电弧超声技术及其工业应用（一）

HEATS

　　1成果简介电弧超声的创新点在于实现了将“电弧不仅仅作为产热机构，同时作为超声发射机构”的构想。它的基本原理是利用电弧的变阻性负载特性激励出电弧超声。这种方法克服了常规超声产生方法耦合困难和参数不易调节的缺点，使功率超声在工程实践中的应用向自耦合、频率和能量实时调节的方向发展，利用超声声流和空化等多种效应对加工质量产生改善作用。

　　目前，已经研制成功宽带大功率的电弧超声激励装置(包括连续波和脉冲波两种激励方式)，研究了电弧超声的激发和控制特性，并把此项技术成功应用于焊接、喷涂、表面改性等材料加工领域，申请了国家发明专利“一种用电弧激发超声波的方法”，即将获得授权。

　　2应用说明●电弧超声技术在焊接中的应用

2 T% e( C' E# a2 |7 w* n

　　在焊接中，焊缝区晶粒粗大、热影响区组织长大、焊缝残余应力较大且有应力集中现象、焊缝的冲击韧性下降等是焊接过程中容易出现的普遍现象，而且不仅仅局限于某一种或几种材料和焊接方法。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(A3、45、16MnDR、09MnNiDR、1Cr18NiTi、TC4等)和多种焊接方法(手工电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊、TIG、MIG等)的电弧超声焊接实验，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，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。

0 G6 |! f7 y: q

　　(1)碳钢焊接

5 G5 d2 E5 A. w8 ?

　　对多种钢材的实验表明，电弧超声的引入，对于细化焊接接头组织的晶粒、改善热影响区组织、改善焊缝区应力分布等都有明显的作用，大大提高了焊接接头组织的综合性能；同时，还发现了许多在常规焊接条件下难以实现的新现象。

/ ~" q8 l: q6 u. | ; |* Q, _4 s0 ~' D

　　对A3钢交流埋弧自动焊，在电弧超声作用下，焊接接头组织的热影响区发生明显的变化。激励超声的频率升高，“热影响区”的宽度增加，并且呈指状分布。微观金相分析表明，在电弧超声作用下，“热影响区”的组织不再是晶粒过度长大的薄弱环节，而是细小的等轴晶，表现出正火组织的优良特性。

　　对45钢手工电弧焊，加入50kHz的电弧超声后，焊缝区组织明显细化。电弧超声对焊缝中柱状晶的生长具有抑制作用，并使焊接接头组织发生显著变化。常规焊接时焊缝组织为较多的先共析铁素体和侧板条状铁素体；当激励源的中心频率约50kHz时，粗大的联生结晶组织得到明显的细化，焊缝金属形成较多的针状铁素体。

; n; [( E# a* S / p/ ]5 t: V5 o9 O& o! C j

　　(2)低温钢焊接

" x* M. q4 w, c& z3 o2 n' `3 M

　　对低温钢09MnNiDR埋弧自动焊，通过焊接试样的熔合区与热影响区的形态分析，观察到焊缝中柱状晶生长受到抑制，组织细化而且分布均匀。对试样进行低温冲击韧性试验，证实焊缝区和热影响区的冲击韧性有不同程度的提高，尤其在50kHz激励频率下，09MnNiDR焊缝区冲击韧性提高近50%，热影响区则提高80%以上。

& a- l" ?9 h9 O. L9 ?! e- E 9 `& F; p R9 Z F9 q7 y

　　(3)不锈钢焊接

! t3 l; e4 D6 G0 ~! A. q6 d

　　对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti，采用手工电弧焊、堆焊的工艺进行试验，结果表明电弧超声的引入对不锈钢的焊缝区组织形态有较大影响，原来的条状组织变成网状组织，晶粒度减小，而且随着频率的提高，组织弥撒得越均匀。可见电弧超声焊接对不锈钢焊缝区组织晶粒的细化具有明显的作用。

8 t* `- Z0 F& M* F2 S, v8 ~: K 5 c8 ~7 X# t( C4 C3 q

　　(4)钛合金焊接

　　对航天工业中应用最为广泛的α＋β双相钛合金Ti-6Al-4V(TC4)的交直流/脉冲TIG焊进行了系列试验。加入电弧超声后，焊缝区柱状晶得到了一定程度的细化。在50kHz的激励频率下，焊缝区晶粒的形态出现了明显的变化，焊缝区几乎完全是由晶粒细小的等轴晶组成的，各区域之间的界限很不明显。这将大大提高钛合金焊接接头的性能。 . T, C$ _' s" w0 |% F+ D