范成磊，陳琪昊，林三寶，楊春利

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

超聲在電弧焊接中的應(yīng)用

范成磊，陳琪昊，林三寶，楊春利

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

超聲場(chǎng)作為一種高效清潔的物理場(chǎng)在電弧焊接中具有越來(lái)越多的應(yīng)用。在電弧焊接過(guò)程中，引入超聲，可以有效改善電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡以及焊縫組織，最終提高焊接接頭力學(xué)性能。超聲在電弧焊接過(guò)程中的應(yīng)用特點(diǎn)主要與超聲施加方法有關(guān)，不同的超聲施加方法具有不同的特點(diǎn)，根據(jù)不同的超聲施加方法可將超聲電弧復(fù)合焊接分為不同類型。主要綜述了電弧超聲技術(shù)、超聲與電弧同軸復(fù)合、超聲作用于焊絲以及超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫表面 4種技術(shù)的各自特點(diǎn)及研究進(jìn)展，著重分析了不同技術(shù)的設(shè)備特點(diǎn)及其對(duì)組織與力學(xué)性能的影響。最后對(duì)該方向的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其發(fā)展前景和主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

電弧焊；超聲；組織；力學(xué)性能

超聲是一種頻率高于20 kHz的機(jī)械振動(dòng)。超聲具有許多特點(diǎn)：首先是頻率高，波長(zhǎng)短，具有良好的定向性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)及醫(yī)學(xué)檢測(cè)，這種超聲一般被稱為檢測(cè)超聲；其次功率大，能量高，可以用于加工領(lǐng)域，此種超聲被稱為功率超聲。功率超聲在加工制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如超聲輔助焊接及超聲輔助鑄造等，通過(guò)超聲特有的效應(yīng)可以改善加工效果，提高最終加工成品的使用性能。

超聲波與物質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列獨(dú)特的效應(yīng)，如力學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等，利用這些效應(yīng)可以改善加工環(huán)境，提高加工質(zhì)量。在電弧焊過(guò)程中施加超聲，當(dāng)超聲作用于電弧或者熔池時(shí)，會(huì)改變電弧形態(tài)，影響熔滴過(guò)渡、熔池流動(dòng)及凝固，可以細(xì)化焊縫晶粒及減少氣孔，最終提高接頭力學(xué)性能[1]。

對(duì)于超聲輔助電弧焊接技術(shù)，從研究開始至今，根據(jù)不同的超聲復(fù)合方法，可將其分為以下幾類：①電弧超聲，超聲頻的電信號(hào)激發(fā)電弧產(chǎn)生超聲，超聲作用于電弧以及熔池；② 超聲與電弧同軸復(fù)合，超聲發(fā)射端發(fā)出超聲，超聲與電弧及熔滴相互作用，改變電弧形態(tài)同時(shí)改善熔滴過(guò)渡。另外超聲通過(guò)電弧可作用于熔池，影響熔池凝固；③ 超聲作用于焊絲，通過(guò)焊絲作用于熔池，最終改善焊縫組織；④ 超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫上，超聲通過(guò)固體母材傳入熔池內(nèi)部，影響熔池的流動(dòng)及凝固。對(duì)4類超聲輔助電弧焊技術(shù)的研究主要包括設(shè)備研發(fā)、焊接效果的分析與評(píng)價(jià)、超聲作用機(jī)理研究幾個(gè)方面。設(shè)備研發(fā)及焊接效果分析與評(píng)價(jià)兩個(gè)方向研究相對(duì)較多，然而隨著焊接效果研究的深入，超聲作用機(jī)理的研究也越來(lái)越受到重視。下面對(duì)不同的超聲輔助電弧焊技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 電弧超聲技術(shù)

