（机械工程专业论文）超声搅拌复合焊接振动系统设计及超声波作用效应研究.pdf

原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 毒建沁 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 储虢垫翩签名船嗍一年上月 日 摘要 超声搅拌复合焊接是在搅拌摩擦焊接的基础上 附加一个超声频 纵向振动 利用超声波的强振动效应 改变金属的塑性流动行为 为 改善焊缝质量提供了外加能场调控途径 现有研究表明 超声搅拌复 合焊接中超声振动的导入对焊接产生了积极的效果 超声搅拌复合焊 接的焊缝平均拉伸强度提高 焊缝晶粒得到细化 焊缝金属活性加强 流动性提高 焊缝质量稳定性较普通搅拌摩擦焊接有了明显的提升 为了进一步研究超声振动系统对焊接的影响和作用效应 本文根 据任意变截面杆的波动方程及振动系统的设计原理 建立了符合超声 搅拌复合焊接工艺的超声换能器和变幅杆的数值模型 在此基础上对 1 5 k h z 和2 5 k h z 超声振动系统的换能器 变幅杆等主要结构进行了 设计 然后在a n s y s 有限元分析软件中建立了超声振动系统有限元 模型 通过模态分析得出振动系统的主要动态性能参数 应用阻抗分 析仪和振幅测量仪测量了超声振动系统的纵向谐振频率 位移振幅等 主要性能参数 通过对厚度为2 7 m m 的2 519 a 铝合金进行超声搅拌复合焊接实 验 在实验基础上探讨与分析超声搅拌复合焊中超声波的助焊效应与 作用机制 通过残余应力测试 缺陷检测 力学性能 金相组织比较 分析 实验结果表明 超声搅拌复合焊的焊缝残余应力比搅拌摩擦焊 低 同时还发现焊缝残余应力最大值都出现在焊缝起始段 而最小值 都出现在焊缝终焊段 缺陷检测表明 超声搅拌复合焊对焊缝缺陷有 明显改善 缺陷率下降 拉伸试验表明 超声搅拌复合焊接焊缝强度 值比较均匀 焊缝强度更加稳定 而搅拌摩擦焊最低抗拉强度远小于 平均抗拉强度 强度波动值很大 金相组织显示 超声搅拌复合焊接 焊缝热影响区及热机影响区范围更小 焊核区晶粒更细小 均匀 通过对比超声搅拌复合焊接和搅拌摩擦焊接实验结果 结合超声 波的机械振动效应 热效应和体积效应 分析了超声振动在降低焊缝 残余应力 降低焊缝缺陷率和改善焊缝组织上的作用效应 关键词 超声搅拌复合焊 超声振动系统 有限元分析 作用效应 a bs t r a c t u l t r a s o n i cs t i rc o m p o u n dw e l d i n gi sb a s e do nf r i c t i o ns t i rw e l d i n g b ya t t a c h i n g a nu l t r a s o n i cl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n c h a n g i n gt h ep l a s t i c f l o wo fm e t a la n dp r o v i d i n gap a t h w a yo fa d d i t i o n a lr e g u l a t o r ye n e r g y f i e l dt oi m p r o v ew e l dq u a l i t yb yt h r o u g ht h es t r o n ge f f e c to fu l t r a s o n i c v i b r a t i o n p r e s e n ts t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h eu l t r a s o n i ca g i t a t i o nh a sh a d ap o s i t i v ee f f e c to nt h ew e l d i n g t h ea v e r a g ew e l ds t r e n g t ho fu l t r a s o n i c s t i rc o m p o u n dw e l d i n gi m p r o v e sa n dt h ew e l dg r a i nr e f i n e s t h em e t a l a c t i v i t yo fu l t r a s o n i cs t i rc o m p o u n dw e l d i n gs t r e n g t h e n e d m o b i l i t yo ft h e w e l dm e t a le n h a n c e da n ds t a b i l i t yo fw e l dq u a l i t ys i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h a nf r i c t i o ns t i rw e l d i n g t oi n v e s t i g a t et h ei m p a c ta n dm e c h a n i s mo ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o n o nw e l d b a s e do