交流電弧超聲對(duì)SiCp/6061Al焊接接頭的作用機(jī)理研究

薛厚祿，雷玉成，2，胡文祥，劉珍珍，閆久春，2

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013，E-mail:xuehoulu@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

交流電弧超聲對(duì)SiCp/6061Al焊接接頭的作用機(jī)理研究

薛厚祿1，雷玉成1，2，胡文祥1，劉珍珍1，閆久春1，2

(1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013，E-mail:xuehoulu@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

為了改善SiCp/6061Al的焊接性能，在其焊接過(guò)程中引入了電弧超聲技術(shù).應(yīng)用自主研制的交流電弧超聲等離子焊接設(shè)備，以自制的Al－15Ti－3Si藥芯焊絲為填充材料，在不同頻率的電弧超聲作用下對(duì)SiCp/6061Al進(jìn)行了等離子弧原位焊接，研究了電弧超聲對(duì)焊接接頭的作用機(jī)理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電弧超聲可使新生Al3Ti相明顯細(xì)化;在頻率30、50和60 kHz下，Al3Ti被擊碎為顆粒狀或塊狀，并均勻分布在焊縫中;在頻率20、40和70 kHz下，Al3Ti被部分擊碎，且沿原有位置呈縱向分布在焊縫中.分析表明，電弧超聲主要通過(guò)空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)的綜合作用對(duì)Al3Ti相的形態(tài)及分布產(chǎn)生影響，同時(shí)這種綜合作用受到電弧超聲“諧振波群”現(xiàn)象的影響.

交流電弧超聲;SiCp/6061Al;等離子弧;原位焊接;諧振波群

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和比模量、低熱膨脹系數(shù)以及耐磨、耐高溫等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、汽車、電子、體育等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景［1－2］.但由于增強(qiáng)體的存在，鋁基復(fù)合材料在熔化焊的過(guò)程中極易發(fā)生界面反應(yīng)生成脆性相Al4C3，影響接頭性能的提高［3］.通過(guò)向熔池中添加元素Ti，可以抑制界面反應(yīng)改善冶金過(guò)程，并可原位形成新的增強(qiáng)相Al3Ti，一定程度上提高了接頭性能［4］.但新生增強(qiáng)相顆粒粗大、分布不均勻成為制約鋁基復(fù)合材料接頭性能提高的新的因素［5］.向熔融金屬中引入功率超聲可以細(xì)化晶粒，改善顆粒分布［6］.但傳統(tǒng)的超聲耦合方式為機(jī)械耦合，在焊接過(guò)程中存在很大的局限性.

電弧超聲技術(shù)的發(fā)展解決了焊接中超聲耦合的難題［7］.通過(guò)高頻調(diào)制焊接電弧，使其激發(fā)出超聲波直接作用于熔池.但目前電弧超聲技術(shù)的研究因耦合問(wèn)題僅局限于直流電弧領(lǐng)域，交流電弧的超聲波激發(fā)仍屬空白［8－10］.本文根據(jù)高通濾波電路原理設(shè)計(jì)了1臺(tái)耦合器，解決了交流電弧中超聲源耦合的問(wèn)題，在交流電弧中成功激發(fā)出超聲波，并將該技術(shù)應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料的等離子弧焊接工藝中，并研究了交流電弧超聲對(duì)鋁基復(fù)合材料中新生增強(qiáng)相的作用機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電弧超聲焊接系統(tǒng)

本文所用電弧超聲焊接系統(tǒng)主要包括等離子弧焊機(jī)和超聲激勵(lì)電源，二者通過(guò)自制的隔離耦合裝置相連接，如圖1所示.超聲激勵(lì)電源的頻率調(diào)節(jié)范圍為15～70 kHz，電壓調(diào)節(jié)范圍為10～50 V，占空比為50%.