如何有效地將超聲與電弧焊過(guò)程進(jìn)行復(fù)合，這是超聲電弧復(fù)合焊接技術(shù)的重點(diǎn)。電弧超聲技術(shù)是最早將超聲引入電弧焊過(guò)程中的方法。1999年清華大學(xué)吳敏生教授首次提出電弧超聲技術(shù)，利用高頻電流調(diào)制電弧，激勵(lì)電弧產(chǎn)生超聲波[2]。對(duì)鈦合金的電弧超聲焊接研究表明，電弧超聲TIG焊接頭，隨著超聲頻率的增加和激勵(lì)電壓的增大，焊縫區(qū)組織逐漸細(xì)化、等軸化，接頭寬度有所降低，接頭拉伸性能有所提高[3]。通過(guò)對(duì)電弧超聲的傳播特征及其對(duì)熔合區(qū)影響的研究表明，電弧超聲在熔池中為縱波傳播，在固液界面處存在反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等，在母材中的聲波經(jīng)多次反射后形成穩(wěn)態(tài)的聲場(chǎng)；電弧超聲在熔合線附近存在較強(qiáng)的振蕩，產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)能夠細(xì)化熔合區(qū)的晶粒組織。由于電弧超聲指向性的存在，熔合區(qū)中間的晶粒細(xì)化程度優(yōu)于兩側(cè)焊趾處[4—8]。

上海第二工業(yè)大學(xué)王建軍等提出了電弧超聲激勵(lì)共熔池雙鎢極氬弧焊接方法。焊接過(guò)程中，普通直流TIG電弧與超聲頻電弧共同作用形成熔池。普通直流TIG電弧作為主熱源用于熔化母材，而超聲電弧使熔池中產(chǎn)生超聲振動(dòng)，設(shè)備示意圖見圖1。使用此焊接方法對(duì) 304不銹鋼進(jìn)行焊接，結(jié)果表明，與普通TIG焊接頭相比，電弧超聲激勵(lì)共熔池雙鎢極氬弧焊后接頭拉伸性能明顯提高[9]。

江蘇大學(xué)雷玉成等人在此基礎(chǔ)上，解決了超聲與交流電弧隔離耦合困難的問題，實(shí)現(xiàn)了超聲激勵(lì)電源與交流弧焊電源之間的電隔離和耦合，在交流電弧中激發(fā)出了超聲[10—11]。應(yīng)用此技術(shù)，對(duì) SiCp/6061Al基復(fù)合材料進(jìn)行焊接，結(jié)果表明，電弧超聲可使新生Al3Ti相明顯細(xì)化；新生顆粒增強(qiáng)相AlN, TiN增多，且分布更為均勻；晶間偏析富 Si相也隨頻率的提高而大幅減少[12—13]。

圖1 雙電弧焊接系統(tǒng)示意圖[9]Fig.1 Schematic of twin-arc system

脈沖電流焊接時(shí)，周期性變化的電弧壓力對(duì)熔池的攪拌作用能夠破碎枝晶，促進(jìn)焊縫晶粒細(xì)化。當(dāng)脈沖頻率達(dá)到超聲頻率時(shí)，電弧形態(tài)和熱分布將發(fā)生顯著變化，熔池受到超聲波振動(dòng)后，可改善熔池物理化學(xué)冶金過(guò)程及增加熔池流動(dòng)性?；诖嗽恚曨l脈沖焊接技術(shù)被提出。哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利教授將頻率為20 kHz的超聲頻脈沖電流應(yīng)用于變極性焊接過(guò)程。對(duì)2219-T6鋁合金進(jìn)行焊接，與常規(guī)變極性焊接接頭相比，抗拉強(qiáng)度明顯提高[14]。北京航空航天大學(xué)齊鉑金利用超聲頻脈沖 GTAW 焊接方法對(duì)0Cr18Ni9Ti不銹鋼及2219鋁合金進(jìn)行焊接，研究表明，使用超聲頻脈沖方法可以使焊縫晶粒細(xì)化、接頭強(qiáng)度提高[15—17]。日本大阪大學(xué)的學(xué)者M(jìn)orisada使用高頻TIG對(duì)A1050鋁合金進(jìn)行橫焊，研究了不同頻率對(duì)除氣效果的影響，結(jié)果表明，當(dāng)頻率為 15 kHz時(shí)，焊縫中氣孔率最低[18]。