nt h el o n g i t u d i n a lo s c i l l a t i o ne q u a t i o no fu l t r a s o n i ch o r n w i t hr a n d o mv a r i a b l ec r o s s s e c t i o na n dt h ep r i n c i p l eo ft h ev i b r a t i o n s y s t e m t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d b a s e d o nt h ea b o v e t h em a i ns t r u c t u r eo ft h ed i f f e r e n tf r e q u e n c yo fu l t r a s o n i c v i b r a t i o n s y s t e mt r a n s d u c e r h o r na n dt o o l r o dw a sd e s i g n e d t h e c o m p u t e rs i m u l a t i o no f t h en e wd e s i g n e du l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mw a s p e r f o r m e db ye m p l o y i n gt h ef e ms o f tw a r ea n s y s t h r o u g hw h i c ht h e d y n a m i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s w e r e a c q u i r e d t h en e wd e s i g n e d u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mw a st e s t e dt h r o u g ht h ei m p e d a n c ea n a l y z e r a n da m p l i t u d em e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h r o u g hw h i c ht h el o n g i t u d i n a l r e s o n a n tf r e q u e n c y t h ea m p l i t u d eo ft h ed i s p l a c e m e n ta n do t h e rk e y p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw a st e s t e d m e c h a n i s mo ft h eu l t r a s o n i cw a s a n a l y z e d t h r o u g ht h eu l t r a s o n i cs t i rc o m p o u n dw e l d i n ge x p e r i m e n t so f t h i c k n e s so f2 7 m m2 519 aa l u m i n u ma l l o y b yc o m p a r i n go ft h er e s i d u a l s t r e s sm e a s u r e m e n t d e f e c t d e t e c t i o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s m i c r o s t r u c t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a tr e s i d u a ls t r e s sw a sl o w e r c o m p a r e d w i t hl o wf r i c t i o ns t i r w h i c h w i t hu l t r a s o n i ca g i t a t i o np o s i t i v er e s i d u a l s t r e s s m o r e o v e rt h er e s i d u a ls t r e s so ff r o n tw e l dw a sl o w e r b u tt h eb a c k r e s i d u a ls t r e s sw a sn o tf a ro f f i na d d i t i o n t h er e s i d u a ls t r e s so fc e n t r a l i i w e l dh a v es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d d e f e c td e t e c t i o nh a v es h o w nt h a tt h ed e f e c tr a t eo fu l t r a s o n