超声-TIG电弧复合焊的电弧物理机制及金属熔化行为研究

常规TIG焊虽然焊接质量高，但生产效率较低。为了进一步提高TIG焊接的效率和质量，提出了超声与钨极氩弧（TIG）复合的焊接方法。前期的研究结果表明：复合后的电弧特性与常规TIG电弧相比变化较大:电弧收缩，电弧力增加，焊缝熔深提高了1倍以上。为了进一步揭示超声与电弧的作用机理，以及超声在熔化金属中的传播及作用，本项目拟首先通过实验和分析测试手段，研究超声-TIG复合电弧的物理特性的影响；进而从理论计算和模拟角度，揭示超声对电弧的作用机理和复合电弧对焊缝金属的熔化行为的影响机制；在此基础上优化焊接参数，研究复合电弧对典型材料的焊缝性能和组织的影响。课题的研究成果将为该方法的进一步发展和应用奠定理论和技术基础。关于超声与TIG电弧复合技术国内外未见报道。

本项目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，在国内外首次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。将超声振动施加到TIG焊接电弧空间，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。.首先提出了超声电源总体设计方案，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。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。.通过对焊接电弧形态的采集，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。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。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。.研究了超声-TIG复合焊接工艺参数对SUS304不锈钢焊缝成形影响规律。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。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。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；疲劳试验中超声-TIG焊表现出更加明显的优势。.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。焊接过程热循环显示，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。通过电弧高速摄像研究了电弧能量分布，阐明了超声与电弧的作用机制。通过数值模拟和示踪粒子方法，研究了超声经过电弧空间对熔池流动的作用机制。.项目达到了预期目标，获得授权发明专利2项，发表论文14篇，其中SCI论文3篇，EI论文8篇，培养博士2名和硕士8名。基于本项目的研究成果，项目组进一步开发了超声-MIG复合焊技术，并获得了2013年国家自然基金资助（51275134）。目前还有1名博士生和2名硕士生继续开展铝合金焊接工艺及成果转化工作。