《超聲-TIG電弧複合焊的電弧物理機制及金屬熔化行為研究》是依託哈爾濱工業大學，由楊春利擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超聲-TIG電弧複合焊的電弧物理機制及金屬熔化行為研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊春利
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
常規TIG焊雖然焊接質量高，但生產效率較低。為了進一步提高TIG焊接的效率和質量，提出了超聲與鎢極氬弧（TIG）複合的焊接方法。前期的研究結果表明：複合後的電弧特性與常規TIG電弧相比變化較大:電弧收縮，電弧力增加，焊縫熔深提高了1倍以上。為了進一步揭示超聲與電弧的作用機理，以及超聲在熔化金屬中的傳播及作用，本項目擬首先通過實驗和分析測試手段，研究超聲-TIG複合電弧的物理特性的影響；進而從理論計算和模擬角度，揭示超聲對電弧的作用機理和複合電弧對焊縫金屬的熔化行為的影響機制；在此基礎上最佳化焊接參數，研究複合電弧對典型材料的焊縫性能和組織的影響。課題的研究成果將為該方法的進一步發展和套用奠定理論和技術基礎。關於超聲與TIG電弧複合技術國內外未見報導。
結題摘要
本項目以解決常規鎢極氬弧(TIG)焊接過程中由於電弧能量不集中引起的焊接效率低為目的，在國內外首次提出了以電弧電漿作為超聲載體的超聲-TIG複合焊接方法。將超聲振動施加到TIG焊接電弧空間，引入的超聲振動能對TIG焊電弧產生壓縮作用並改善電弧特性，進而大幅度增加焊縫熔深和提高接頭的機械性能。 首先提出了超聲電源總體設計方案，利用有限元軟體對複合焊炬進行了設計及最佳化，確定了變幅桿輻射端、冷卻機構及鎢極裝夾方式的最佳方案。在此基礎上搭建了超聲-TIG複合焊接系統，焊接試驗驗證了該系統能滿足試驗及設計要求。 通過對焊接電弧形態的採集，發現電弧收縮狀態與超聲輻射高度、電弧長度存在匹配關係。相同工藝參數下複合電弧壓力峰值明顯高於常規TIG焊電弧，並且不同電弧長度下複合電弧壓力峰值受到輻射端高度的影響。通過電弧靜特性分析，超聲-TIG複合焊電弧靜特性曲線與常規TIG焊相比整體上移。 研究了超聲-TIG複合焊接工藝參數對SUS304不鏽鋼焊縫成形影響規律。發現了只有當超聲輸入功率大於臨界值時，焊接過程才得到明顯改善；焊縫深寬比及熔化面積受輻射端高度與電弧長度匹配的共同影響。接頭微觀組織分析結果顯示，超聲-TIG焊縫中心區域出現了較多的等軸晶。超聲-TIG焊接頭抗拉強度和延伸率均好於常規TIG焊；接頭硬度顯示超聲-TIG焊熱影響區範圍更窄；疲勞試驗中超聲-TIG焊表現出更加明顯的優勢。 通過試驗驗證及理論計算探討了超聲振動與焊接電弧作用機制。從理想介質狀態方程出發，獲得了超聲場內粒子振動形式，電弧周圍介質散熱加強和電弧內部質點速度增加使得焊接電弧收縮，並計算了不同條件下的平面聲場分布。焊接過程熱循環顯示，複合焊接增大了焊接熱輸入，熱量呈現出定向傳遞特點，高溫停留時間變短。結合等離子流力對熔池表面作用受力分析，超聲的引入改變了原有的受力狀態。通過電弧高速攝像研究了電弧能量分布，闡明了超聲與電弧的作用機制。通過數值模擬和示蹤粒子方法，研究了超聲經過電弧空間對熔池流動的作用機制。 項目達到了預期目標，獲得授權發明專利2項，發表論文14篇，其中SCI論文3篇，EI論文8篇，培養博士2名和碩士8名。基於本項目的研究成果，項目組進一步開發了超聲-MIG複合焊技術，並獲得了2013年國家自然基金資助（51275134）。目前還有1名博士生和2名碩士生繼續開展鋁合金焊接工藝及成果轉化工作。