i cs t i rc o m p o u n dw e l d i n gw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e dt h a nf s w t e n s i l et e s th a v es h o w nt h a tt h es t r e n g t ho fb o t hk i n d sw e l dw a ss i m i l a r b u tt h eo fs t r e n g t hu l t r a s o n i cs t i rc o m p o u n dw e l d i n gi sm o r es t a b l e m i c r o s t r u c t u r es h o w st h eg r a i no fu l t r a s o n i cs t i rc o m p o u n dw e l d i n gi ss m a l l e ra n dm o r eu n i f o r mt h a nf s wa n dt h eh e a ta f f e c t e dz o n ea n dt h e r m o m e c h a n i c a l l ya f f e c t e dz o n ei ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d c o m p a r i n gt of s w b yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o ni nr e d u c i n gw e l dr e s i d u a ls t r e s s w e l dd e f e c tr a t ea n di m p r o v e dt h em e c h a n i s mo fw e l dw a sa n a l y z e d c o m b i n i n gw i t ht h eu l t r a s o n i cm e c h a n i c a lv i b r a t i o ne f f e c t h e a te f f e c ta n dv o l u m ee f f e c t k e yw o r d s u l t r a s o n i cs t i rc o m p o u n dw e l d i n g u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e m f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n m e c h a n i s mi i i 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论 1 1 1 超声搅拌复合焊研究背景及基础 1 1 1 1 搅拌摩擦焊存在的问题 1 1 1 2 搅拌摩擦复合焊研究现状 2 1 1 3 功率超声基础研究 5 1 1 4 功率超声在焊接领域的应用 6 1 2 超声对金属塑性流变的作用效应 8 1 3 超声搅拌复合焊原理 9 1 4 超声搅拌复合焊研究进展 1 0 1 5 课题来源 研究意义 11 1 5 1 课题来源 l1 1 5 2 选题背景 研究意义及主要研究内容 1 1 1 6 本章小结 1 2 第二章超声搅拌复合焊振动系统设计 13 2 1 超声搅拌复合焊振动系统的组成 1 3 2 1 1 超声波电源 1 3 2 1 2 超声波换能器 1 4 2 1 3 超声变幅杆 15 2 1 4 搅拌头 16 2 2 超声搅拌复合焊振动系统的设计 1 7 2 2 1 超声换能器的结构设计 1 7 2 2 2 换能器设计计算 2 0 2 2 3 超声变幅杆的设计 2 5 2 3 本章小结 2 8 第三章功率超声系统的模态仿真及动态性能 2 9 3 1 超声振动系统模型建立及仿真 2 9 i v 3 1 1a n s y s 有限元软件简介 2 9 3 1 2 模态分析原理 3 0 3 1 3 超声系统a n s y s 有限元仿真 3 l 3 2 阻抗测试 3 6 3 2 1 阻抗测试原理 3 6 3 2 2 测试结果分析 3 8 3 3 振动系统振幅检测 4 0 3 4 超声搅拌焊振动系统总成设计 4 2 3 5 本章小结 4 6 第四章超声搅拌复合焊试验及超声波效应分析 4 8 4 1 试验方案 4 8 4 1 1 实验材料 4 8 4 1 2 试验设备 4 9 4 2 焊接工艺 4 9 4 3 残余应力试验与分析 5 1 4 3 1 盲孔法测残余应力 5 2 4 3 2x 射线测残余应力 5 4 4 3 3 超声对焊缝残余应力的影响分析 5 6 4 4 焊缝无损检测与分析 5 7 4 4 1x 射线无损检测 5 7 4 4 2 超声无损检测 5 9 4 4 3 超声降低焊缝缺陷分析 6 1 4 5 焊缝强度实验与分析 6 2 4 6 接头微观组织分析 6 4 4 6 1 微观组织分析 6 5 4 6 2 超声对微观组织的影响分析 6 7 4 7 本章小结 6 7 第五章全文总结 6 9 5 1 全文总结 6 9 5 2 本文创新点与展望 