圖1 交流電弧超聲試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

該隔離耦合裝置從弧焊電源端到超聲激勵(lì)源端為無(wú)源高通濾波電路，可以隔離低頻的交變焊接電流，避免其對(duì)超聲激勵(lì)源造成損害;同時(shí)高頻的超聲激勵(lì)信號(hào)可以通過(guò)該裝置實(shí)現(xiàn)與弧焊電源的并聯(lián)耦合.由于不同頻率的超聲激勵(lì)信號(hào)通過(guò)電容后的衰減值不同，同時(shí)考慮對(duì)焊接電流的隔離效果，針對(duì)不同頻率的激勵(lì)信號(hào)選取不同容值的電容，以保證激勵(lì)電流值的穩(wěn)定.其中，電阻選取阻值1 kΩ的線繞電阻，電容容值選取值如表1所示.

表1 不同頻率下的電容容值

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)所用母材為 SiCp/6061Al基復(fù)合材料，其中增強(qiáng)相SiC平均尺寸6 μm，體積分?jǐn)?shù)為10%，退火狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度為 320 MPa;基體6061Al的化學(xué)成分見(jiàn)表2.試樣用線切割制備為60 mm×20 mm×3 mm，所用填充材料為自主研制的藥芯焊絲，合金成分Al－15Ti－3Si.

表2 6061Al的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

焊接前將母材和填充焊絲用150#的SiC砂紙打磨，并用丙酮清洗干凈.使用型號(hào)為HPT－8的等離子焊槍進(jìn)行等離子弧焊接，引弧方式為高頻引弧.為防止高頻引弧過(guò)程對(duì)超聲激勵(lì)源造成危害，焊接前先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K，待電弧穩(wěn)定后再閉合開(kāi)關(guān)K.選取激勵(lì)電壓50 V，激勵(lì)頻率分別為20、30、40、50、60和70 kHz進(jìn)行焊接.焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示.

表3 焊接實(shí)驗(yàn)參數(shù)

用掃描電鏡(SEM)對(duì)焊縫組織進(jìn)行觀察，用X射線衍射法結(jié)合能譜分析(EDS)進(jìn)行物相鑒定，掃描角度為20°～80°，掃描速度8°/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫微觀組織觀察

圖2為未施加電弧超聲時(shí)接頭焊縫組織的SEM圖.由圖2可知，元素Ti的加入有效地抑制了Al4C3的生成，焊縫組織中未發(fā)現(xiàn)脆性相Al4C3.在焊縫組織中發(fā)現(xiàn)了粗大的長(zhǎng)條狀相和少量顆粒相，其中粗大的長(zhǎng)條狀相呈橫向分布.結(jié)合X射線衍射分析和能譜分析，如圖3及圖4可知，粗大的長(zhǎng)條狀相為Al3Ti，少量顆粒狀相為TiC.Al3Ti具有較高的比強(qiáng)度及良好的耐熱性，但在室溫下極脆，小體積的Al3Ti可對(duì)基體金屬起到增強(qiáng)作用，但粗大的長(zhǎng)條狀A(yù)l3Ti會(huì)嚴(yán)重破壞基體的連續(xù)性，造成接頭力學(xué)性能下降［11］.

