等離子超聲電弧焊接MGH956合金激勵(lì)頻率的計(jì)算機(jī)優(yōu)化

謝偉峰， 雷玉成， 任聞杰

（江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

MGH956（Incoloy MA956）合金是典型的Fe基氧化物彌散強(qiáng)化（Oxide Dispersion Strengthened，ODS）高溫合金，該材料由于高溫力學(xué)性能和抗氧化性能十分突出，目前該材料已在航天與能源領(lǐng)域得到應(yīng)用，比如先進(jìn)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件［1，2］。MGH956 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為Cr 19，Al 5，Ti 0.5，Y2O30.5，F(xiàn)e余量。由機(jī)械合金化制備而成，通過熱等靜壓成型后再經(jīng)熱擠壓變形而獲得高致密度的合金材料。經(jīng)過再結(jié)晶退火后該合金常常出現(xiàn)3～7%的孔洞［3］。普通熔焊連接易使MGH956合金中原本均勻分布的超細(xì)氧化物強(qiáng)化相發(fā)生長(zhǎng)大、聚集、甚至漂渣，失去強(qiáng)化作用［4～6］，也很容易會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生更多氣孔缺陷，對(duì)焊接操作要求較高。

超聲電弧是一種將電弧與超聲耦合的新型焊接技術(shù)，經(jīng)高頻電流調(diào)制后，電弧既是熱源也是超聲發(fā)射源。超聲電弧的表現(xiàn)形式也并非通常所說的脈沖能量，而是通過改變引入擾動(dòng)的頻率等參數(shù)對(duì)熔融金屬性能產(chǎn)生影響?；谝延醒芯孔C實(shí)，超聲電弧是一種可有效改善接頭質(zhì)量，且適用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便的焊接方法［9～11］。但是，目前該領(lǐng)域的研究多限于超聲電弧形成機(jī)制與作用機(jī)理的研究，超聲電弧工藝的研究較少。針對(duì)焊接過程中最重要的工藝參數(shù)，即超聲激勵(lì)頻率的選擇還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中，目前主要通過大量焊接試驗(yàn)來優(yōu)化頻率參數(shù)，效率較低。

本工作利用計(jì)算機(jī)模擬的方法，其中包括熱分析建立熔池三維模型與動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析求解模態(tài)頻率兩部分，針對(duì)等離子超聲電弧焊接MGH956合金激勵(lì)頻率的優(yōu)化進(jìn)行研究。

1 熔池諧振頻率求解

試驗(yàn)材料為機(jī)械合金化方法制備并經(jīng)過軋制的MGH956合金，加工狀態(tài)為熱軋、冷軋后在1350℃進(jìn)行再結(jié)晶退火1h，在試驗(yàn)中將板材線切割成尺寸為60mm×30mm×2.0mm。焊接為平板對(duì)接試驗(yàn)，無填充材料。

1.1 溫度場(chǎng)模擬過程及結(jié)果

1.1.1溫度場(chǎng)模擬過程

超聲電弧焊接過程涉及熱、力、電等多方面因素，各因素作用環(huán)境和程度目前很難全面地描述;同時(shí)由于焊接過程局部加熱、熔化乃至沸騰、蒸發(fā)等特殊性的存在，而針對(duì)焊接熔池的一些高溫物理性能這方面的研究也甚少。由以上諸多因素的限制，為簡(jiǎn)化分析和計(jì)算過程，本研究熔池模型的建立基于如下假設(shè):（1）焊接過程中，熔池和電弧關(guān)于焊接中心平面對(duì)稱;（2）熔池中液態(tài)金屬為不可壓縮，忽略熔池內(nèi)液體的流動(dòng)作用;（3）熔池的自由表面為平面。（4）熔池內(nèi)的熔化金屬在焊接過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有均勻穩(wěn)定的表面性質(zhì);（5）材料為各向同性，密度恒定，其他熱物性參數(shù)隨溫度變化;（6）焊件初始溫度為室溫。