7 0 参考文献 7 l 致谢 7 6 攻读学位期间主要的研究成果 7 7 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超声搅拌复合焊研究背景及基础 1 1 1 搅拌摩擦焊存在的问题 搅拌摩擦焊 f s w 是通过高速旋转的搅拌头与焊件间的摩擦产热 使焊缝 金属达到塑性状态 塑化后的金属在轴肩和搅拌针的搅拌与挤压下实现材料的连 接 由于搅拌摩擦焊过程中产生的热量仅能使金属达到塑性状态 而不能达到金 属的熔点 所以搅拌摩擦焊依然是一种固相焊接技术 其原理图如图1 1 所示 工件 a 一母材区 搅拌针 b 一热影响区 c 一热机影响区 d 一焊核区 图1 1 搅拌摩擦焊示意图 相对于常规的熔化焊 搅拌摩擦焊在铝 镁 铜等合金方面的焊接具有独特 的优势 搅拌摩擦焊接具有很多优点 1 接头性能优异 f s w 作为一种固相连接技术 在焊接过程中不会出现 与熔化有关的缺陷 如焊缝中无元素烧损 无热裂纹 无气孔 无凝固时组织的 偏析等 而采用的传统熔化焊技术进行焊接时 焊缝易出现气孔 裂纹 变形等 问题 此外 f s w 焊缝金属的晶粒组织比母材更细小 其接头具有优异的抗疲 劳性能 卜3 2 焊接残余应力小 变形小 f s w 作为固相焊接技术是在材料熔点以下 完成的焊接 焊接温度较低 焊件的残余应力和变形量比熔焊小得多 3 焊接过程绿色 环保 焊接过程没有弧光和烟尘的污染 工作环境好 4 耗材少 搅拌摩擦焊接通过搅拌头的摩擦产热 无需填丝和保护气体 5 焊前不需要特别的处理 对氧化膜不敏感 6 生产周期短 自动化程度高 搅拌摩擦焊技术的基础研究与工业应用正处于快速发展过程中 此技术在近 2 0 年的发展历程中备受关注 f s w 技术的优势不仅表现在能明显改善金属焊接接 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 头的质量 而且能有效减轻金属结构的重量 降低制造成本的同时提高生产效率 从而获得巨大的经济效益和社会效益 目前f s w 工艺已带动了许多材料的先进加工技术 如钛合金 不锈钢 镍基 合金及高强钢等高温材料的f s w 工艺已进入实验室研究阶段 但受到搅拌工具材 料磨损性 高温强度及高成本的限制 f s w 在高温材料中的工业化应用还需要大 量研究工作 在铝合金方面 由于f s w 连接技术具有明显的优势 已成为航空航天 汽车 及军用结构制造技术中最具潜力的先进制造之一 但随着铝合金研究方面的深入 和发展 搅拌摩擦焊的局限性也逐渐显现出来 对一些高强难焊的材料或者焊件 偏厚偏薄的情况下 搅拌摩擦焊温度场就体现明显的局限性 会产生一些难以控 制的焊接缺陷 对于厚板焊接由于底部产热低 耗散大 容易造成焊缝底部疏松 孔洞等缺陷 而薄板焊接由于三维热容小 焊缝上下散热机制差异很大 导致焊 缝变形大或虚焊等缺陷 随着铝合金强度不断提高 焊接难度增大 适焊工艺窗 口变窄 因高强度铝合金的高温强度较高 焊接时塑性流动较差 流动阻力大 焊缝底部很容易因金属流变不充分而产生缺陷 4 堋 搅拌摩擦焊过程中缺陷的产 生主要是由于不同部位的焊缝金属经历了不同的热机过程 焊缝上部同时受到搅 拌针和轴肩的强烈摩擦和搅拌作用 是焊缝的主要热源 焊缝中下部只受到搅拌 针的摩擦搅拌作用 其热输入远小于上部 而且是主要热耗散区 这一生热机制 导致金属流变上强下弱 为了改善f s w 过程中材料流动行为 通常采取优化搅拌 头的形状尺寸 优化组合焊接工艺参数及改善焊接区的温度场等来进行 但是由 于搅拌摩擦焊工作原理所限 以上途径的改善作用都非常有限 1 1 2 搅拌摩擦复合焊研究现状 虽然搅拌摩擦焊技术在铝 镁 铜等合金方面实现了材料的可靠连接 但 在进行低可焊性材料或厚板的连接时搅拌摩擦焊存在一定缺陷和难度 目前国 内外有学者研究将辅助热源引入搅拌摩擦焊 当进行低可焊性材料或厚板焊接 时 引入辅助热源是非常有必要的 通过辅助热源弥补摩擦产热不足的缺陷 辅助热源还有助于金属材料更好的塑化 提高焊接质量和效率 a o t ak 等人1 7 j 提出在搅拌摩擦焊接技术中利用电阻热作为辅助热源 通过在 搅拌头与工件问施加电流 利用电阻热与搅拌摩擦热的结合使焊缝材料更好的塑 化 从而有效降低焊接阻力 但这种技术存在一定的缺陷 为了提高接触热阻 该技术需要在搅拌头表面沉积陶瓷层来实现 所以工艺复杂 并且 搅拌头表面 的沉积层易剥落 直接对焊缝造成影响 此外 该技术要求搅拌头和待焊工件必 须导电 这也限制了该技术的应用 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 度降低 此外 焊接过程中为了维持摩擦压力和横向移动 双轴肩搅拌工具中的 搅拌针 必须同时承受巨大的横向载荷和扭矩的复合作用 搅拌针受力条件更恶 劣 而这对搅拌针的磨损性和高温强度提出了极为苛刻的要求 同时只能焊接焊 底悬空的焊缝 这限制了该技术的工程化发展与应用范围 图1 3 等离子弧一搅拌摩擦复合焊接 图1 4 双轴眉自撑搅拌摩擦焊 搅拌摩擦点焊 1 2 1 5 l f r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n g f s s w 是在 线性 搅拌摩擦 焊基础上研发的一种焊接技术 在焊接铝 镁等轻合金方面 f s s w 