2 超聲與電弧同軸復(fù)合

哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利教授課題組通過(guò)將超聲發(fā)射端與焊槍同軸復(fù)合，成功將超聲引入到 GTAW 及GMAW焊接過(guò)程中。在GTAW焊接或者GMAW焊接中，超聲發(fā)射端發(fā)射超聲，超聲作用于電弧以及熔滴，進(jìn)而傳播到熔池內(nèi)部，改善焊接效果。下面從設(shè)備特點(diǎn)、超聲對(duì)電弧的影響、超聲對(duì)熔滴過(guò)渡的影響、電弧內(nèi)聲場(chǎng)分布、超聲對(duì)焊縫微觀組織及力學(xué)性能的影響5個(gè)方面對(duì)該技術(shù)的研究成果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 設(shè)備特點(diǎn)

設(shè)備主要包括焊接系統(tǒng)以及超聲發(fā)射系統(tǒng)兩部分。焊接系統(tǒng)主要包括焊接電源、焊槍及冷卻系統(tǒng)；超聲發(fā)射系統(tǒng)包括超聲電源、換能器及發(fā)射端等部分。換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)經(jīng)變幅桿通過(guò)發(fā)射端傳遞到電弧空間。超聲換能器與焊槍同軸復(fù)合，聲發(fā)射系統(tǒng)中心與焊槍中心一致，避免對(duì)電弧造成偏吹。利用聲發(fā)射系統(tǒng)的軸向中心通孔可以實(shí)現(xiàn)焊接電極的導(dǎo)電功能，電極通過(guò)通孔與外部電纜進(jìn)行連接，電極既可以是非熔化極的鎢極，又可以是熔化極的焊絲。電極與軸孔間預(yù)留一定的間隙，可以避免超聲發(fā)射系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)之間的電干擾[19—22]。

超聲電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)設(shè)備見圖 2，包括超聲-GTAW復(fù)合以及超聲-GMAW復(fù)合。超聲與GTAW焊槍同軸復(fù)合后，超聲從發(fā)射端發(fā)出，作用于電弧，改變電弧形態(tài)，最終傳入熔池內(nèi)。超聲與GMAW焊槍同軸復(fù)合后，超聲經(jīng)發(fā)射端發(fā)出后，會(huì)同時(shí)作用于熔滴及電弧，最終傳入熔池，改善最終焊接效果。

圖2 超聲電弧同軸復(fù)合式設(shè)備Fig.2 Coaxial combined type equipment of ultrasonic and arc

變幅桿端面形狀對(duì)復(fù)合焊接效果具有較大的影響，哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利教授課題組也對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，開發(fā)出了不同端面形狀的變幅桿，從最初的平面，到球冠面、旋轉(zhuǎn)拋物面及旋轉(zhuǎn)雙曲面等。

2.2 超聲對(duì)電弧特性的影響

超聲與電弧復(fù)合后，電弧特性產(chǎn)生明顯的變化，見圖3。

圖3 電弧形貌[23]Fig.3 Appearance of arc

研究表明，在超聲-GMAW焊接過(guò)程中，電弧弧長(zhǎng)與超聲發(fā)射端的高度、超聲波振幅及輻射端直徑密切相關(guān)。文獻(xiàn)[24]對(duì)比了GMAW和超聲-GMAW電弧兩種焊接方法電弧長(zhǎng)度的不同，結(jié)果表明，超聲-GMAW 復(fù)合焊接電弧長(zhǎng)度隨電弧電壓增加率低于GMAW焊接過(guò)程，見圖4[24]。超聲-GMAW復(fù)合焊接電弧中心亮度明顯提高，電弧形態(tài)更穩(wěn)定。焊接電流對(duì)電弧收縮的影響同樣顯著，隨著焊接電流的增大，超聲對(duì)GMAW電弧收縮的作用效果逐漸減弱。對(duì)超聲-GMAW復(fù)合焊接電弧導(dǎo)電特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究表明當(dāng)送絲速度相同時(shí)，超聲-GMAW復(fù)合焊接的弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到普通GMAW弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度的2.6倍，有助于提高電弧溫度和電弧的穩(wěn)定性[19]。

圖4 焊接電壓與電弧長(zhǎng)度的關(guān)系[24]Fig.4 Relationship between welding voltage and arc length

哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫清潔對(duì)超聲-GTAW 焊接電弧行為進(jìn)行了重點(diǎn)研究。與普通GTAW焊接電弧徑向電弧壓力相比，超聲-GTAW焊接電弧徑向電弧壓力明顯提高，見圖5[25]。超聲-GTAW焊接電弧壓力分布與電弧長(zhǎng)度、焊接電流以及噴嘴高度有直接關(guān)系[26]。超聲輻射端面形狀對(duì)電弧壓力具有較大的影響，變幅桿端面由平面變?yōu)榘济婧?，電弧壓力明顯增大。