本工作采用雙橢球熱源分布模式［10］，能量密度分布情況如圖1所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中，a，b，c1和c2為熱源形狀參數(shù);f1，f2分別為熱流密度在熔池前后的分配系數(shù)，f1+f2=2;Qk為有效熱輸入;v0為焊接速率。

圖1 雙橢球體熱源模型Fig.1 Double ellipsoid heat source model

焊接過程是加熱非常不均勻的過程，焊縫處溫度梯度變化很大，劃分網(wǎng)格時(shí)一般不采取均勻的網(wǎng)格，而是在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，能量傳遞緩慢，溫度分布梯度變化較小，這時(shí)采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格。為減少計(jì)算工作量，只需取模型的一半進(jìn)行分析，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic of finite element meshes

1.1.2 模擬結(jié)果

圖3所示為焊件開始運(yùn)動(dòng)26s時(shí)處于穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖。從圖3可以看出，表面溫度高于1480℃的區(qū)域集中在焊縫中心線兩側(cè)距焊縫中心線約3mm內(nèi)，電弧直接作用區(qū)域的溫度最高，達(dá)1462℃，低于MGH956合金汽化溫度。熱源前方溫度梯度大，等溫線密集，熱源后方溫度梯度小，等溫線呈拉長(zhǎng)的橢圓狀。熱源移動(dòng)方向，熔池長(zhǎng)約7mm，在垂直熱源移動(dòng)方向上，熔池的最大寬度約5mm。

圖3 溫度場(chǎng)分布云圖（26s）Fig.3 Temperature contour（26s）

圖4為焊縫橫截面的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。可以看出模擬計(jì)算的熔合線走向與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

根據(jù)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，經(jīng)圖像處理，包括描點(diǎn)和線性擬合，按1∶1比例計(jì)算得到熔池上下表面邊界曲線。圖5為熔池上下表面模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖。可以看出計(jì)算的熔合線走向與溫度場(chǎng)模擬結(jié)果基本吻合。

1.2 熔池模態(tài)分析

1.2.1 網(wǎng)格劃分

圖6為熔池模型及劃分網(wǎng)格。熔池模型劃分成三維二十節(jié)點(diǎn)Solid186單元，模型單元數(shù)為2.5×103，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 4.2 ×103。

圖4 實(shí)際焊縫與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of the simulated result with the experiment one

1.2.2 最佳超聲空化頻率范圍求解

超聲空化效應(yīng)是指存在于液體中的微小泡核在超聲波作用下，經(jīng)歷超聲的稀疏相和壓縮相，體積生長(zhǎng)、收縮、再生長(zhǎng)、再收縮，多次周期性震蕩，最終高速度崩裂的動(dòng)力學(xué)過程?？栈^程中氣泡潰滅產(chǎn)生的沖擊波和微射流會(huì)對(duì)晶粒細(xì)化及焊件表面性能提高有影響，而空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)局部高溫和高壓影響內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)。但是超聲頻率對(duì)空化泡半徑的變化有直接影響，頻率太高，只有少數(shù)氣泡可發(fā)生空化效應(yīng)，作用不明顯;頻率太低，空化時(shí)間長(zhǎng)，容易產(chǎn)生大氣泡來不及排除而在滯留焊縫中增加氣孔缺陷的存在，所以必須要求選擇合適的超聲頻率范圍，進(jìn)而達(dá)到最佳空化效果。

熔池內(nèi)部由于溫度分布不均，對(duì)不同大小空化泡存在有直接影響。根據(jù)空化閾值PB和氣泡初始半徑R0之間的關(guān)系，如圖7所示，選擇兩個(gè)溫度極限值，可確定半徑處于較大范圍內(nèi)的氣泡產(chǎn)生最佳的空化效應(yīng)，進(jìn)而估算得到一個(gè)空化過程中空化泡半徑的上限與下限值。

超聲除了能夠在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化作用外，超聲波同聲波一樣也會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。對(duì)于密度為ρ的熔液，熔池中不同大小的空化泡對(duì)應(yīng)不同的共振頻率fr。當(dāng)超聲頻率