与传统的电 阻点焊相比 有其优势 目前公开报道了两种不同的搅拌摩擦点焊技术 第一种 是日本m a z d a 汽车公司于1 9 9 3 年提出的将搅拌工具固定的摩擦点焊方法 如图 1 5 所示 搅拌头与搅拌工具轴肩固定为一个整体 点焊完成后焊缝中心存在匙 孔 在1 9 9 9 年德国g k s s 研究中心提出了一种叫原位回填式摩擦点焊的方法 与 第一种方法不同的是 该技术的搅拌头和搅拌轴肩是分离的 通过精确控制搅拌 轴肩及搅拌头的相对运动 在搅拌头回撤的同时填充焊接过程中形成的匙孔 焊 后点焊焊缝平整 如图1 6 所示 搅拌摩擦焊点焊技术较传统的电阻点焊技术能 够节省能源 同时获得外观平整且接头强度高的焊缝 但是搅拌摩擦点焊技术设 备成本高 且工艺过程复杂 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 上搅拌 下搅 m a z d 砖利 引n f r i c t i o r ls t i r l i n k 公司 图1 5m a z d a 发明的f s s w 方法 w 翻 图1 6g k s s 研究中心发明的f s s w 技术 虽然目前国内外关于搅拌摩擦的复合焊接已有了一定的研究 但这些新技术 的开发在工程上的实用性并不强 而且应用范围也受到了一定的限制 1 1 3 功率超声基础研究 超声波作为机械波 能够在气体 液体及固体中传播 传播的是机械能 与 声波一样 具有波长兄 声速c 和频率厂三个物理量 超声波的传播速度c 波 长见与频率厂之间的关系为 c 见 厂 1 1 超声波的特点有 1 超声波具有较好的指向性 超声波的频率比较高 频率越高 指向性 就越强 利用这一特性 在探伤和水下通讯这方面起到非常重要的作用 2 超声波在介质中传播时 质点振动的加速度非常大 超声在液体介质 中传播时 若其强度达到一定值 将产生空化现象 功率超声是指利用超声波使物体和物性发生变化的功率应用 早在2 0 至3 0 年代 对功率超声的效应就展开过大量的实验 并得到了一些很有应用价值的结 果 引起了人们的重视 从此研究工作迅速展开 超声处理技术应用面非常广泛 应用最广的有超声清洗 超声加工 超声焊接 超声乳化 超声雾化 超声提取 超声粉碎及超声治疗等 1 6 1 8 5 0 年代发明的超声波金属焊接己广泛应用于集成电路封装技术中 近年来又 发展起来了塑料一金属复合管焊接 其中热塑性塑料超声焊接应用更为广泛 超 声技术除在焊接工艺上的成功应用外 超声加工也是最早应用功率超声的技术之 一 2 0 年代已出现了超声钻孔 5 0 年代已经出现了一系列的超声钻孔设备 除传 镶誉臀 萨强 瞥 夥羹一 攀一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 统的纵向振动加工之外 还发展了旋转加工 抛光 振动切削 珩磨和研磨 到目前仍处于试验阶段的有 超声金属成型 19 5 5 年b l a n g e n e c k e r 和e b l a h a 发现在超声作用下金属会发生 软化现象 这项技术包括超声冷拔金属管 拉 伸棒 超声拉丝 铆镦挤压和弯管与矫正等 这些技术部分已经用在工业上 另 一项技术是超声疲劳试验 超声在疲劳试验中的应用 使其速度比传统的材料疲 劳试验快几百倍 但由于在高低频率下的测量结果与原有的测试结果相差比较 大 所以尚未在工业中应用 超声加工主要是利用超声波的机械振动作用和热学作用进行工作的 1 机械振动作用 当超声波在介质中传播时 介质中的质点会跟着振动 介质在超声振动作用下引起质点的交替伸缩 介质中形成了压力的周期性变化 从而引起了机械振动效应 超声引起的这种质点运动 其加速度与频率的平方成 正比 这种强大的瞬时冲击加速度足以造成对介质的强大的机械效应 甚至能起 到破坏介质的作用 2 热学作用 超声波作用于介质时 其部分能量会被介质所吸收 超声频 振动下介质也会产生强烈的高频振动 介质问相互摩擦而产热 该能量使介质温 度升高 尤其当超声穿透在不同介质的分界面时 因分界面的特性阻抗不相同 将发生反射 而反射形成的驻波将加剧分子间的摩擦生热 致使温度升高更大 超声波的热学作用常应用于塑料及金属材料的焊接 1 1 4 功率超声在焊接领域的应用 电弧超声是利用 电弧即是产热机构 同时也是超声发射机构 的一种技术 1 9 2 0 其原理如图1 7 所示 该技术是由清华大学研制的 该技术通过利用电弧 具有的变阻性负载特性激发出电弧超声 此方法解决了常规产生超声方法中容易 出现的耦合困难和参数不易调节等问题 促进了功率超声技术在工程化应用中向 自耦合 频率及能量实现实时调节的方向发展 电弧超声技术在焊接中的应用 通过对多种材料 a 3 4 5 0 9 m n n i d r 1 6 m n d r t c 4 1 c r l 8 n i t i 等 和多种 焊接方法 手工电弧焊 埋弧自动焊 c 0 2 气体保护焊 m i g t i g 等 的电弧 超声焊接实验 表明电弧超声可作为一种通用的方法 对于焊缝接头组织的性能 有一定的改善作用 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 i 簿援电源 激励泡檬 i l l i 倦赣线满台 信号采黧与分错 1 i 人r 轩 r 一 焊接工件 超声 探头 图1 7 电弧超声原理图 超声一t