圖5 電弧壓力徑向分布[25]Fig.5 Radial distribution of arc pressure

哈爾濱工業(yè)大學(xué)謝偉峰對(duì)超聲場(chǎng)下超聲特性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。結(jié)果表明，超聲復(fù)合電弧在內(nèi)外聲場(chǎng)共同作用下，等離子體拘束程度明顯提高，電弧亮度增強(qiáng)，弧柱高溫區(qū)范圍擴(kuò)展至陽(yáng)極，中間粒子出現(xiàn)團(tuán)聚并以一定頻率上下抖動(dòng)。通過(guò)改變超聲激勵(lì)電流大小和聲發(fā)射端高度，電弧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著變化，在諧振點(diǎn)附近，電弧挺直度最強(qiáng)，脈動(dòng)頻率最大[27]。

2.3 超聲對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

與常規(guī)GMAW方法相比，超聲-GMAW復(fù)合方法的電弧特征發(fā)生了顯著變化，電弧行為的變化直接影響到熔滴過(guò)渡過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，施加超聲后，熔滴過(guò)渡行為發(fā)生了明顯變化。短路過(guò)渡模式的電壓規(guī)范區(qū)間范圍明顯擴(kuò)大；滴狀過(guò)渡和噴射過(guò)渡的規(guī)范區(qū)間提高；高電壓區(qū)間不穩(wěn)定過(guò)渡過(guò)程完全消失。在相同的焊接電壓下，超聲-GMAW復(fù)合焊接短路過(guò)渡頻率明顯提升，短路過(guò)程更穩(wěn)定。發(fā)生穩(wěn)定短路過(guò)渡的電壓范圍擴(kuò)大，減弱了短路過(guò)渡對(duì)焊接電壓的依賴性，見圖6[28]。

圖6 不同焊接電壓下短路過(guò)渡頻率[28]Fig.6 Short circuit transition frequency at different welding voltages

短路過(guò)渡在不同電壓規(guī)范區(qū)間呈現(xiàn)不同變化特點(diǎn)，在低電壓區(qū)間，普通GMAW短路過(guò)程比較穩(wěn)定，施加超聲后熔滴尺寸進(jìn)一步減小，短路頻率提高，短路峰值電流降低。在中等電壓區(qū)間，普通GMAW熔滴尺寸偏大，過(guò)渡頻率低，飛濺較大。施加超聲后短路過(guò)渡連續(xù)穩(wěn)定，飛濺減小。在高電壓區(qū)間由自由過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪愤^(guò)渡[19]。在滴狀過(guò)渡模式下，超聲使熔滴發(fā)生變形，在焊絲軸向方向上熔滴被拉長(zhǎng)，并且熔池尺寸減小，熔滴過(guò)渡頻率增大[29]。

聲場(chǎng)及焊接參數(shù)對(duì)熔滴過(guò)渡具有較大的影響，超聲激勵(lì)電流增大時(shí)，熔滴體積逐漸減小，但當(dāng)超聲激勵(lì)電流達(dá)到150 mA后，繼續(xù)增加超聲激勵(lì)電流，熔滴體積變化較小。焊接電流增加，熔滴過(guò)渡頻率加快。對(duì)仰焊、仰45°向上焊、立向上焊以及俯45°向上焊4個(gè)不同焊接位置的熔滴過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)施加超聲后，因受軸向力和徑向輻射力作用，4個(gè)位置均不同程度顯示出更強(qiáng)的焊接穩(wěn)定性，熔滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)[22]。

