铝合金超声辅助TIG焊声传播特性与焊缝晶粒细化机制

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1、博士学位论文铝合金超声辅助TIG焊声传播特性与焊缝晶粒细化机制ACOUSTICPROPAGATIONCHARACTERISTICSANDGRAINREFINEMENTMECHANISMOFWELDDURINGULTRASONICASSISTEDTIGWELDINGOFALUMINUMALLOY陈琪昊2018年6月国内图书分类号：TG456.9学校代码：10213国际图书分类号：621.791.1密级：公开工学博士学位论文铝合金超声辅助TIG焊声传播特性与焊缝晶粒细化机制博士研究生：陈琪昊导师：林

2、三宝教授副导师：杨春利教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG456.9U.D.C:621.791.1DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringACOUSTICPROGATIONCHARACTERISTICSANDGRAINREFINEMENTMECHANISMOFWELDDURINGULTRASONICASSISTEDTIGWELD

3、INGOFALUMINUMALLOYCandidate：ChenQihaoSupervisor：Prof.LinSanbaoAssociateSupervisor：Prof.YangChunliAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsSci.&Eng.DateofDefence：June,2018Degree-

4、Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要在铝合金TIG焊接过程中，超声作用于焊接熔池，熔池凝固后焊缝晶粒细化，气孔减少，接头力学性能提高。然而已有的研究主要侧重于超声改善焊缝组织及提高接头力学性能的效果，对超声细化焊缝晶粒机制及超声减少焊缝气孔缺陷机制的研究较少。超声电弧复合场下铝合金TIG焊缝晶粒细化机制及气孔缺陷减少机制的研究是指导超声电弧复合焊接方法改进的理论基础，具有重要的意义。为此，本论文对超声细化铝合金TIG焊缝晶粒

5、机制进行了基础理论研究，同时初步探索了超声对熔池内气泡行为的影响。试验材料选择在航空航天领域具有较大应用前景的2195铝锂合金。将超声波工具头与固体母材接触，超声通过固体母材传入熔池内部，通过这种超声施加方式研究了超声对铝锂合金TIG焊缝晶粒细化及气孔减少的影响。建立了有限元模型，研究了母材及熔池内声场分布规律，分析了熔池边界固液混合区内超声振动的衰减。将超声对熔池的作用阶段按以下三种方式进行划分：第一，超声仅在熔池凝固之前作用于熔池；第二，超声仅在熔池凝固过程中作用于熔池；第三，超声在熔池凝固

6、之前及熔池凝固过程均作用于熔池。分别研究三种超声作用阶段下铝锂合金TIG焊缝晶粒结构形成规律，揭示超声电弧复合场下铝锂合金TIG焊缝晶粒细化机制，推导出表征超声作用下熔池内晶粒异质形核率大小的表达式。最后在理论上分析了超声对熔池中气泡产生、长大及上浮的作用，为研究超声对焊缝中气孔的影响机制奠定基础。对室温下固体母材中声传播及声场分布进行了数值模拟。研究表明超声在母材中以反对称兰姆波形式向前传播，波阵面为球面。超声在母材内传播稳定后形成稳定的驻波场分布。分析了温度对固体母材中超声传播的影响，揭示了

7、焊接非均匀温度场影响下固体母材中声传播特征。建立了熔池边界固液混合区粘弹性材料模型，分析了超声在固液混合区内传播时的振动衰减。建立了声固耦合模型，揭示了熔池内声压场分布规律及影响因素，研究表明熔池底部声压最大，从熔池底部到熔池表面声压逐渐减小。熔池内声压大小主要与超声输入振幅及熔池尺寸有关。对熔池内声空化规律进行了研究，得到了熔池内可发生声空化的临界超声输入振幅，熔池内声空化强度主要与熔池内声压大小有关。定点焊条件下，在熄弧之前施加超声，熄弧同时关闭超声，通过这种方式实现了超声仅在熔池凝固之前作

8、用于熔池。试验表明超声影响下铝锂合金TIG焊缝晶粒由柱状晶变为等轴晶。1A99纯铝对比试验表明超声对铝锂合金TIG-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文焊熔池中晶粒异质形核具有明显的促进作用，对均质形核无促进作用。分析了熔池凝固前的超声作用对晶粒异质形核的影响，研究表明超声振动增大原子振动频率及幅度，原子之间的碰撞几率增加，此外空化提高熔体凝固温度及改善异质形核点表面润湿性，促进晶粒的异质形核。声流动可以增大熔池流动速度，有助于晶核在熔池内的分散。最后分析了超声仅作用于熔池凝固前时铝锂合金TIG焊