圖3 焊縫X射線衍射圖

圖4 焊縫組織定性能譜分析圖

圖5 施加不同頻率電弧超聲時(shí)的焊縫組織SEM照片

圖5為施加不同頻率電弧超聲后接頭組織的SEM圖.由圖5可知，電弧超聲的引入顯著影響了新生相Al3Ti的形態(tài)和分布.施加20 kHz的電弧超聲時(shí)，焊縫組織如圖5(a)所示，與未施加電弧超聲相比，Al3Ti相明顯細(xì)化，且部分細(xì)長(zhǎng)狀相被擊碎為小顆粒狀相，這些相沿原有的位置呈斷續(xù)狀，顯示出其被擊碎之前的細(xì)長(zhǎng)狀整體形貌.當(dāng)電弧超聲激勵(lì)頻率為30 kHz時(shí)，如圖5(b)，被擊碎為細(xì)顆粒狀的Al3Ti相脫離原有位置，均勻而分散地分布在基體組織中.當(dāng)激勵(lì)頻率增加到40 kHz時(shí)，如圖5(c)所示，Al3Ti相較之前變得粗大，呈細(xì)長(zhǎng)棒狀沿縱向分布在焊縫組織中，無(wú)被擊碎的痕跡.電弧超聲激勵(lì)頻率為50 kHz時(shí)，如圖5 (d)，Al3Ti相較40 kHz時(shí)長(zhǎng)度變短，且呈短棒狀均勻分布在焊縫組織中.當(dāng)施加的電弧超聲頻率提高到60 kHz時(shí)，如圖5(e)，Al3Ti相的大小較之前別的激勵(lì)頻率下有所增大，主要呈塊狀均勻分布在基體中.當(dāng)激勵(lì)頻率繼續(xù)增大到70 kHz時(shí)，如圖5(f)所示，Al3Ti相變得更為粗大，與60 kHz下相比，長(zhǎng)度增加，且呈長(zhǎng)條狀沿縱向分布.綜上觀察分析可知，在焊接過(guò)程中施加電弧超聲后，焊縫組織中的Al3Ti相得以明顯細(xì)化，雖然隨著電弧超聲激勵(lì)頻率的增大，Al3Ti相有粗化的趨勢(shì)，但仍較未施加電弧超聲時(shí)細(xì)小.其中，當(dāng)電弧超聲激勵(lì)頻率為30、50和60 KHz時(shí)，Al3Ti相呈顆粒狀或塊狀均勻而分散地分布在基體組織中;而當(dāng)電弧超聲激勵(lì)頻率為20、40和70KHz時(shí)，Al3Ti相呈細(xì)長(zhǎng)狀沿縱向分布在焊縫組織中，某些細(xì)長(zhǎng)相雖被擊碎，但仍沿原有位置呈斷續(xù)排布.

2.2 電弧超聲作用機(jī)理分析

電弧超聲同其他功率超聲一樣，作用在熔體中時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，從而影響熔池中新生增強(qiáng)相的形態(tài)及分布.當(dāng)超聲波作用于熔體中時(shí)，熔體受到周期性交變聲場(chǎng)的作用，在聲波稀疏相內(nèi)受到拉應(yīng)力，若聲壓值足夠大則熔體被拉裂而產(chǎn)生空化泡;在隨后來(lái)臨的聲波正壓相內(nèi)隨即高速閉合，并產(chǎn)生瞬間局部高溫高壓，這便是空化效應(yīng)［12］.熔體中的空化首先是從熔體中強(qiáng)度較為薄弱的地方開(kāi)始的，當(dāng)熔體中存在增強(qiáng)相時(shí)，在增強(qiáng)相與熔體的界面處由于結(jié)合力較弱，往往最先開(kāi)始產(chǎn)生空化泡.這些存在于增強(qiáng)相表面的空化泡以及空化泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓影響了元素向新生增強(qiáng)相的擴(kuò)散，極大地制約著增強(qiáng)相的生長(zhǎng)，因此，在焊接過(guò)程中施加電弧超聲后，新生增強(qiáng)相Al3Ti明顯細(xì)化.但隨著電弧超聲激勵(lì)頻率的提高，熔體中的空化效應(yīng)將會(huì)變?nèi)酰?3］，這是因?yàn)殡S著頻率的提高，空化泡的膨脹周期變短，空化核可能來(lái)不及生長(zhǎng)到可以產(chǎn)生效果的空化泡，并且由于空化泡壓縮周期變短，長(zhǎng)大的空化泡可能來(lái)不及發(fā)生崩潰，這就使得空化泡可能需要經(jīng)歷若干聲波周期才能崩潰，有些甚至不能發(fā)生崩潰，使得空化作用大大降低.因此，隨著電弧超聲激勵(lì)頻率的增大，新生增強(qiáng)相Al3Ti因制約其生長(zhǎng)的空化效應(yīng)變?nèi)醵靡圆粩嗌L(zhǎng)變得粗大.