2.4 電弧空間內(nèi)聲場(chǎng)分布

電弧空間中聲壓分布對(duì)超聲電弧復(fù)合焊接效果具有顯著的影響。對(duì)電弧空間聲壓分布的正確認(rèn)識(shí)是研究超聲電弧復(fù)合焊接重要的基礎(chǔ)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫清潔對(duì)具有平面發(fā)射端的超聲-GTAW電弧空間聲壓分布進(jìn)行了研究，對(duì)比了兩種不同情況的聲場(chǎng)分布，一種假設(shè)超聲從發(fā)射端發(fā)出后在振動(dòng)前方無(wú)反射面，另一種認(rèn)為在超聲振動(dòng)前端存在反射面，結(jié)果表明，兩種情況下聲場(chǎng)均為中心對(duì)稱分布，聲壓最大值出現(xiàn)在輻射端的軸線上。無(wú)限區(qū)域內(nèi)聲場(chǎng)分布隨著距輻射端面距離增加，有散射現(xiàn)象出現(xiàn)，而在有反射面情況下超聲散射不明顯，見圖7[20]。

圖7 超聲聲場(chǎng)計(jì)算[20]Fig.7 Calculation of acoustic field

變幅桿端面形狀、頻率及發(fā)射端高度等參數(shù)都會(huì)對(duì)電弧空間中聲場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。研究表明：頻率為28 kHz時(shí)，研究范圍內(nèi)近場(chǎng)區(qū)對(duì)聲場(chǎng)諧振特性無(wú)影響；提高至40 kHz以后，諧振曲線發(fā)生畸變，但發(fā)射端高度大于15 mm以后，畸變非常小，可以忽略。頻率和變幅桿端面輸出振幅提高后，聲壓幅值增大。變幅桿端面形狀變?yōu)榍拾霃绞?1 mm的凹面后，聲壓幅值提高，聲場(chǎng)分布得到改善[21]。

對(duì)超聲-GMAW電弧空間聲場(chǎng)研究表明：在發(fā)射端-反射端的聲場(chǎng)形式下，聲場(chǎng)各參量以反射面為起點(diǎn)具有固定的空間分布模式。輻射端高度對(duì)聲場(chǎng)各參量的幅值影響最大，在聲場(chǎng)發(fā)生諧振的輻射端高度下，聲壓、振速和聲輻射力的幅值同時(shí)達(dá)到最大。聲壓和振速幅值及超聲振幅成正比，而聲輻射力幅值與振幅變化的平方成正比。聲壓和振速的幅值與超聲發(fā)射端直徑的平方成正比，聲輻射力的幅值與其變化的四次方成正比[19]。

超聲輔助電弧是在與電弧同軸方向施加非接觸式超聲振動(dòng)，在聲發(fā)射端與工件之間的區(qū)域形成一個(gè)聲輻射場(chǎng)，電弧在外加超聲場(chǎng)作用下，受到聲場(chǎng)附加力作用，電弧軸向和徑向均出現(xiàn)不同程度的壓縮現(xiàn)象，即聲拘束效應(yīng)。聲拘束效應(yīng)對(duì)焊接飛濺、熔滴過(guò)渡及焊接效率均會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。聲場(chǎng)參數(shù)對(duì)聲拘束效應(yīng)具有明顯的影響。通過(guò)優(yōu)化聲場(chǎng)，可獲得較好的聲拘束。結(jié)果表明采用小的中心通孔，大的發(fā)射端面以及合適的曲率可以有效提高聲拘束力。相比于旋轉(zhuǎn)拋物面以及旋轉(zhuǎn)單曲面發(fā)射端，球面聲發(fā)射端對(duì)提高聲輻射力具有較好的效果，見圖8，其中D為發(fā)射端深度，λ為空氣中聲波波長(zhǎng)[30]。

圖8 3種發(fā)射端聲輻射力隨凹面深度的變化[30]Fig.8 Change of emissive power from 3 transmitting terminals with concave surface

2.5 超聲對(duì)焊縫微觀組織和接頭力學(xué)性能的影響

超聲與電弧復(fù)合后，不僅改變了電弧形態(tài)，影響了熔滴過(guò)渡，還對(duì)最終接頭組織及力學(xué)性能產(chǎn)生影響。不銹鋼超聲-GTAW 焊接結(jié)果表明，施加超聲后熔深有所增加，深寬比增大，焊縫結(jié)晶方式由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的樹枝晶和等軸晶，晶粒度減小，熔合區(qū)組織均勻化，見圖9[31]。

