超声MIG复合焊接焊枪设计与熔滴过渡的研究.doc

超声MIG复合焊接焊枪设计与熔滴过渡的研究 国内图书分类号:TG444 学校代码:10213 国际图书分类号:621.791 密级:公开工学硕士学位论文超声-MIG 复合焊接焊枪设计 与熔滴过渡研究硕士研究生:黄嘉明 导 师:杨春利 教授 申请学位:工学硕士 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:2010 年 7 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TG444 U.D.C: 621.791Dissertation for the Master Degree in EngineeringTORCH DESIGN AND DROPLET TRANSFER IN ULTRASONIC-MIG HYBRID WELDINGCandidate: Huang Jiaming Supervisor: Prof. Yang ChunliAcademic Degree Applied for: Master of EngineeringSpeciality: Materials Processing Engineering Affiliation: School of Materials Science?Engineering Date of Defence: July, 2010 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要MIG焊接是一种常用的高效焊接方法,其焊丝和电弧的电流密度大,焊丝熔化速度快,对母材的熔敷效率高,母材熔深和焊缝成型较好。将超声振动作用于 MIG焊接过程,超声的声辐射力和声流效应改变了电弧形态和熔滴过渡形式,扩大了焊接可用规范区间,促进了大滴自由过渡,提高了短路过渡频率。 首先进行了超声-MIG 复合焊接系统设计。超声振动系统设计包括换能器和变幅杆的结构设计。对换能器和变幅杆抽象成一维纵振动变截面杆,进行理论尺寸计算,然后通过 ANSYS有限元分析进行尺寸优化,昀终确定换能器前盖板长度 73mm,后盖板长度 18mm,中孔直径 6mm;变幅杆长度 125mm,中孔直径 6mm,模拟频率误差仅为 0.35%,满足设计要求。在变幅杆基础上完成焊枪设计,在不影响超声振动效果的基础上进行了电路和水冷系统设计,并采用双层保护气形式。 在静态下进行了滴水实验,研究超声场中声辐射力的分布规律。结果表明:声辐射力方向呈现交替变化规律,相邻 1/4 波长内方向相反。并且在形成驻波场时,超声辐射力效果昀为明显。实验研究了超声发 射端高度和喷嘴高度对超声-MIG 焊接作用效果影响,并昀终确定了超声作用效果较好的发射端高度为 30mm和喷嘴高度为 11mm。 在不同焊接规范参数下进行了普通 MIG焊接与超声-MIG焊接的对比实验,研究了超声-MIG 各熔滴过渡区间特点。短路过渡区间,电弧收缩明显,阴极清理范围变窄,短路过渡频率提高,熔滴过渡均匀,短路峰值电流平均降低 70A左右。高电压区大滴过渡区间,电弧长度变短,熔滴过渡频率增加,焊缝铺展性更好。射流过渡区间,电流下降 20A左右,电弧中心半径减小,挺度提高,阴极清理导致的电弧飘移现象降低,焊缝铺展良好,余高降低。在各熔滴过渡区间,电弧均呈现不同程度的径向收缩和长度缩短。熔滴过渡形式改变主要由于电弧形态变化导致。 论文的昀后初步探讨了超声 -MIG 电弧的收缩原因,从电弧等离子体受力和电弧能量平衡角度进行分析,提出超声声流效应对电弧等离子体作用机制,并根据昀小电压原理阐释了超声电弧形态改变的物理本质。关键词:超声;MIG焊接;焊枪;熔滴过渡;有限元分析-I- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract The MIG welding is a traditional and efficient welding method. The wire melting speed is very high because of the high current density of the wire and arc, thus the deposition efficiency is high and penetration and welding distortion is better. The ultrasonic vibration in the welding process expanded the range of welding condition, promoted the free transfer of drop and improved the