i g 复合焊 2 1 1 原理如图1 8 所示 超声换能器将电信号转化为机械振 动后 通过超声辐射头在特制的气体喷嘴构成的谐振腔内形成高能量密度的超声 场 利用高能量密度的超声场具有很好的指向性 谐振腔内的氩气原子与电弧内 氩离子成为很好的超声传递的载体 在焊接过程中 利用超声能场的特殊声学性 质 使得焊接电弧产生了明显的压缩作用 电弧的能量密度分布改变 明显增加 了电弧的挺度 电弧压力分布更加集中 焊接能量也更加的集中 稳定 进而起 到增加焊熔深度的目的 试验结果表明 超声一t i g 复合焊复方法能够获得较高 的电弧力 压力分布比常规钨极氩弧焊更接近于高斯分布 增加了焊接熔深 提 高了焊接生产效率 图1 8 超声复合电弧焊接原理图 台湾逢甲大学的d a i e 2 2 在钨极气体保护焊中将功率超声加入板材侧壁 如图 1 9 所示 实验表明 由于超声在焊缝金属中传播时 能量被吸收转化为热量 同时声流传热的指向性使得热量向下传而使熔深增加 其增加幅度达到4 5 左 右 此外 在熔化焊过程中 超声能量在焊缝金属中传播时能量的衰减能够显著 改变融合区和热影响区的微观组织 在焊接过程中加入超声后 在热影响区和过 中南大学硕士学位论文第一章绪论 热区部分晶粒尺寸减小 图1 9 超声辅助钨极气体保护焊示意图 超声钎焊铝基复合材料焊缝复合化方法1 2 3 1 是哈尔滨工业大学发明的一种焊 接方法 其原理如图1 1 0 所示 该发明解决了现有的焊接技术在焊接非连续增强 铝基复合材料时存在的焊后接头处不带有增强相的问题 超声钎焊铝基复合材料 焊缝复合化方法是通过以下步骤来实现的 首先 填充钎料 然后 初步钎焊 最后 超声波振动处理 也即实现超声钎焊铝基复合材料焊缝复合化 超声波在 此是与钎焊分开应用的 研究表明该方法获得焊接接头的力学性能及热膨胀性能 都得到了很大的改善 热膨胀系数也降低 焊缝强度接近母材的强度水平 恕垫 芦 囝 图1 1 0 超声钎焊示意图 1 2 超声对金属塑性流变的作用效应 拌摩擦焊金属流变行为主要受搅拌头强烈摩擦 搅拌和顶锻挤压的综合作 用 其中台肩的顶锻作用随着试件厚度的增加而迅速减弱 焊缝深层主要受搅拌 针的搅拌和挤压两个效应起作用 导致焊缝深层温度偏低 因而难以形成致密焊 缝组织 搅拌摩擦焊焊缝形成过程是一个金属强流变过程 塑性金属受摩擦 搅拌 挤压和顶锻多重作用 国内外已有多位学者对这一强流变过程进行了深入的研究 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 4 2 7 如s e i d e l 和r e y n o l d s 对焊接金属流变建立二维模型 u l y s s e 王大勇 冯 吉才等对搅拌摩擦焊进行三维建模研究 周鹏展以质量守恒方程 动量守恒方程 及能量守恒方程 结合材料温度特性 建立了搅拌摩擦焊热一流一固三维耦合模 型 计算结果与试验相符合 通过上述研究 基本探明了搅拌摩擦焊金属流变规 律和焊缝形成机理 超声波对金属塑性流变的作用效应最先是由b l a h a 等人于1 9 5 5 年提出 他 们发现超声振动在金属塑性成形的作用相当于温升作用 它使金属微粒产生高频 振动 热运动加剧 活性增强 内摩擦减小 金属流变抗力下降 该效应也称 b l a h a 效应 2 8 产生这种效果的原因缘于两个方面 其一是对材料内部应力产生 影响的体积效应 其二是影响塑性金属与模具间外摩擦的表面效应 2 9 1 郑金鑫 胡浩和程靳等对金属材料在超高频振动作用下的屈服点 延伸率和硬化率进行研 究 建立了材料在高频振动下的本构方程 其理论分析和实验均表明 此时材料 的本构关系发生了重大变化 3 0 在工业塑性成形生产实践中 主要将超声振动 用于超声振动拉伸 包括拉丝与拔管 已取得良好技术经济效应 截面压缩率提 高0 4 1 2 倍 拉伸力降低1 0 4 0 拉拔速度提高2 1 0 倍 模具寿命提高 3 0 5 0 3 1 3 4 1 3 超声搅拌复合焊原理 超声搅拌复合焊是本课题组贺地求教授等于2 0 0 6 年1 月发明的固相焊接方 法 专利号 2 0 0 6 1 0 0 0 4 0 5 9 3 是在搅拌摩擦焊过程中引入超声频纵向振动 利用高频振动与搅拌摩擦复合作用强化焊缝中下部金属流变行为 实现高性能铝 合金近零缺陷焊接 其基本思路是在原有搅拌摩擦焊的基础上 附加一个超声频 纵向振动 利用超声波的强振动效应 改变金属的塑性流动性为 为焊接提供新 的能量机制 搅拌摩擦焊塑性金属流变受强烈摩擦 搅拌 挤压和顶锻综合作用 其中台肩的顶锻作用随着焊缝深度的增加迅速减弱 焊缝深层主要由搅拌和挤压 两个效应起作用 加上深层温度偏低 因而难以形成致密焊缝组织 超声振动引 入后 焊缝深层金属流变同时受超声能场作用 金属在超声振动作用下 其本构 关系将发生重大变化 这将显著改变其流动模式与焊合机制 超声搅拌复合焊接 的原理如图1 11 所示 超声搅拌摩擦复合技术是通过将超声振动能量引入到焊 缝深层 利用超声振动具有的强振动效应 热学效应等作用 提高焊缝区金属的 运动能级及扩散能力 减小焊缝区金属的塑性流变阻力 提高金属塑性流动能力 从而获得高质量的焊缝 中南大学硕士学位论文第一章绪论 顶嘏挤压 超声振动 图1 1 1 超声搅拌复合焊原理图 1 4 超声搅拌复合焊研究进展 本课题组梁建章 李东辉 3 5 l 过通过对厚度为2 