圖9 焊縫熔合區(qū)微觀組織[31]Fig.9 Microstructures of fusion zone

對(duì)2219, LD10, LF6及ZL114A等多種鋁合金材料的超聲-交流 TIG復(fù)合焊接過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)超聲可減小鋁合金焊接接頭中晶粒尺寸，使熔池金屬的結(jié)晶方式從樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致接頭組織得到改善[32]。超聲頻率對(duì)焊縫微觀組織和力學(xué)性能有顯著的影響，對(duì)比了28 kHz及40 kHz兩種頻率下的2219鋁合金超聲-GTAW焊接結(jié)果，結(jié)果表明，超聲的施加對(duì)于熱影響區(qū)的回復(fù)軟化、熔合區(qū)尺寸減小、成分均勻化、焊縫中心組織細(xì)化作用效果明顯；使得第二相在熔合區(qū)的分布均勻、形態(tài)窄小；使焊縫中間第二相分布均勻，尺寸小且彌散，并且當(dāng)超聲頻率為28 kHz時(shí)效果最好。超聲的施加明顯提高了接頭的拉伸性能，28 kHz的抗拉強(qiáng)度最高為274.9 MPa，相比于普通TIG提高了12.85%[33]。

采用了普通TIG焊和超聲復(fù)合TIG焊對(duì)2 mm厚度的2195鋁鋰合金進(jìn)行了平板對(duì)接焊，并對(duì)兩種焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于超聲的作用效果，超聲TIG焊的焊縫具有更加致密的組織，熔合區(qū)附近的等軸細(xì)晶區(qū)域較寬。拉伸性能測(cè)試表明，超聲TIG焊接頭具有較高的拉伸性能，接頭強(qiáng)度系數(shù)比普通TIG焊提高6.7%，斷后伸長(zhǎng)率提高1.36%，拉伸接頭均斷裂在熱影響區(qū)硬脆的晶界相內(nèi)，顯微硬度測(cè)試表明超聲TIG焊接頭受熱影響軟化區(qū)域較窄[34]。

2014鋁合金超聲-GTAW焊接結(jié)果表明，超聲對(duì)焊縫中氣孔具有明顯的影響。施加超聲以后焊縫中大氣孔數(shù)目減少，甚至消失。與普通 GTAW 焊接接頭相比，力學(xué)性能得到提高[35]。

在超聲-GMAW復(fù)合焊接研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接熱輸入增加超過(guò)一定范圍后，電弧等離子體的壓縮率變小，熔滴所受附加力也逐漸降低，這些都顯示出溫度場(chǎng)對(duì)聲場(chǎng)特性的不利影響。為了降低溫度場(chǎng)對(duì)聲場(chǎng)造成的持續(xù)性影響，哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利課題組發(fā)明了一種脈沖超聲輔助電弧焊，實(shí)現(xiàn)超聲能量與脈沖電流同相和異相加載。與連續(xù)超聲相比，脈沖超聲輔助電弧焊電弧長(zhǎng)度進(jìn)一步縮短、熔滴尺寸進(jìn)一步減小、電子溫度增大同時(shí)熔滴過(guò)渡頻率也增大。焊縫晶粒細(xì)化明顯，接頭力學(xué)性能提高[36]。

3 超聲作用于焊絲

日本新瀉大學(xué)T. Watanabe發(fā)明了一種焊絲超聲振動(dòng)的復(fù)合焊接方法，超聲作用于焊絲并且通過(guò)焊絲傳入熔池內(nèi)部。該種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備使用性廣，不受焊件尺寸的限制。

3.1 設(shè)備特點(diǎn)

設(shè)備示意圖見圖 10，焊絲通過(guò)導(dǎo)管與超聲變幅桿相連，超聲波作用于焊絲，使焊絲產(chǎn)生超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)通過(guò)焊絲傳入到熔池內(nèi)部。

圖10 焊絲振動(dòng)輔助焊接設(shè)備示意圖[37]Fig.10 Schematic of apparatus for welding with ultrasonic vibration induced by filler metal

3.2 超聲對(duì)焊縫微觀組織和接頭力學(xué)性能的影響

鐵素體不銹鋼焊接結(jié)果表明，在低焊接速度條件下，施加超聲后焊縫內(nèi)晶粒明顯細(xì)化，高焊接速度時(shí)，施加超聲后晶粒細(xì)化不明顯。接頭力學(xué)性能測(cè)試表明，施加超聲后拉伸強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率都明顯提高[37]。