frequency of dip transfer. The ultrasonic characterizations such as acoustic radiation force and the acoustic streaming effects changed the arc shape and the drop transfer formFirst, the ultrasonic-MIG welding system was designed. It included the structural design of transducer and amplitude transformer. The transducer and amplitude transformer were regarded as one dimensional vertical vibration cross-section bar. The theoretical dimensions were calculated, and then optimized by ANSYS finite element analysis. Finally, the dimensions of amplitude: the frontendplate was 73mm; the back cover plate was 18mm; the diameter of mesopore was 6mm; the length of amplitude transformer was 125mm; the diameter of mesopore was 6mm. the error of simulation frequency was only 0.35%. The dimensions satisfied for the design requirement. The design of welding torch was completed. The circuit and water cooling system were designed on the basis of no affect on ultrasonic vibration. The double shielding gas form was adopted The dripping test was conducted under static conditions to study the regularities of acoustic radiation force distribution in ultrasonic field. The results showed that: the direction of acoustic radiation force was alternative; the direction was opposite in adjacent 1/4 wavelength. The effect of acoustic radiation force was obvious in standing-wave field. The influence of the height of radiation side and nozzle to ultrasonic-MIG was studied, and the optimized heights: the height of radiation side was 30mm; the height of nozzle was 11mmThe comparison experiments of normal MIG and ultrasonic-MIG under different welding parameters were conducted. The characteristics of different droplet transfer in ultrasonic-MIG were studied. In dip transfer, the arc shrinking was obvious; the range of cathode cleaning was narrowed; the dip transfer frequency was improved; the drop transfer was homogeneous; the peak current was decreased 70A equally in short circuit-II- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 In globular