5 m m 的2 2 1 9 铝合金进行超声 搅拌焊接工艺与普通搅拌摩擦焊的对比研究实验 研究结果表明 超声的导入能 够在一定程度上提高焊缝强度 同时超声搅拌复合焊对焊缝晶粒具有显著的细化 和组织均匀化效果 在焊缝底部晶粒组织的细化效果更加明显 李剑等p6 j 通过 对2 5 2 4 高强铝合金进行了超声搅拌复合焊接与搅拌摩擦焊接对比实验 结果表 明超声搅拌复合焊中超声振动的导入对焊接产生了积极的效果 超声搅拌复合焊 的平均焊缝拉伸强度提高 同时晶粒得到细化 金属活性加强 焊缝金属材料流 动性提高 焊缝性能的稳定性较普通搅拌摩擦焊有了明显的提升 有效的提高焊 接质量 将超声能量导入搅拌摩擦焊技术中 在国外也有一定的研究 在本课题组 2 0 0 6 年6 月发明超声搅拌复合焊接后 美国密歇根大学k w a n g h y u np a r k 等也于 同年1 2 月提出将超声导入搅拌摩擦焊接中 不同的是该技术在焊接过程中导入 是超声波的水平横向振动 其原理如图1 1 2 所示 焊接实验表明 加入超声后 焊接力降低 降低6 1 2 5 延伸率和屈服强度提高 焊接缺陷降低 但是由 于搅拌摩擦焊过程中 搅拌针受到巨大的顶端压力和扭矩作用 焊接过程又施加 水平方向的振动 使得焊接搅拌头的寿命大大降低 同时 由于经变幅杆放大后 的超声能量是通过轴承传递到搅拌头的 造成了巨大的能量损耗 此外 水平方 向的振动并不能很好的传到焊缝底部 所以对焊缝底部的缺陷改善并不明显 而 本课题组发明的超声搅拌复合焊接系统是将变幅杆和搅拌头通过螺纹连接做成 一个整体 能够有效降低超声传递过程中的能量损耗 结构设计上也更加适合工 业化发展 中南大学硕士学位论文第一章绪论 超声变幅杼 图1 1 2 超声辅助搅拌摩擦焊接 现有研究表明超声搅拌复合焊中超声振动对焊缝起到了积极的改善效果 但 是目前的研究都没有考虑到频率对焊接的影响 频率作为超声振动系统的重要影 响参数 研究频率对焊接的影响有着重要意义 研制不同频率的超声振动系统是 目前超声搅拌复合焊的重要工作 此外 虽然现有的研究表明超声振动对焊接产 生了积极的影响 但是对于焊接过程中超声的作用机制并没有进行深入的研究 1 5 课题来源 研究意义 1 5 1 课题来源 本课题来源于国家重大基础研究项目 9 7 3 计划 航空航天用高性能轻合 金大型复杂结构件制造的基础研究 中的课题 复合能场作用下构件焊接成形及 连接区组织和服役性能控制 项目编号 2 0 1 0 c b 7 3 1 7 0 4 1 5 2 选题背景 研究意义及主要研究内容 现有的研究显示 超声搅拌复合焊较常规的搅拌摩擦焊在焊缝的力学性能等 方面有了积极的改善作用 但对于超声搅拌复合焊过程中超声波的作用效应并未 进行深入研究 超声振动对焊接产生了积极的影响 频率作为超声振动的重要参 数 研究不同频率对焊接的影响规律对探究超声波的作用机理 优化超声搅拌复 合焊接系统具有重要意义 为此 设计不同频率的超声振动系统成为目前超声搅 拌复合焊接研究的重要工作 而不同频率的超声振动系统其结构设计都不一样 尤其在超声搅拌复合焊中 振动系统需承受巨大的扭转力矩和顶端挤压作用 工 作环境极其恶劣 对设计的振动系统的结构尺寸要求很高 所以 本文将根据超 声搅拌复合焊接的工艺特点 设计两套不同频率的超声振动系统 本文将从以下几个方面进行研究 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 设计1 5 k h z 及2 5 k h z 不同频率的超声振动系统 同时用a n s y s 仿真 软件对其进行模态分析 在此基础上研制两种不同频率的超声振动系统 2 与已有的2 0 k h z 超声振动系统进行对比研究 通过阻抗分析仪和超声 振幅测量仪对研制的超声振动系统进行测量 3 通过实验探讨与分析超声搅拌复合焊中超声波的助焊效应 1 6 本章小结 本章简要综述了搅拌摩擦焊存在问题 介绍了目前搅拌摩擦复合焊接方法的 研究现状以及超声在焊接领域的运用 并对超声搅拌复合焊接的原理及研究进展 进行了总结 针对超声搅拌复合焊接的研究现状 对本文的研究意义及内容作了 简单的介绍 中南大学硕士学位论文第二章超声搅拌复合焊振动系统设计 第二章超声搅拌复合焊振动系统设计 不同频率的超声振动系统其结构设计都不一样 在超声搅拌复合焊中 振动 系统需承受巨大的轴向力和扭转力矩作用 工作环境极其恶劣 对设计的振动系 统的结构尺寸要求很高 尤其要求振动系统的长度不能太长 否则很容易导致焊 接时搅拌头晃动 造成搅拌头断裂 频率低的振动系统 波长比较大 振动系统 总长度较长 而且对人的伤害比较大 频率高的振动系统 波长较小 振动系统 长度较短 很难满足焊接过程中超声系统的装夹和超声导入等问题 此外 频率 太高将影响搅拌头的寿命 综合考虑 本章将根据超声搅拌复合焊接的工艺特点 设计1 5 k h z 和2 5 k h z 两种不同频率的超声振动系统 2 1 超声搅拌复合焊振动系统的组成 超声搅拌复合焊接振动系统主要由超声波电源 超声换能器 超声波变幅杆 及超声工具头等组成 其结构示意图如图2 1 所示 图2 1 超声搅拌复合焊振动系统示意图 2 1 1 超声波电源 超声振动系统中超声波电源的作用是把我们的市电转换成与换能器相匹配 的交流电信号 超声电源主要是由驱动电路 整流滤波电路 高频逆变电路及超 声匹配电路四部分组成 