4 超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫表面

相比于超聲與電弧或者焊絲復(fù)合，直接將超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫表面技術(shù)簡(jiǎn)單、設(shè)備制造容易、超聲與電弧或者焊絲之間的干擾較小。超聲通過(guò)固體母材及焊縫傳入焊接熔池，影響熔池的流動(dòng)及凝固，改善焊縫微觀組織，提高接頭力學(xué)性能。

4.1 設(shè)備特點(diǎn)

歸納起來(lái)主要有3種焊接方法，相應(yīng)的設(shè)備特點(diǎn)如下。

1) 將超聲波工具頭固定在固體母材上，在焊接過(guò)程中超聲波通過(guò)固體母材傳入到熔池內(nèi)，焊接過(guò)程中超聲工具頭始終固定在母材表面某一位置，熔池和超聲工具頭之間距離隨焊接進(jìn)行逐漸增大，設(shè)備示意圖見圖11。

圖11 超聲輔助焊接設(shè)備示意圖[38]Fig.11 Schematic of ultrasonic assisted welding equipment

2) 在大尺寸板、長(zhǎng)距離焊接時(shí)，當(dāng)超聲工具頭固定在母材表面時(shí)，隨熔池與超聲輸入位置之間距離的增大，熔池內(nèi)聲場(chǎng)強(qiáng)度勢(shì)必會(huì)有一定程度的下降，為了克服這一不利影響，哈工大提出隨焊超聲沖擊焊接方法，在焊接過(guò)程中利用超聲工具頭對(duì)焊縫表面進(jìn)行沖擊，間斷性的超聲通過(guò)固體母材傳入熔池，影響熔池冶金過(guò)程，焊接過(guò)程中超聲輸入位置和熔池之間的距離保持不變；對(duì)焊縫表面進(jìn)行超聲沖擊，不僅可以向熔池內(nèi)引入間斷性超聲，避免連續(xù)超聲對(duì)熔池熔體造成的飛濺，同時(shí)還起到了焊后沖擊處理去應(yīng)力的作用。設(shè)備示意圖見圖12。

圖12 隨焊超聲沖擊焊接試驗(yàn)設(shè)備示意圖[39]Fig.12 Schematic of experimental apparatus of ultrasonic impact during TIG welding

3) 隨焊超聲沖擊焊接方法雖然實(shí)現(xiàn)了熔池內(nèi)間斷超聲的引進(jìn)，但是超聲工具頭不斷地對(duì)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械沖擊，對(duì)超聲工具頭具有不利的影響，會(huì)引起超聲工具頭的損耗及破壞。為了解決這一問題，將超聲工具頭設(shè)計(jì)為滾動(dòng)式，在焊接過(guò)程中輪式超聲工具頭在固體母材表面滾動(dòng)，周期性超聲通過(guò)固體母材傳入熔池，影響熔池流動(dòng)及凝固，焊接過(guò)程中超聲輸入位置和熔池之間的距離保持不變，設(shè)備示意圖見圖13。

圖13 試驗(yàn)設(shè)備示意圖[40]Fig.13 Schematic of the experimental setup

4.2 超聲對(duì)焊縫微觀組織和接頭力學(xué)性能的影響

臺(tái)灣逢甲大學(xué)Dai在7075-T6鋁合金GTAW焊接過(guò)程中，將超聲通過(guò)固體母材傳入熔池，結(jié)果表明，施加超聲后焊縫區(qū)和熱影響區(qū)晶粒細(xì)化，同時(shí)焊縫硬度增大[38]。美國(guó)田納西大學(xué) Cui在對(duì)不銹鋼手工電焊條焊接過(guò)程中，從母材背面引入超聲，研究表明，施加超聲后，可以使焊縫微觀組織由柱狀晶變?yōu)榈容S晶[41]。大連理工大學(xué)董紅剛在鋁和不銹鋼電弧焊接中通過(guò)固體母材向熔池內(nèi)引入超聲，施加超聲后焊縫晶粒細(xì)化、接頭強(qiáng)度明顯提高、脆性的金屬間化合物含量下降，同時(shí)焊縫及熱影響區(qū)硬度增加[42]。日本學(xué)者 Takehiko在不銹鋼焊接過(guò)程中從固體母材中引入超聲，結(jié)果表明，施加超聲后，接頭拉伸強(qiáng)度提高，焊縫內(nèi)柱狀晶寬度下降，一次枝晶間距減小[43]。在鋁合金 GTAW 焊接中，利用超聲工具頭對(duì)焊縫表面或者母材表面進(jìn)行超聲沖擊，結(jié)果表明，焊縫內(nèi)晶粒細(xì)化，第二相更加細(xì)小彌散，接頭力學(xué)性能提高[39]。