圖7 氣泡半徑與空化閾值的關(guān)系 （a）較小氣泡;（b）較大氣泡Fig.7 The relationship between bubble radius and cavitation threshold （a）smaller bubbles;（b）larger bubbles

1.2.3 計(jì)算結(jié)果

在頻率范圍14736Hz與27469Hz之間求得一階頻率19368Hz，此時(shí)熔池振動(dòng)效果最強(qiáng)。圖8為頻率19368Hz時(shí)振動(dòng)矢量云圖，熔池振動(dòng)方向與焊接方向垂直，熔池具有水平向外擴(kuò)展趨勢(shì)。

圖8 振動(dòng)矢量云圖（19368Hz）Fig.8 Vibration vector figure（19368Hz）

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括等離子弧焊機(jī)部分和超聲頻功率電源兩部分，該系統(tǒng)原理圖如圖9所示。超聲頻率及功率可調(diào)。進(jìn)行三組焊接實(shí)驗(yàn)，超聲頻率分別選擇 0Hz，50000Hz（非諧振頻率）和19368Hz，其余焊接工藝參數(shù)相同，超聲功率均為600W，焊接電流為120A，焊接速率mm/min，等離子氣和保護(hù)氣均為氬氣，氣體流量分別為1.5和6L/min。對(duì)焊后接頭進(jìn)行X射線氣孔檢驗(yàn)，然后將焊接接頭制成金相試樣，借助LEICADM-2500M正置透反射顯微鏡，維氏顯微硬度計(jì)（HVS-1000）和萬能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)接頭進(jìn)行組織觀察和性能（硬度和抗拉強(qiáng)度）測(cè)定。

2.1 接頭宏觀形貌

圖10為超聲電弧作用下MGH956合金焊接接頭組織的焊縫區(qū)發(fā)生的變化，由圖可見，在0Hz時(shí)焊縫區(qū)面積最小，在19368Hz時(shí)焊縫面積達(dá)到最大，而50000Hz焊縫面積介于中間。這是由于19368Hz超聲電弧作用下熔池產(chǎn)生的振動(dòng)效果最強(qiáng)，作為熱源熔池向外擴(kuò)展，致使焊縫面積增大，符合模擬結(jié)果。微觀金相表明，在焊縫中心區(qū)有個(gè)很小的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)晶粒生長(zhǎng)方向與母材晶粒方向垂直，這對(duì)焊縫性能有重要影響，理想情況下焊縫晶粒生長(zhǎng)方向一致且平行于母材晶粒生長(zhǎng)方向［11］。對(duì)比0Hz焊縫，在50000Hz時(shí)局部振動(dòng)增強(qiáng)，靠近焊縫中心晶粒出現(xiàn)等軸化傾向，但由于焊縫變寬，形成了垂直于板面寬大的晶界。

2.2 焊縫區(qū)微觀組織

圖11為焊件母材與焊縫金屬金相組織。由圖可見，在0Hz時(shí)，焊縫區(qū)鐵素體晶粒多類似針狀，向焊縫中心區(qū)生長(zhǎng)，最大長(zhǎng)度可達(dá)1.5mm，與母材金屬晶粒方向間夾角較大;在50000Hz時(shí)，焊縫底部晶粒細(xì)化明顯，頂部晶粒比較粗大，最大寬度達(dá)250μm，生長(zhǎng)方向性不明顯;在19368Hz時(shí)，晶粒生長(zhǎng)與母材金屬晶粒方向間夾角趨于平角，整個(gè)焊縫晶粒細(xì)化程度最大。這主要原因是，諧振時(shí)整體振動(dòng)比較均勻，超聲攪拌作用使固/液界面前沿液體相對(duì)固相產(chǎn)生強(qiáng)烈流動(dòng)，強(qiáng)力流體的沖刷作用打斷初生樹枝晶臂而形成細(xì)小晶塊，這些碎晶在超聲攪拌作用下彌散分布于液體金屬中形成新的晶核。

