dǎo)超聲電弧復(fù)合焊接方法改進(jìn)的理論基礎(chǔ),具有重要的意義。為此,本論文對(duì)超聲細(xì)化鋁合金TIG焊縫晶粒機(jī)制進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究,同時(shí)初步探索了超聲對(duì)熔池內(nèi)氣泡行為的影響。試驗(yàn)材料選擇在航空航天領(lǐng)域具有較大應(yīng)用前景的2195鋁鋰合金。將超聲波工具頭與固體母材接觸,超聲通過固體母材傳入熔池內(nèi)部,通過這種超聲施加方式研究了超聲對(duì)鋁鋰合金TIG焊縫晶粒細(xì)化及氣孔減少的影響。建立了有限元模型,研究了母材及熔池內(nèi)聲場(chǎng)分布規(guī)律,分析了熔池邊界固液混合區(qū)內(nèi)超聲振動(dòng)的衰減。將超聲對(duì)熔池的作用階段按以下三種方式進(jìn)行劃分:第一,超聲僅在熔池凝固之前作用于熔池;第二,超聲僅在熔池凝固過程中作用于熔池;第三,超聲在熔池凝固之前及熔池凝固過程均作用于熔池。分別研究三種超聲作用階段下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒結(jié)構(gòu)形成規(guī)律,揭示超聲電弧復(fù)合場(chǎng)下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒細(xì)化機(jī)制,推導(dǎo)出表征超聲作用下熔池內(nèi)晶粒異質(zhì)形核率大小的表達(dá)式。最后在理論上分析了超聲對(duì)熔池中氣泡產(chǎn)生、長(zhǎng)大及上浮的作用,為研究超聲對(duì)焊縫中氣孔的影響機(jī)制奠定基礎(chǔ)。對(duì)室溫下固體母材中聲傳播及聲場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明超聲在母材中以反對(duì)稱蘭姆波形式向前傳播,波陣面為球面。超聲在母材內(nèi)傳播穩(wěn)定后形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng)分布。分析了溫度對(duì)固體母材中超聲傳播的影響,揭示了焊接非均勻溫度場(chǎng)影響下固體母材中聲傳播特征。建立了熔池邊界固液混合區(qū)粘彈性材料模型,分析了超聲在固液混合區(qū)內(nèi)傳播時(shí)的振動(dòng)衰減。建立了聲固耦合模型,揭示了熔池內(nèi)聲壓場(chǎng)分布規(guī)律及影響因素,研究表明熔池底部聲壓最大,從熔池底部到熔池表面聲壓逐漸減小。熔池內(nèi)聲壓大小主要與超聲輸入振幅及熔池尺寸有關(guān)。對(duì)熔池內(nèi)聲空化規(guī)律進(jìn)行了研究,得到了熔池內(nèi)可發(fā)生聲空化的臨界超聲輸入振幅,熔池內(nèi)聲空化強(qiáng)度主要與熔池內(nèi)聲壓大小有關(guān)。定點(diǎn)焊條件下,在熄弧之前施加超聲,熄弧同時(shí)關(guān)閉超聲,通過這種方式實(shí)現(xiàn)了超聲僅在熔池凝固之前作用于熔池。試驗(yàn)表明超聲影響下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒由柱狀晶變?yōu)榈容S晶。1A99純鋁對(duì)比試驗(yàn)表明超聲對(duì)鋁鋰合金TIG焊熔池中晶粒異質(zhì)形核具有明顯的促進(jìn)作用,對(duì)均質(zhì)形核無促進(jìn)作用。分析了熔池凝固前的超聲作用對(duì)晶粒異質(zhì)形核的影響,研究表明超聲振動(dòng)增大原子振動(dòng)頻率及幅度,原子之間的碰撞幾率增加,此外空化提高熔體凝固溫度及改善異質(zhì)形核點(diǎn)表面潤(rùn)濕性,促進(jìn)晶粒的異質(zhì)形核。聲流動(dòng)可以增大熔池流動(dòng)速度,有助于晶核在熔池內(nèi)的分散。最后分析了超聲僅作用于熔池凝固前時(shí)鋁鋰合金TIG焊縫晶粒結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。超聲影響下電弧關(guān)閉之前熔池內(nèi)凝固析出大量的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)Al3Zr,熔池凝固時(shí)Al3Zr促進(jìn)異質(zhì)形核,異質(zhì)形核率增大,最后形成等軸晶。定點(diǎn)焊條件下,在熄弧同時(shí)施加超聲,通過這種方式實(shí)現(xiàn)了超聲僅在熔池凝固過程中作用于熔池。熔池凝固后鋁鋰合金TIG焊縫邊緣存在一較窄的晶粒破碎區(qū),焊縫內(nèi)部大部分區(qū)域?yàn)榈容S晶區(qū)。利用1A99純鋁研究了超聲對(duì)晶粒破碎的影響,結(jié)果表明熔池內(nèi)空化強(qiáng)度及熔池凝固速度對(duì)晶粒破碎具有較大的影響。研究了焊縫邊緣晶粒破碎區(qū)及焊縫內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)制,熔池開始凝固時(shí),熔池邊緣形成柱狀晶,超聲打碎柱狀晶,形成晶粒破碎區(qū)。在焊縫內(nèi)部超聲促進(jìn)異質(zhì)形核點(diǎn)Al3Zr的析出,異質(zhì)形核率增大,形成等軸晶。定點(diǎn)焊條件下,在熔池凝固前及凝固過程均向熔池內(nèi)施加超聲。熔池凝固后焊縫邊緣不再存在晶粒破碎區(qū),全部變?yōu)榈容S晶區(qū)。晶粒細(xì)化規(guī)律同熔池凝固前超聲作用下晶粒細(xì)化規(guī)律一致,表明晶粒細(xì)化主要來源于超聲促進(jìn)了熔池內(nèi)晶粒的異質(zhì)形核。根據(jù)以上分析,提出了超聲電弧復(fù)合場(chǎng)下鋁鋰合金TIG焊縫晶粒細(xì)化機(jī)制,并分析了定點(diǎn)焊和連續(xù)焊條件下超聲細(xì)化焊縫晶粒機(jī)制的區(qū)別和聯(lián)系。對(duì)表征超聲影響下鋁合金TIG焊熔池內(nèi)晶粒異質(zhì)形核率的表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo),異質(zhì)形核率表達(dá)式是熔池內(nèi)聲壓及焊接電流的函數(shù)。最后在理論上分析了超聲對(duì)熔池內(nèi)氣泡產(chǎn)生、長(zhǎng)大及上浮運(yùn)動(dòng)的作用,結(jié)果表明超聲能夠促進(jìn)氣泡的產(chǎn)生、長(zhǎng)大及上浮。瞬態(tài)空化強(qiáng)度越大,氣泡數(shù)量越多。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG444.74
【部分圖文】：