transfer interval of high voltage, the length of arc was shorted; the droplet transfer frequency was increased; the spreadability of welding bead was better. In spray transfer, the current was decreased by about 20A; the radius of arc center was decreased; the stiffness was improved; the wandering of arc caused by cathode cleaning was weakened; the spreadability of welding bead was better; the weld reinforcement was decreasedAt last, the preliminary study to the reason for arc shrinking was made in ultrasonic-MIG from the aspects of arc energy balance and the force balance for plasmaThe mechanism of acoustic flow effect and arc plasma action in ultrasonic was put forward. The physical nature of the arc shape change in ultrasonic was explained based on principle of minimum voltageKeyword: MIG, ultrasonic, torch, droplet transfer, finite elements analysis -III- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘要I AbstractII第 1章 绪论1 1.1 课题研究的目的和意义1 1.2 超声波的作用 2 1.2.1 机械作用和热作用2 1.2.2 超声空化作用. 2 1.2.3 超声声流作用. 3 1.2.4 超声辐射压强. 4 1.3超声作用下焊接技术发展现状 5 1.3.1 超声对焊丝和母材的作用5 1.3.2 超声对电弧的作用6 1.3.3 超声对熔融金属的作用 7 1.4 超声在电加工中的应用8 1.5 课题主要研究内容. 9 第 2章 实验设备、材料及方法. 10 2.1 实验设备及装置 10 2.1.1 焊接电源及装置. 10 2.1.2 超声电源. 10 2.1.3 电流电压采集系统 11 2.2 实验材料 11 2.3 实验研究方法. 12 2.3.1 水滴实验. 12 2.3.2 发射端及喷嘴高度对声场影响研究12 2.3.3 普通 MIG与超声-MIG对比实验 13 第 3章 超声-MIG复合焊炬设计 14 3.1 超声-MIG复合焊矩总体设计14 3.2 超声振动系统换能器的设计. 14 3.2.1 换能器材料的选择 14 3.2.2 压电陶瓷片尺寸选择15 -IV- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3.2.3 换能器节点位置选择15 3.2.4 换能器各部分尺寸计算. 16 3.3 换能器有限元分析19 3.3.1 换能器模型的建立 19 3.3.2 换能器各部分尺寸参数对模态频率的影响20 3.3.3 换能器模态分析及参数优化21 3.3.4 换能器谐响应分析 22 3.4 超声振动变幅杆的设计 24 3.4.1 变幅杆材料选择. 24 3.4.2 变幅杆尺寸计算. 24 3.5 变幅杆有限元分析25 3.6 超声-MIG焊枪设计 28 3.7 本章小结 29 第 4章 超声-MIG复合焊接特性研究. 30 4.1 超声场研究30 4.2 超声-MIG复合焊接特性. 34 4.2.1 电压波形与焊接熔滴过渡的关系 34 4.2.2 超声-MIG复合焊接改变熔滴过渡形式35 4.3 超声发射端高度对超声场的影响39 4.4 喷嘴高度对超声场的影响40 4.5 本章小结 41 第 5章 超声-MIG熔滴过渡特点 42 5.1超声-MIG 熔滴过渡形式分布 42 5.2超声-MIG 焊接熔滴过渡的特点43 5.2.1 超声-MIG高电压区短路过渡特点. 