空化效應(yīng)除能制約新生增強(qiáng)相的生長(zhǎng)以外，其產(chǎn)生的局部高溫高壓也會(huì)對(duì)已經(jīng)存在的增強(qiáng)相產(chǎn)生顯著的影響.熔體中的空化泡在崩潰時(shí)產(chǎn)生局部高壓沖擊波，短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的能量，足以將細(xì)長(zhǎng)的新生Al3Ti相擊碎為顆粒狀或塊狀，因此，電弧超聲的引入可以改善Al3Ti在焊縫中的形態(tài).空化泡在崩潰時(shí)產(chǎn)生的局部高壓沖擊波壓力幅值可由下式(1)描述［13］:

其中，pm為空化泡外作用于泡內(nèi)的總壓力(Pa)，pmin為空化泡初始半徑R0時(shí)空化泡內(nèi)的總壓力(Pa)，pv為液相主體溫度下液體的平衡蒸氣壓(Pa)，γ為氣體的比熱容比.分析式(1)可知，空化泡崩潰的最大壓力pmax將隨聲壓幅值的微小增加而迅速升高.因此，熔體中因空化效應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波壓力大小主要取決于電弧超聲激勵(lì)能量的大?。?4］.在本實(shí)驗(yàn)中，電弧超聲激勵(lì)電壓在不同頻率下均為50 V，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在不同頻率下，雖然激勵(lì)能量相同，但空化效應(yīng)對(duì)新生Al3Ti產(chǎn)生的擊碎效果卻不同，頻率為30、50和60 kHz時(shí)擊碎效果最為顯著，頻率為20、40和70 kHz時(shí)擊碎效果不明顯.這主要是由電弧超聲的特殊性造成的，即電弧超聲的“諧振波群”現(xiàn)象［15］.在對(duì)電弧超聲技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，電弧超聲對(duì)激勵(lì)頻率的響應(yīng)存在某種“選擇性”，在某些頻率帶電弧超聲信號(hào)幅度明顯增大，不同焊接方法下僅是“諧振波”中心頻率有所不同，“波列”帶寬約1 kHz.本實(shí)驗(yàn)中，在等離子弧焊過(guò)程中記錄到的幾個(gè)“諧振波”中心頻率分別位于30、50和60 kHz處，在這些中心頻率帶處產(chǎn)生的電弧超聲聲壓幅值明顯增大，這就使得空化泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的高壓沖擊波壓力幅值迅速提高，對(duì)新生增強(qiáng)相Al3Ti產(chǎn)生顯著的擊碎效果.

電弧超聲的引入還將在熔體產(chǎn)生聲流效應(yīng)，即超聲在熔體中傳播時(shí)，由于聲波與熔體黏滯力的交互作用，有限振幅衰減使熔體中從聲源處開(kāi)始形成了一定的聲壓梯度，導(dǎo)致熔體的流動(dòng)［12］.當(dāng)聲壓幅值超過(guò)一定值時(shí)熔體中將產(chǎn)生自上而下的環(huán)流.在環(huán)流的作用下，新生增強(qiáng)相Al3Ti將沿環(huán)流運(yùn)動(dòng)路徑，隨著環(huán)流的流動(dòng)而運(yùn)動(dòng).因此，在電弧超聲作用下，長(zhǎng)條狀的新生Al3Ti將在環(huán)流的帶動(dòng)下，沿環(huán)流運(yùn)動(dòng)方向呈自上而下的縱向分布;而被擊碎為顆粒狀和塊狀的Al3Ti則在環(huán)流帶動(dòng)下均勻而分散的分布在熔體中.聲流的最大速度可由式(2)表述［16］.