外憑借著良好的低溫性能和卓越的超塑性成型性能，鋁鋰合金已成為理想的航空、航天結(jié)構(gòu)材料，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，鋁鋰合金最常應(yīng)用于重型運(yùn)載火箭的燃料貯箱，如圖1-1所示。中間筒段前短殼 前底后短殼后底 圖1-1 高強(qiáng)鋁鋰合金燃料貯箱Fig.1-1 Fuel tank composed of high strength aluminium lithium alloy對(duì)于大型復(fù)雜的構(gòu)件，很難通過整體成型技術(shù)加工完成，必須采取分段連接的形式組成大型復(fù)雜的輕量化構(gòu)件。因此，焊接就成為了不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)高強(qiáng)鋁合金大型復(fù)雜構(gòu)件的焊接而言，接頭是結(jié)構(gòu)輕量化的制約環(huán)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能有決定性影響。對(duì)于鋁鋰合金的焊接，通常采用電弧焊、攪拌摩擦焊、釬焊及擴(kuò)散焊等焊接方法。在電弧焊接方法中，TIG是最常用的熔化焊接方法之一。對(duì)于鋁鋰合金TIG焊過程，常存在以下一些問題：(1) 由于熱輸入較大，導(dǎo)致焊縫晶粒粗大并且接頭力學(xué)性能差。(2) 鋁鋰合金TIG焊縫內(nèi)極易產(chǎn)生氣孔

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文- 4 -備示意圖如圖1-2所示。使用此焊接方法對(duì)304不銹鋼進(jìn)行焊接，結(jié)果表明，與普通TIG焊接頭相比，電弧超聲激勵(lì)共熔池雙鎢極氬弧焊接頭拉伸性能明顯提高[15]。圖 1-2 雙電弧焊接系統(tǒng)示意圖[15]Fig.1-2 Schematic of twin-arc system[15]江蘇大學(xué)雷玉成等人解決了超聲與交流電弧隔離耦合困難的問題，實(shí)現(xiàn)了超聲激勵(lì)電源與交流弧焊電源之間的電隔離和耦合，在交流電弧中激發(fā)出了超聲[33,34]。應(yīng)用此技術(shù)對(duì) SiCp/6061Al 基復(fù)合材料進(jìn)行焊接，結(jié)果表明，電弧超聲可使新生 Al3Ti 相明顯細(xì)化，新生顆粒增強(qiáng)相 AlN 及 TiN 增多且分布更為均勻，晶間偏析富 Si 相也隨頻率的提高而大幅減少[29,30]。脈沖電流焊接時(shí)