43 5.2.2 超声-MIG高电压区大滴自由过渡特点46 5.2.3 超声-MIG短路过渡特点47 5.2.4 超声-MIG射流过渡特点50 5.3 超声-MIG电弧压缩机理研究51 5.3.1 电弧力模型 51 5.3.2 电弧能量平衡53 5.4 本章小结 53 结论55 参考文献 56 -V- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明. 60 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书. 60 致谢60-VI- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究的目的和意义 自从熔化极气体保护焊出现以来,它以高效、节能、操作简单、便于实现机械化和自动化等特点,在实际生产中得到广泛的应用,并已经成为手工电弧焊的替代工艺。目前,西欧、美国和日本等工业发达国家的 MIG/MAG 焊接工1,2艺占所有焊接工作量的 60%80%,而中国只有 40.1% 。 MIG 焊接是一种常用的高效焊接方法。熔化极氩弧焊可以焊几乎所有金属,MIG 焊由于其焊丝和电弧的电流密度大,焊丝熔化速度快,对母材的熔敷效率高,母材熔深和焊缝成型较好,熔滴过渡平稳,生产效率高等优点被广泛3应用于现代焊接生产中 。因此关于 MIG 焊接新技术的探索成为近年来的热门课题。 20 世纪末期,很多学者纷纷研究复合电弧焊接方法,并取得了良好的效果。其中磁控电弧焊接和激光电弧焊接方法已经在很多方面展露其优势,包括在大4电流 MAG 焊接时对熔滴过渡的控制和焊缝跟踪等领域都有显著成果 。激光电弧复合焊接中,当加入激光之后,不仅熔滴过渡频率变快,而且熔滴过渡形5式转变为稳定的射滴过渡,这样有利于提高焊缝熔深,稳定焊接电弧 。磁控电弧焊接通过外加磁场来改变焊接电弧的位置、形态,改变液流束和焊接电弧的受力状态,从而控制焊接电弧和液流束的运动行为。外加纵向磁场焊接还可以6有效地细化焊缝的晶粒,提高焊接接头抗拉强度以及冲击韧性等力学性能 。 在超声电弧焊接方面,哈尔滨工业大学焊接国家重点实验室的杨春利等人将超声与 TIG 焊电弧进行复合,并建立了超声 TIG 焊接系统,得到了良好的焊接效果。超声场中的 TIG 电弧出现明显收缩,电弧亮度提高,熔深增加,深宽7比增大,焊缝性能提高 。由此可见超声在改善焊缝成形、提高焊接质量和效率方面拥有的巨大潜力。同时,超声作为一种机械振动,其在传播过程中的一些特殊效应如机械效应、声流效应等也会对 MIG 焊接过程中的熔滴过渡造成一定影响。 本课题主要目的是将超声场应用到 MIG 焊接方法中,建立超声-MIG 焊接平台,研究超声对 MIG 焊接熔滴过渡的影响规律,为实现超声对 MIG 焊接熔滴过渡可控性研究打下基础。 -1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2 超声波的作用 8功率超声对媒介主要有四个基本作用 :第一,交变振动作用。超声波在媒质中传播时会使媒质粒子做交变振动,并引起媒质中的应力或声压的产生周期性变化,从而引发一系列次级效应;第二,力学作用。由于高声强,功率超声将引发媒质的非线性振动,媒质振动的非线性会引起相互靠近质点间的伯努利力,以及由粘度的周期性变化引起的直流平均粘滞力等;第三,声流作用。介质中有强声波传播时,往往会出现一种非周期的流动,称为声流效应,声流可以起到稳定液体中的对流作用。第四,空化作用。空化作用是只能在液体媒质中才能出现的一种重要的基本作用。在上述四种基本作用中,昀重要应用也昀为广泛的是空化作用。 1.2.1 机械作用和热作用 超声波是一种机械振动,是一种能量的传递形式,因此在媒质中传播时会产生交变振动效应。超声的高频振动及声辐射压力可在气、液中形成有效的搅动和对流。超声波在液体中传播时,质点位移振幅很小,但是其加速度非常大。超声波引起的机械运动是非常激烈和快速的。超声波在媒质中传播时会有振幅的衰减,部分能量被媒质吸收,由于媒质的吸收和内摩擦损耗,在超声一段时间的连续作用下会造成媒质温度的升高。此外,空化气泡的压缩及崩溃过程也会产生局部高温。 1.2.2 超声空化作用 超声波发生器在液体中强烈振动时,会从振动表面发出无数细小气泡,这种现象叫做超声波空化。这是由于液体中微小气泡核在超声波作用下被激活,表现为气泡核的振荡、生长、收缩和崩溃等一系列非线性的动力学过程。而从振动面向前会产生液体的流动,叫做冲流。超声空化作用被广泛应用于现代工业生产中。 9对于超声空化的发生机制,马森 等作了如下阐释:液体中存在很多分子大小的穴,当液体受到负压强作用后,液体的分子就从穴内飞出,穴也向增大的方向产生势的梯度,因此穴与穴合成一体,穴则逐渐增大。在正压强下,势的梯度方向相反,液体分子向穴内飞进而使穴逐渐变小。超声波在液体中传播时,液体分子受到频率极高的周期性交变声场作用,使得液体中的小泡以极高的速度产生和闭合,空化效应就此产生。 