其中，f為超聲頻率，A為振幅.由此可知，聲流的大小與超聲頻率和超聲能量成正比.隨著電弧超聲激勵(lì)頻率的增大，熔池中環(huán)流的速度和強(qiáng)度也將增大，提高了聲流的作用效果;但電弧超聲激勵(lì)頻率的增大，同時(shí)使得新生Al3Ti相逐漸變得粗大，熔體黏滯力增大，又使得聲流效應(yīng)變得困難.此外，由于電弧超聲“諧振波群”現(xiàn)象的存在，使得在頻率30、50和60 kHz下聲流效果顯著，被擊碎的Al3Ti隨環(huán)流均勻分布在熔池中;而在頻率20、40和70 kHz下由于超聲能量較小，聲流效應(yīng)較弱，Al3Ti仍處于原有位置，即使被擊碎的Al3Ti也保持原有的形狀位置分布.

綜上分析可知，電弧超聲對(duì)焊接熔池中新生增強(qiáng)相Al3Ti的影響主要是空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)綜合作用的結(jié)果，同時(shí)受到電弧超聲“諧振波群”現(xiàn)象的影響.電弧超聲的作用機(jī)理如圖6所示，在電弧超聲作用下產(chǎn)生的空化效應(yīng)制約著Al3Ti的生長(zhǎng)，使得Al3Ti細(xì)化，同時(shí)空化泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的局部高壓沖擊波將細(xì)長(zhǎng)Al3Ti擊碎，然后在聲流效應(yīng)的作用下均勻分布在熔池中.由于“諧振波群”現(xiàn)象的存在，在諧振波頻率范圍外，上述過(guò)程較弱，如圖6(b)所示，細(xì)長(zhǎng)Al3Ti沿聲流運(yùn)動(dòng)方向呈縱向分布，未被完全擊碎，并沿原有位置斷續(xù)分布;而在諧振波頻率范圍內(nèi)，超聲信號(hào)明顯增大，Al3Ti相被完全擊碎為顆粒狀或塊狀，并在聲流作用下均勻分布在焊縫中，如圖6(c)所示.

圖6 電弧超聲作用機(jī)理示意圖

3 結(jié)論

1)根據(jù)無(wú)源高通濾波電路原理設(shè)計(jì)的電弧超聲隔離耦合裝置可以達(dá)到將弧焊電源和超聲激勵(lì)源隔離耦合的目的，并可在交流焊接電弧中成功激發(fā)出超聲波.

2)電弧超聲技術(shù)的引入使得鋁基復(fù)合材料焊縫中的新生增強(qiáng)相Al3Ti明顯細(xì)化，隨著電弧超聲激勵(lì)頻率的提高，Al3Ti逐漸變得粗大.

3)焊縫中Al3Ti的最終形態(tài)和分布是電弧超聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)共同作用的結(jié)果，同時(shí)受到電弧超聲“諧振波群”現(xiàn)象的影響.

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Mechanism of AC arc-ultrasonic on joint of SiCp/6061Al MMCs

XUE Hou-lu1，LEI Yu-cheng12，HU Wen-xiang1，LIU Zhen-zhen1，YAN Jiu-chun2
(1.School of Material Science and Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China，E-mail:xuehoulu@126.com; 2.State key lab of Advanced welding production Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

To improve the welding performance of SiCp/6061Al，arc-ultrasonic technology was applied in welding process，and the filling material was Al－15Ti－3Si.The mechanism of arc-ultrasonic on microstructures of joint of SiCp/6061Al MMCs in plasma arc“In-situ”welding with different arc-ultrasonic frequency was investigated.The result shows that the Al3Ti phase is obviously refined by ultrasound.With the frequency 30，50 and 60 kHz，the Al3Ti is crushed to granular or block，and uniformly distributed in the weld.With the frequency 20，40，70 kHz，the Al3Ti is partially crushed，and distributed at the original location along the vertical in the weld.Analysis shows that the arc-ultrasonic impacts the morphology and distribution of Al3Ti mainly by cavitation and acoustic streaming.

AC arc-ultrasonic;SiCp/6061Al;plasma;“in-situ”weld;resonant wave group

TG456;TG407 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)05－0040－05

2010－10－27.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題(09003);江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)開(kāi)放研究基金課題(JSAWT－09－03);江蘇大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(JD0805).

薛厚祿(1986－)，男，碩士.

(編輯 呂雪梅)