其中 驱动电路的作用是提供超声频脉冲控制信号 整 流滤波电路是将工频交流电转化为电压可控的直流电 高频逆变电路是在控制信 号的作用下把直流电转化为超声电信号 然后通过网络匹配调谐及滤波等处理后 形成超声振动所需要的高频正弦波电信号 以驱动超声换能器产生振动 目前超 声波电源主要分为自激式和他激式两种 自激式没有信号源 通过形成振荡 功 率放大及输出变压器集为一体的闭环回路 该回路同时满足幅度 相位反馈及谐 中南大学硕士学位论文第二章超声搅拌复合焊振动系统设计 振频率与换能器的机械共振频率相同的条件 因自激频率完全取决于超声波振动 系统的共振频率 超声波振动系统若更换工具或工具头磨损 部件受热等都将使 系统的共振频率发生变化 为保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态 可 通过 电反馈 或 声反馈 使超声波电源的工作频率能自动跟踪变化 他激式 超声波发生器主要由放大器和振荡器两部分组成 一般以输出变压器耦合的方式 将超声能量加到换能器上 实验所用超声波发生器是采用经典的模拟电路控制的超声波发生器 该电源 以自激式发生器为主 具有频率快 成本低 制作简便等优点 图2 2 为1 5 k h z 频率下超声搅拌复合焊接试验所用电源 图2 21 5 k h z 超声电源 2 1 2 超声波换能器 超声换能器是进行能量转换的器件 它是把超声波发生器提供的超声频电振 荡信号转变成超声频机械振动 按照换能器将电信号转换为机械振动信号的物理 效应 可以将功率换能器分为压电换能器 磁致伸缩换能器等 磁致伸缩换能器 3 7 是利用某些材料具有的磁致伸缩效应而制的一种机声转 换器件 如铁磁材料 陶瓷材料等 磁致伸缩换能器具有强度高 调节方便 使 用安全可靠 容易掌握等优点 e l l t 该换能器使用寿命比较长 性能较稳定 功 率容量较大 但是磁致伸缩换能器同时存在声电转换效率低 发热量较多 材料 加工制造困难以及激励电路较复杂等缺点 压电式换能器通过各种具有逆压电效应的电介质将电信号转换成声信号 从 而完成能量的转换 常用的电介质有石英晶体 钛酸钡以及锆钛酸铅等物质 压 电效应是指 压电材料在固定方向外力下 在其两端表面上会产生一定的电荷而 形成一定的电位差 相反 当在压电材料的两端面上施加电压时 其端面也会出 中南大学硕士学位论文 第二章超声搅拌复合焊振动系统设计 现机械伸长与压缩变形 这种现象称为逆压电效应 需要指出的是 压电效应是 在一定阀值下才存在的 当压电材料的温度超过一定的值时 压电效应便不再存 在 这一临界温度称为压电材料的居里温度 也称为居里点 压电式换能器具有尺寸小 机械强度低 瞬时输出功率高等优点 由于其具 有声电转换效率高的特点 因此对振动系统的设计制造及调整安装精度有较高的 要求 现有的超声振动系统一般都采用夹心式压电陶瓷换能器 陶瓷材料的优点 包括 声电转换效率高 容易成型 可以加工成圆盘 圆环 圆筒 圆柱 球形 等各种形状 改变其中成分可以得到性能不相同的超声换能器 造价低 性能稳 定 适于大规模推广与使用 所以压电陶瓷材料是目前超声研究及应用中极为常 用的材料 当然压电陶瓷也存在脆性大 抗张强度低以等缺点 本文设计的换能 器类型为压电陶瓷换能器 3 2 1 3 超声变幅杆 变幅杆是一个无源器件 作为功率超声系统中的重要器件之一 超声波变幅 杆的主要作用是改变换能器的振幅 把机械振动的质点位移和运动速度进行放 大 同时将超声能量聚集到较小的面积上 在超声振动系统工作过程中 超声变幅杆自身不能产生振动 只是将换能器 输入的振动振幅改变后再传递出去 同时实现了阻抗的改变 超声换能器在合适 的电场激励下产生的振动振幅一般只有l o p m 左右 但是在超声加工 超声焊接 及超声金属成型等超声波应用场合中所需要的振动振幅一般为几十到几百微米 因此必须通过变幅杆将振动质点的位移量及运动速度放大 在换能器端部连接上 合理设计的变幅杆后 超声波振幅能够实现在大范围内发生变化 在材料强度足 够的情况下 经放大后的振幅可以超过l o o g m 除此之外 在超声振动系统中通 常会利用变幅杆的节面将整个系统固定 从而降低超声传递过程中的能量损耗 同时 变幅杆还具有实现机械阻抗变换器的功能 使换能器和声负载能够更好地 匹配 常用的简单变幅杆有圆柱形 指数形 圆锥形 阶梯形 悬链线形等几种类 型 如图2 3 所示 这些简单形状的变幅杆各有优缺点 阶梯型变幅杆有较大的 放大系数 但是形状因数很小 一般都小于1 加工效率较低 圆锥形变幅杆 放大系数很小 但形状因数较大且易于制造 而悬链形和指数形变幅杆的形状因 数和放大系数都不是很大 而且不容易制造 4 2 小 工程上常见的变幅杆如图2 4 所示 复合型变幅杆是根据实际需要将各种简单形状变幅杆组合而成的 中南大学硕士学位论文第二章超声搅拌复合焊振动系统设计 a a 阶梯形b 指数形c 悬链形d 圆锥形 图2 3 几种简单类型变幅杆 图2 4 常见变幅杆 2 1 4 搅拌头 为了保证安装同轴度以及方便拆卸 在本文设计的超声搅拌复合系统中 搅 拌头和变幅杆是通过螺纹连接连为一体的 因为焊接过程中 搅拌头在作高速旋 转搅拌的同时 还附加了超声波的强烈震动作用 搅拌针会出现一定程度的磨损 而且有时会出现断头的情况 所以搅拌头与变幅杆设计成螺纹连接 对于搅拌头 的更换非常方便 一般搅拌头的质量不能