超声波在液体中的声空化现象于 1894 年第一次被学者 O.Reyrolds 在研究-2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10通过局部细窄管道中的水流时观察到 。20 世纪 50 年代初,Noltingk 和11Neppiras 在空化理论方面取得重大进展,建立了气泡动力学模型。60 年代10/.nn 进一步将声空化分为稳态空化和瞬态空化来描述。Nico de flong 和12,13V.Sboros 等人研究了空化现象中气体微泡的声学行为,他们指出这些行为14受周围介质性质、施加的声压及气泡物理性质等的影响。Moussatov Alexei等人利用数字照相技术对超声换能器表面气泡进行了研究,并且定性分析了气化泡在不同直径声极、不同声强下的变化,研究认为,超声空化现象的演变同声强有着密切的联系。 到目前为止,超声空化的应用主要集中在两个方面。一是利用超声空化可以细化晶粒,改善组织结构。关于细化机理,目前较为公认的理论是:超声空化过程会产生强烈的冲击波,可以打碎初生的粗大晶体和正在长大的枝晶,从而增加形核质点,提高形核率。此外,超声空化产生的局部高温、高压会使局15 16部熔体熔点上升,有效过冷度增加,亦会提高形核率 。学者 /.in 认为:17, 18功率超声细晶技术具有广阔的应用前景。也是利用了超声空化效应 ,清华大学吴敏生教授提出的电弧超声焊接方法实现了焊缝组织的细化。空化现象另19一种应用集中在声化学 方面。超声波的作用能够加快物质反应速度,降低化学反应所需的环境条件要求,引发一般难于产生的反应,或缩短反应诱导时间,或提高反应产率。声化学作用机理与超声空化过程中所产生的高温、高压有着密切的联系。 1.2.3 超声声流作用 超声声流是指气体或液体媒质中有强声波传播时引起的一种非周期性运动。声流包括体声流(bulk streaming)和微声流microstreaming。体声流常简称为声流,体声流又可分为两类:一类由于自由空间中声波的衰减,此声波通常与高雷诺数有关;另一类因媒质与其接触的固体间的摩擦引起,包括媒质中存在的振动体或障碍物、声波沿波导传播、容器中存在驻波场等情况。 对声流现象的理论分析基于 Navier-stokes 方程、连续性方程及状态方程。20声流的产生机理一般被认为是媒质通过声吸收从声波中得到动量的结果 。在有限振幅的情况下,由于非线性吸收效应,媒质均可产生声流。声流对破坏边界层、加速传质传热、促进微细颗粒弥散及清洗表面杂质等起到了关键作用,在超声清洗、超声改善金属凝固过程、细化晶粒等方面有相当的应用价值。学21者 Andrzej Nowicki 利用粒子图像测速技术拍摄到了淀粉水溶液中的声流,并计算了声流速度。图 1-1 为拍摄到的声流图片。 声流效应应用很广,超声清洗是昀常 见的一种,声流的法向速度分量阻止-3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 了清洗下来的赃物重新附着到容器上,高速微射流能够除去容器上的污层。在金属加工 、物质分离和混合、矿石浮选、无模铸造、半导体技术、精细化工、生物医学等方面声流现象有着广泛应用。21图 1-1 液体中的声流 1.2.4 超声辐射压强 超声波在传播过程中,总归伴随着冲量的转移,当波传到障碍物时,就发生波所传输的冲量的改变,而这就产生了作用在障碍物上的力,这力称为辐射压强。在声场中辐射压强在障碍物上的作用具有非常复杂的特性,这个问题 Post在著作中进行了深入的分析。 22超声辐射压强昀为直接的应用就是超声悬浮。超声悬浮 的基本原理是利用声驻波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重量,同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压波节处。图为一单轴声悬浮系统。 超声悬浮需要很高的声强条件,简单的超声传播并不能产生悬浮,如此强22,23,24的声场需要依靠谐振腔的共振才能获得,声场共振条件,即共振模式 。声悬浮中的谐振腔是由声发射端和反射端组成。谐振腔是一个很重要的概念,利用高强超声场对某物质产生作用时,实际上都可以假想为谐振腔的存在,因而,声悬浮理论中的谐振状态具有较强的实用价值,应用中应当充分利用其谐振点,从而可以节省时间和资源,提高加工效率。 声悬浮主要应用于流体的力学性质研究、物性测量和无容器的材料处理和制备。声悬浮技术可以悬浮任何材料,包括磁性和非磁性体,导体和绝缘体,25并且稳定性较好 。声悬浮作为一种无容器处理方法,是地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一,在先进材料的无容器制备、过冷态亚稳液体的物性测量和自由悬浮液滴的流体动力学研究等领域是一项不可或缺的实验手段。 -4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.3 超声作用下焊接技术发展现状 超声作用焊接是一种逐渐完善起来的焊接技术。根据控制对象的不同,可以把超声控制的焊接技术分为以下三类: (l)针对焊丝和母材的超声焊接技术 (2)针对电弧的超声焊接技术 (3)针对熔融金属的超声焊接技术 1.3.1 超声对焊丝和母材的作用 (1) 超声焊接 在超声焊接中,超声通过压刀和焊丝耦合传入焊丝,丝的变形是键合过程中的关键因素。在压力作用下超声能量使丝软化和变形。变形使丝的表面积增大,因而争破界面的氧化层形成新生清洁表面。并使丝的清洁表面与底座金属的新生清洁表面间产生原子级接触。这种清洁接触面的扩大和面间原子间的相互扩散就形成了焊区,由于焊区一周的变形量昀大,这里昀先形成微焊点,这些微焊点增多就连成了线和面,这样,就形成了通常见到的围绕在焊区周围的一条椭圆形焊带。同时,超声是金属的软化率极高,金属吸收超声能量可以形成大量自由位错,从而使金属软化。以Al为例,产生同样的软化所需要的超声-7能量仅为热能的10 倍。而焊接中的发热对焊点的形成不起重要作用。 (2) 超声辅助焊接Y.Cui等人将纵向超声振动作用于不锈钢试样背面进行焊接,如图1-2所示26。试验中观测到在试样中的未混合区域在高功率超声振动的作用下完全消失,如图1-3所示。26图1-2 不锈钢超声辅助焊接示意图 -5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文26图1-3 普通焊接与超声辅助焊接熔池形状对比 这是由于超声的空化作用和声流效应带来的在熔合线附近的母材金属和填充金属的完全混合。超声的空化作用产生的气泡的长大与破碎过程产生了高温高压,在熔池内形成了强烈的对流。空化作用和声流效应在固液界面附近的作用昀强,这些效应带来的熔体流动造成了母材 金属和填充金属的充分混合,导致了未熔合区域的完全消失。 1.3.2 超声对电弧的作用 目前对于超声在焊接过程中的施加方式主要有两种:一种是清华大学的吴敏生提出的通过电弧激发超声,成功解决了耦合的难题。图 1-4 为电弧超声激发原理图。目前的研究表明,电弧超声具有细化焊缝晶粒,改善焊缝应力分布,提高焊缝接头冲击韧度和疲劳寿命等作用。电弧超声的产生与焊接材料和焊接方法无关,仅受到外加激励源特性和电弧等离子体高频特性的影响。通过对多种材料和多种焊接方法焊条电弧焊、CO2 气体保护焊、埋弧自动焊、TIG 焊、MIG 焊等的电弧超声焊接试验,证明了电弧超声作为一种通用的方法,不受焊接材料和焊接方法的限制,对于改善焊缝接头组织的综合性能有明显的作用,27为提高焊接接头组织的性能提供了一种全新而且有效的方法 。 耦合超声激励 数字电源 示波器麦克风隔离电焊接 换能器弧电源27图 1-4 电弧超声激发原理图 另一种是哈尔滨工业大学的杨春利、孙清洁等人提出的将纵向超声振动施加到TIG焊接过程中,使超声作用于电弧和熔池。图1-5是超声TIG焊系统示意7图。研究结果表明 : -6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 (1)电弧产生压缩,电弧中心区域半径减小,中心亮度提高,可以明显减轻电弧磁偏吹现象,提高电弧挺度。 (2)熔深明显增加,深宽比增大。 (3)超声TIG和普通TIG电弧压力分布基本一致,但电弧压力峰值提高。 (4)焊缝力学性能明显提高。 7 图 1-5 超声 TIG 焊接系统示意图超声 TIG 电弧收缩,导致焊缝截面的上部、中部及下部都明显变窄,普通TIG 与超声 TIG 焊缝断面形貌对比见图 1-6。 (a)普通TIG (b)超声-TIG 7图1-6 普通TIG与超声-TIG焊缝断面形貌 1.3.3 超声对熔融金属的作用 在超声钎焊中,在零件焊接表面处的熔化焊料中,引入超声振动,能破坏金属表面的氧化膜,改善液态焊料与金属表面的浸润情况,使金属流入毛细孔28中,去除液态金属中的气泡,从而加速了工艺过程,改善了焊接质量 。 在超声振动作用下,焊料液中产生空蚀现象,从而破坏了氧化膜,而声流可把氧化物及污垢带走,并能对金属起到搅拌作用,使裸露的纯金属易于浸润上焊料。 在实际焊接过程中,超声对熔池的作用主要体现在两方面:其一为电弧超声对固液界面和流动熔体的扰动,即传质作用;其二为超声振动能够显著地加29快传热过程,即传热作用。田纳西州大学 Y.Cui 以及台湾逢甲大学 Wen-Long 30Dai 的研究表明:超声能量在固态和液态中的传播和能量衰减能够显著改变-7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 热影响区和熔合区的微观组织,对于消除未熔合区,细化热影响区晶粒,增加熔深,改善熔焊质量等方面有重要的应用价值。