SiCp/6061Al基复合材料超声频脉冲等离子弧原位合金化焊接的研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料以其高的比强度、比刚度、比模量、优异的耐磨性能以及在性能和加工方面较强的可设计性等特点，在航天、航空、汽车工业、光学仪器和体育用品等领域具有重要的应用价值。但是，铝基复合材料的焊接性很差，是其走向工业化必须克服的“瓶颈”。为此，本研究提出了一种超声频脉冲等离子弧原位合金化焊接的新方法，为铝基复合材料的应用探索了一条新思路。 通过将小功率超声频脉冲电源与等离子焊机并联，超声频交流信号经过阻容耦合进入焊接回路，建立了超声频脉冲等离子弧焊接系统，使等离子焊接电弧受外加高频调制，其作为焊接热源的同时成为一种可控的超声发射源。本文以SiCp/6061AlMMCs为研究对象，研究了超声频脉冲等离子弧原位合金化焊接工艺对接头组织与性能的影响，并对焊接冶金机理进行了系统的分析。利用金相显微镜、扫描电镜及X射线衍射分析仪研究了不同焊接工艺下铝基复合材料的焊接接头组织及成分的变化，进行硬度及拉伸试验，探讨了影响等离子弧焊接接头力学性能的因素。 试验结果表明，将超声频激励信号引入SiCp/6061Al基复合材料等离子弧原位合金化工艺过程中，以Ti-60Al为填充材料，Ar+N2为离子气，Ar为保护气，能有效抑制脆性相Al4C3的形成，在焊缝中形成了Al3Ti、TiC、TiN等新生增强相；在脉冲调制频率30KHz的情况下对等离子焊接电弧施以超声频调制，可以激励出相应频率的超声信号，较之未施加激励信号时，由于超声振动直接作用于焊接熔池，明显细化了焊缝区组织，使得增强颗粒趋向于均匀分布，提高了焊接接头的强度，达到了240MPa。 对不同激励频率作用下焊缝中的增强颗粒分布情况进行观察，发现随着超声频率的提高，颗粒分布越均匀。尤其是在谐振区间内的40KHz、50KHz时，颗粒分布较其他频率段均匀，直接影响了接头强度的提高，在40KHz时焊接接头的强度最大达到了263MPa。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2铝基复合材料的焊接现状

1.3超声在焊接控制中的作用

1.4电弧超声技术及应用现状

1.4.1 电弧超声在焊接中的应用

1.4.2电弧超声在电弧喷涂中的应用

1.5本文研究目的及内容

第二章超声频脉冲等离子弧焊接系统的建立及试验方法

2.1 超声频脉冲等离子弧焊接系统的设计

2.2试验过程

2.2.1试验材料

2.2.2显微硬度测量

2.2.3接头拉伸性能测试

2.2.4金相组织观察

2.2.5扫描电镜组织观察

2.2.6 X射线衍射相分析

第三章超声频脉冲等离子弧激励机理

3.1激励电弧振动特性

3.2超声频等离子弧的力学机制

3.3 电弧超声的谐振特性

第四章超声频脉冲等离子弧原位合金化焊接研究

4.1 引言

4.2填加Ti-Al时超声频脉冲等离子弧原位合金化焊接工艺

4.2.1填充材料的作用机理

4.2.2超声频脉冲对焊缝组织晶粒细化的影响

4.2.3 电弧超声对焊接接头硬度的影响

4.2.4电弧超声对接头抗拉强度的影响

4.3本章小结

第五章激励频率对SiCp/6061Al增强颗粒分布的影响

5.1 引言

5.2脉冲频率对颗粒增强体分布的影响

5.3脉冲频率对接头力学性能的影响

5.4本章小结

第六章结论

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表的论文