2.3 氣孔率

焊縫中氣孔的存在會(huì)嚴(yán)重影響接頭的使用性能。圖12為采用X射線檢測(cè)焊縫中氣孔缺陷。結(jié)合圖11可以發(fā)現(xiàn)，MGH956合金焊縫在激勵(lì)頻率為50000Hz時(shí)，即非諧振條件下，中小氣孔發(fā)生聚集，且多位于熔合線附近，19368Hz時(shí)氣孔率最低，除氣效果最好，同等觀測(cè)條件下，焊縫底部氣孔數(shù)量降低。MGH956是以氧化物彌散強(qiáng)化，并采用機(jī)械合金化技術(shù)和粉末冶金方法生產(chǎn)的合金，其本身氣體含量就極高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)O:0.1% ～0.3%，N:0.01%～0.03%），熔焊過程中，基體中的氣體受高溫影響會(huì)發(fā)生膨脹和釋放，而凝固過程，剩余未來得及釋放的氣泡則被保留，不可避免地會(huì)形成孔洞［12］。在超聲頻率為19368Hz時(shí)，介于最佳空化頻率范圍內(nèi)，除了對(duì)熔池?cái)嚢韪浞衷斐蓺饪状罅可细⊥?，空化效?yīng)也是影響氣孔率低的主要因素。

2.4 接頭性能

圖13是MGH956合金超聲電弧焊件以焊縫中心區(qū)為原點(diǎn)顯微硬度分布情況。如圖13可見，焊縫區(qū)顯微硬度值均低于母材平均硬度值（約315HV）。在施加不同激勵(lì)頻率的超聲時(shí)，對(duì)焊縫區(qū)硬度影響顯著。在0Hz時(shí)，焊縫區(qū)平均硬度值為200HV;在50000Hz時(shí)，焊縫區(qū)平均硬度值為213HV;在19368Hz時(shí)，焊縫區(qū)平均硬度為224HV。圖14為母材和各焊接接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比圖。母材為718MPa，不同頻率的超聲電弧處理后的接頭斷裂位置均位于焊縫區(qū)，在0Hz時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度最低，僅為483MPa;在50000Hz時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度為 530MPa，19368Hz時(shí)最大（581MPa），約為母材的80%。通過上述硬度與拉伸強(qiáng)度分析可說明在諧振頻率處理熔池后的接頭焊縫區(qū)軟化現(xiàn)象明顯改善。MGH956合金超聲電弧焊件焊縫軟化現(xiàn)象的原因主要由于彌散相尺寸粗化、數(shù)量減少所致。普通熔焊高溫使合金中原本均勻分布的超細(xì)氧化物強(qiáng)化相發(fā)生長(zhǎng)大、聚集、甚至漂渣，進(jìn)而導(dǎo)致尺寸粗化、數(shù)量減少。之所以在諧振頻率處理熔池后獲得接頭軟化效果得到改善，目前初步認(rèn)定，在超聲電弧作用產(chǎn)生諧振條件下，熔池?cái)嚢韪浞?，促進(jìn)熔池彌散相的均勻分布，減緩漂渣，抑制了焊縫區(qū)急劇軟化。

3 結(jié)論

（1）通過有限元軟件ANSYS，選用雙橢球體熱源模型，對(duì)等離子超聲電弧焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)熔池的基本形狀和演變規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

（2）在頻率范圍從14736Hz至27469Hz之間，計(jì)算得到2.0mm厚的MGH956合金等離子超聲電弧焊接超聲最佳激勵(lì)頻率為19368Hz。

（3）在受激電弧與熔池產(chǎn)生諧振條件下，焊縫面積增大，組織細(xì)化效果較好，焊縫除氣效果明顯，同時(shí)焊縫區(qū)軟化現(xiàn)象得到改善。

（4）研究結(jié)果可對(duì)超聲電弧復(fù)合焊接其它材料超聲頻率參數(shù)選擇提供參考，也為進(jìn)一步研究和優(yōu)化超聲電弧復(fù)合焊接技術(shù)其他工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。

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