超声在焊接熔池中的有限振幅衰减使熔体内形成一定的声压梯度,从而形成一个流体的喷流。此喷流在整个流体中引起一个整体环流,影响溶质在熔池中的分布。同时,处于高温状态下的金属熔体,由于固液界面上的晶粒强度非常低,当扰动作用在其周围液体上,可以破坏正在生长的晶体,打碎晶体,并使熔池中的质量和热量重新分布。从而起到晶粒细化的作用。 1.4 超声在电加工中的应用 超声除了在机械加工方面成功解决了硬脆材料加工的难题,满足了精密加工的需求,同时也被应用在电加工中,如超声电火花复合加工技术、电极放电技术等。 在电火花微小孔加工中,由于被加工孔的孔径细微0.15mm 以下 , 加工时放电间隙狭小1 m 左右,电蚀产物易聚积在孔的底部, 排屑困难,稳定的放电间隙范围小且容易受其它工艺参数的影响,易造成频繁的短路和非正常的放电; 同时,为达到较高的加工尺寸精度和表面精度,常采用减小单个脉冲放电能量的方法,减小材料的蚀除量,降低了加工速度;另外,由于微孔加工工具电极细微,当深径比较大时,异常放电易烧毁工具电极,造成加工不能稳定进行,可加工范围变窄,使传统的电火花加工在微细加工中不能成为有效的加工方法。采用超声电火花复合加工是非常有效的手段。在电极上附加超声振动,就可以使电极端面频繁进入合适的放电间隙,提高火花击穿的概率;同时由于超声的空化作用和泵吸作用,可以增大被加工材料的去除量,加速工作液循环,改善31间隙放电条件,从而提高被加工孔的深径比、加工稳定性 、生产率和脉冲电32源的利用率,并且在振幅得到良好控制的情况下,可以获得更高的加工精度 。 Rudolf Ba?lek , Stanislav Peka?rek, Zuzana Barta?kova 等人在研究直流空心电极放电时施加频率 20.3KHz,振幅 42m 的超声振动,实验发现:电弧出现33发散,其宽度与超声压力和电极间距离有关 。图 1-7 为超声作用下空心电极放电实验装置图。 -8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文33图 1-7 超声作用下电极放电实验装置图 电弧发散现象如图 1-8,其原因主要有两点:第一,离开空心电极的空气接触到变幅杆端面后形成了一个薄气层,端面振动时,气层发生了紊乱,导致端面附近气体放电半径扩大。第二,变幅杆端部形成的声压梯度导致空气流动。空气分子的速度等于空心电极喷气引起的速度和超声声压引起的空气流速的矢量和。这些速度矢量有很大的径向分量,导致空气横向流动,引起电弧扩散。33图 1-8 电弧发散现象 1.5 课题主要研究内容 根据国内外超声电弧复合焊接的研究现状,结合课题来源与背景,本课题研究的主要内容包括以下部分: (1)设计专用的超声-MIG 焊接系统。超声振动系统包括超声换能器和变幅杆的设计,在理论计算的基础上,利用有限元分析对其进行参数优化。焊接部分包括焊枪的电路设计、水冷和保护气系统的设计。 (2)进行超声MIG焊接与普通MIG焊接的对比试验,研究超声-MIG与普通MIG焊接电弧形态、熔滴过渡等方面的差别。 (3)研究超声作用对焊接过程的影响。包括电弧形态和熔滴过渡形式,将试验研究和理论分析结合起来,分析焊接熔化现象变化的原因以及超声场对熔滴过渡的影响。同时,对比超声 MIG 焊接与普通 MIG 焊缝成型变化。 -9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 2 章 实验设备、材料及方法 2.1 实验设备及装置 2.1.1 焊接电源及装置 本研究中实验采用林肯 PowerPlus500 型焊接电源,电源为恒压输出特性。电源工作参数如表 2-1 所示,配备 PWF-2 型林肯送丝机,在室温条件下,采用支流反接进行焊接。焊接过程中,工件卡在焊接平台上,焊枪不动,平台匀速直线行走。实验用焊机及焊接装置如图 2-1 所示。 表 2-1 PowerPlus500 焊接电源输出范围 焊接电流范围 额定空载电压 焊接电压范围 60550A 66V 1741.5V图 2-1 焊接电源及平台 2.1.2 超声电源 本研究超声-MIG 实验采用 CSHJ-2000 型号超声电源,有负载时昀大输出功率为 2000W。MIG 焊接过程产热很大,作为焊枪主体的超声振动系统难免会产生一定的温升,从而导致超声振动系统的谐振频率发生偏移。该型号电源属于自激式超声电源,能够在超声振动系统频率发生偏移时,追踪其频率,并稳定输出超声。超声设备的工作参数如表 2-2 所示。超声电源如图 2-2 所示。