4.3 超聲細(xì)化焊縫晶粒機(jī)制分析

在電弧焊過(guò)程中施加超聲，超聲可以細(xì)化焊縫晶粒。隨著研究的深入，研究重點(diǎn)逐漸側(cè)重于超聲細(xì)化晶粒機(jī)理的分析。在定點(diǎn)焊條件下，研究了超聲對(duì)鋁合金形核的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熄弧前施加超聲，熔池凝固時(shí)無(wú)超聲，2195Al-Li合金及純鋁焊接研究結(jié)果表明，超聲細(xì)化鋁鋰合金 GTAW 焊縫晶粒的機(jī)制主要是超聲增加了鋁鋰合金 GTAW 焊熔池內(nèi)異質(zhì)形核率，見圖 14。純鋁熔池內(nèi)異質(zhì)形核點(diǎn)較少，因此純鋁GTAW焊縫組織無(wú)明顯細(xì)化。

在定點(diǎn)焊條件下，研究了超聲對(duì)鋁合金晶粒破碎的影響。在熔池凝固階段施加超聲，利用純鋁為研究對(duì)象，以排除異質(zhì)形核對(duì)晶粒細(xì)化的影響。結(jié)果表明鋁合金熔池凝固過(guò)程中，超聲可以打碎晶粒[44]。

圖14 鋁合金焊縫熔合區(qū)附近微觀組織[40]Fig.14 Microstructures around the fusion zone of Al alloy

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上對(duì)超聲輔助電弧焊技術(shù)研究的總結(jié)，可以得出如下結(jié)論。

1) 對(duì)于所有的超聲復(fù)合技術(shù)，如電弧超聲、電弧與超聲同軸復(fù)合、超聲作用于焊絲以及超聲作用于固體母材或者焊縫表面，最后都可以改善焊縫微觀組織，提高接頭力學(xué)性能。

2) 每一種超聲復(fù)合焊接方法的作用機(jī)制雖然都有了初步的研究，但是研究不深入。對(duì)每一種超聲復(fù)合焊接方法的作用本質(zhì)需進(jìn)一步研究。

3) 雖然每一種超聲電弧復(fù)合焊接方法都取得了一定的焊接效果，展示出了較好的應(yīng)用前景，但是距實(shí)際產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還存在一定距離。超聲電弧復(fù)合焊接設(shè)備的研制是限制產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的一大因素，設(shè)備應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性同時(shí)要簡(jiǎn)便化。

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Application of Ultrasonic in Arc Welding

FAN Cheng-lei,CHEN Qi-hao,LIN San-bao,YANG Chun-li
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

There are more and more applications for ultrasonic field in the arc welding process. Ultrasound could effectively improve the arc shape, droplet transfer and weld microstructure. Finally, the mechanical properties of welded joints are improved. The application of ultrasonic in the process of arc welding is mainly related to the method of ultrasonic application.Different ultrasonic application methods have different characteristics. Ultrasonic assisted arc welding can be divided into different types according to different ultrasonic input methods. This paper mainly reviewed the characteristics and the latest research progress of four ultrasonic assisted arc welding methods: arc ultrasonic technique, coaxial recombination of ultrasonic and arc, application of ultrasonic on welding wire or application of ultrasonic tool heads on solid base metal or weld surface.The characteristics of equipment, microstructure and mechanical properties were investigated. The research progress was summarized, and its development prospect and orientation was analyzed at last.

arc welding; ultrasonic; microstructure; mechanical properties

2017-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（51675130）

范成磊（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楦咝Ш附蛹昂附淤|(zhì)量控制。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.007

TG457.14

A

1674-6457(2018)01-0057-10