圖 1-3 超聲輔助焊接設(shè)備示意圖[18]Fig.1-3 Schematic of an ultrasonic assisted weld apparatus[1圖 1-4 超聲電弧同軸復(fù)合式設(shè)備示意圖tic of experimental equipment with a coaxial compound of 包括兩部分，焊接系統(tǒng)以及超聲發(fā)射系統(tǒng)。焊接系及冷卻系統(tǒng)。超聲發(fā)射系統(tǒng)包括超聲電源、換能器
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 莊麗君,任家烈,胡國(guó)強(qiáng);奧氏體焊縫熱裂紋形成機(jī)理的研究──成分對(duì)25%Cr-20%Ni奧氏體焊縫熱裂傾向的影響[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1988年05期

2 孫憲鵬;;耐高溫球形磁粉在鑄鋼件焊縫檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J];江蘇機(jī)械;1988年04期

3 王來;于永泗;曹智本;;制氫轉(zhuǎn)化爐爐管的高溫腐蝕破壞[J];物理測(cè)試;1988年01期

4 曹增毅;;鍋筒環(huán)向焊縫結(jié)晶裂紋的防止[J];焊接技術(shù);1988年03期

5 周述鋒;介紹幾種新型焊料和焊劑[J];宇航材料工藝;1989年01期

6 ;廣州重型機(jī)器廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GZ5601-87 超厚板焊縫超聲波探傷[J];壓力容器;1989年02期

7 唐錦榮,馬廣禮,鄧榮燊;T型焊縫的手動(dòng)超聲波探傷[J];華東電力;1989年01期

8 孫景榮;;鋁焊縫常見缺陷及返修[J];機(jī)械工人(熱加工);1989年09期

9 金澤謙;;油罐自動(dòng)焊焊縫常見缺陷產(chǎn)生原因及防治[J];石油工程建設(shè);1989年01期

10 詹建寬;;采用混合焊劑抑制焊縫中的CO氣孔[J];焊接技術(shù);1989年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前8條

1 陳琪昊;鋁合金超聲輔助TIG焊聲傳播特性與焊縫晶粒細(xì)化機(jī)制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

2 李菊;鈦合金低應(yīng)力無變形焊接過程機(jī)理研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2004年

3 杜漢斌;鈦合金激光焊接及其熔池流動(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬[D];華中科技大學(xué);2004年

4 陳俐;航空鈦合金激光焊接全熔透穩(wěn)定性及其焊接物理冶金研究[D];華中科技大學(xué);2005年

5 姚遠(yuǎn);幾種Fe-C系汽車材料大功率CO_2激光深熔焊接工藝研究[D];吉林大學(xué);2006年

6 陳子琴;大功率激光焊熔透正反同步檢測(cè)及焊縫背面成形預(yù)測(cè)算法研究[D];廣東工業(yè)大學(xué);2017年

7 袁濤;基于外加能量場(chǎng)的鎂合金焊接冶金過程及微觀組織研究[D];天津大學(xué);2016年

8 王濤;汽車用先進(jìn)高強(qiáng)鋼激光焊接性能研究[D];上海大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 丁曉東;焊縫表面成形激光視覺在線測(cè)量及質(zhì)量評(píng)估[D];廣東工業(yè)大學(xué);2018年

2 熊鷹;高氮鋼激光-MAG復(fù)合焊工藝及焊縫增氮研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

3 李福南;變厚截面板激光深熔焊熔透狀態(tài)的監(jiān)控研究[D];湖南大學(xué);2017年

4 李松陽(yáng);基于圖像傳感技術(shù)的焊縫定位檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D];浙江大學(xué);2018年

5 翟學(xué)彬;焊縫熔核質(zhì)量弱磁檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究[D];南昌航空大學(xué);2018年

6 王玉瑩;醫(yī)用塑料激光透射焊接工藝及性能研究[D];華中科技大學(xué);2016年

7 趙澤洋;磁場(chǎng)輔助光纖激光焊接工藝研究[D];華中科技大學(xué);2016年

8 唐舵;摻雜玻璃纖維的丙烯腈—苯乙烯共聚物激光透射焊接研究[D];華中科技大學(xué);2016年

9 蔡孟雷;軌道車輛不銹鋼車體的CMT焊接工藝研究[D];華中科技大學(xué);2016年

10 蘇禮季;5Cr鋼熔化焊接頭的腐蝕性機(jī)理研究[D];華僑大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2892518