-10- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 2-2 超声设备工作参数 超声频率(KHz) 工作电压(V) 工作电流(A) 20 220 0.5图 2-2 CSHJ-1000 型超声电源 2.1.3 电流电压采集系统 本研究实验采用 LT 1005-S 型霍尔元件测焊接电流,并采用 LV28-P 型电压传感器测量焊接电压,并通过 USB2813A 数据采集卡对焊接电流和电压进行数据采集,采集设备与 PC 机相连,数据同步记录在 PC 机上,并通过 PC 机进行数据转换和分析等后处理工作。采集设备如图 2-3 所示。图 2-3 电流电压分析系统 2.2 实验材料本研究中实验母材为 Q235 低碳钢,板厚为 8mm。由于含碳适中,综合性能较好,强度、塑性和焊接等性能得到较好配合,用途昀广泛。其化学成分如表 2-3 所示。 -11- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 2-3 Q235 低碳钢化学成分 (wt.%) C Si Mn P S 0.18 0.120.30 0.350.80 0.40 0.40 填充焊丝选用直径为 1.2mm 的 H08Mn2Si 型焊丝,焊丝主要成分如表 2-4所示。 表 2-4 焊丝化学成分()(wt.%) C Mn Si S P Cr Ni Cu 0.11 1.70 0.65 0.035 0.035 0.20 0.30 0.20 2.3 实验研究方法 2.3.1 水滴实验 为研究变幅杆发射端与工件间超声场声辐射力分布规律,本文设计了水滴实验。实验将内径为 3mm 左右铜管从变幅杆中孔伸出,并保证其中心度,在铜管下部插入内径约为 1mm 的针头,在变幅杆发射端与工件间形成滴水,通过医用吊瓶和点滴注射器控制滴水流量,用铜板作为超声反射面。以水滴模拟熔滴过渡时的情形,水滴位置可以通过针头上下移动而改变,通过分析不同位置水滴受力情况,分析超声场内声辐射力分布。实验示意图如图 2-4 所示。图 2-4 水滴实验示意图 2.3.2 发射端及喷嘴高度对声场影响研究 为了在焊接过程中获得较好的超声作用效果,实验在保证其他条件不变的前提下,单一的改变超声发射端高度(20mm35mm)和喷嘴高度(7mm15mm),并选择了送丝速度为 3.5m/min,电压 25v 和送丝速度 4.5m/min,电压 26v 这两组典型的普通 MIG 滴状自由过渡作为焊接参数。焊前用砂轮打磨钢板表面氧化-12- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 皮,并用丙酮将钢板表面油污等清理干净。在焊接的后半程施加超声振动,以超声-MIG 短路过渡频率为参考,定性分析超声发射端高度和喷嘴高度对焊接过程中超声场强度影响。 2.3.3 普通 MIG 与超声-MIG 对比实验 为了研究普通 MIG 与超声-MIG 电弧形态、熔滴过渡、焊缝成型等方面的差异,实验采用平板堆焊实验,实验分别选用直径为 24mm 和 28mm 的超声变幅杆,并选择超声效果较好的发射端高度和喷嘴高度,焊接参数见表 2-5 所示,选择了 9 组送丝速度(2 m/min、2.5 m/min、3.5 m/min、4.5 m/min、5 m/min、5.5 m/min、6 m/min、7 m/min、10m/min),并根据熔滴过渡形式选择电压范围,电压每次上升 2V,从不稳定或焊缝不成型的短路过渡到电弧不稳定的大滴过渡或者射流过渡,共对 124 组不同焊接参数进行了堆焊实验,在每次焊接过程的后半段施加超声振动,并通过观察和电信号采集记录普通 MIG 和超声-MIG 熔滴过渡形式。实验参数见表 2-5。 表 2-5 超声-MIG 熔滴过渡形式分布实验 变幅杆直径 发射端高度 喷嘴高度 焊接速度 保护气流量 送丝速度 焊接电压(mm) (mm) (mm) (cm/min) (L/min) (m/min) (V) 24、28 30 11 30 25+25 29.5 1736-13- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 3 章 超声-MIG 复合焊炬设计 3.1 超声-MIG 复合焊矩总体设计 超声-MIG 焊接系统主要由超声和焊接两部分组成。超声部分包括超声电源和超声振动系统,其中超声振动系统设计包括换能器和变幅杆的结构设计。焊接部分设计包括工具头、导电嘴、焊接喷嘴的设计以及保护气和水冷的接入方式等。超声-MIG 焊矩总体设计示意图如图 3-1 所示: 喷嘴变幅杆换能器图 3-1 超声-MIG 焊接系统示意图 3.2 超声振动系统换能器的设计 超声换能器是超声振动系统的核心部件,它的作用是将电能转换为机械能的装置,显然它是超声工程技术中极其重要的一部分,在超声-MIG 复合焊接中,选用或设计合适的换能器对焊接时输出稳定的超声波起到至关重要的作用。本文所设计的超声换能器用于超声-MIG