激勵(lì)電流對(duì)MGH956合金原位合金化TIG焊接頭性能的影響

雷玉成，龔晨誠，羅 雅，肖 波,3,朱 強(qiáng)

(1 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2 江蘇大學(xué) 江蘇省高端結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3 江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇 淮安 223002)

激勵(lì)電流對(duì)MGH956合金原位合金化TIG焊接頭性能的影響

雷玉成1,2，龔晨誠1，羅 雅1，肖 波1,3,朱 強(qiáng)1

(1 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2 江蘇大學(xué) 江蘇省高端結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 3 江蘇沙鋼集團(tuán)淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇 淮安 223002)

通過高頻調(diào)制TIG焊電弧激發(fā)超聲，以自制焊料作為填充材料，在不同激勵(lì)電流下對(duì)MGH956合金進(jìn)行超聲電弧原位合金化TIG焊接，研究了超聲電弧對(duì)焊縫氣孔分布、微觀組織和接頭性能的影響。結(jié)果表明：在激勵(lì)電流為10A時(shí)，焊縫氣孔尺寸明顯變大，但數(shù)量減少，焊縫晶粒粗大；當(dāng)激勵(lì)電流提高到20A時(shí)，氣孔數(shù)量急劇減少，焊縫晶粒細(xì)小均勻，顆粒狀增強(qiáng)相彌散分布；激勵(lì)電流增大到30A時(shí)，氣孔進(jìn)一步減少，但晶粒粗化。比較拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激勵(lì)電流為20A時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最高，為626MPa，達(dá)到了母材強(qiáng)度的87%，同時(shí)接頭由沿晶脆性斷裂變成韌-脆混合斷裂形式。

MGH956合金；超聲電?。籘IG焊接；氣孔；顯微組織

MGH956合金是采用機(jī)械合金化方法制造的氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide Dispersion Strengthened，ODS)高溫合金，利用納米級(jí)的氧化物質(zhì)點(diǎn)(如Y2O3等)對(duì)基體進(jìn)行強(qiáng)化[1，2]，具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性能、高溫抗腐蝕性能[1-4]，應(yīng)用于航空、航天和能源等領(lǐng)域。由于MGH956合金采用粉末冶金方法制取，處于冶金不平衡狀態(tài)，在熔焊過程中，彌散相的數(shù)量、尺寸、分布都會(huì)發(fā)生變化，加上粉末冶金材料受到燒結(jié)和壓制條件的限制，不可能達(dá)到熔煉材料一樣的致密性[5]，并且材料中氣體含量較高，焊縫中容易產(chǎn)生氣孔，而且焊后焊縫中有大量孔洞，晶粒粗大，這些現(xiàn)象都嚴(yán)重降低了焊縫質(zhì)量和接頭性能，因此減少M(fèi)GH956合金熔焊過程中增強(qiáng)相的偏聚、均勻及細(xì)化焊縫晶粒、減少焊縫中的氣孔是提高焊縫性能的關(guān)鍵。

原位合金化是指在一定條件下不同元素或化合物之間發(fā)生反應(yīng)，在基體中生成增強(qiáng)相，以達(dá)到改善接頭性能的目的。通過該方法反應(yīng)生成的增強(qiáng)相是直接在焊縫基體中形核、長大的，與基體的相容性很好，這些增強(qiáng)相一般具有良好的熱穩(wěn)定性，并且細(xì)小均勻，可以改善焊接接頭性能。通過向焊縫中填加合金粉末進(jìn)行原位合金化焊接，可以補(bǔ)充焊接過程中損失的納米級(jí)顆粒增強(qiáng)相，但是新生顆粒增強(qiáng)相往往達(dá)不到預(yù)期彌散均勻的分布狀態(tài)。

向熔池中引入功率超聲可以細(xì)化晶粒[6]，使顆粒分布彌散化[7]，但傳統(tǒng)的超聲耦合方法存在諸多缺陷，在焊接中的實(shí)際應(yīng)用較為困難。清華大學(xué)吳敏生教授在1999年提出電弧超聲的新概念，通過對(duì)焊接電弧施加高頻調(diào)制，激發(fā)出超聲直接作用于熔池，成功解決了這一難題[8]。本工作通過外加激勵(lì)源方式對(duì)TIG焊電弧進(jìn)行高頻調(diào)制從而激發(fā)出超聲電弧，并將其引入MGH956合金的原位合金化TIG焊工藝中，研究了不同的激勵(lì)電流對(duì)焊接接頭中氣孔分布、晶粒大小及增強(qiáng)相分布等的影響，研究了電弧超聲提高M(jìn)GH956合金TIG焊接頭性能的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電弧超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

電弧超聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由超聲頻激勵(lì)電源和TIG焊接電源組成。超聲電源的激勵(lì)電流和激勵(lì)頻率均可調(diào)，最大功率為1500W，激勵(lì)電流調(diào)節(jié)范圍為0～30A，激勵(lì)頻率調(diào)節(jié)范圍為28～80kHz。超聲頻激勵(lì)電源和TIG電源通過自行研制的隔離耦合裝置連接，實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

圖1 超聲電弧焊接實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 The schematic diagram of TIG arc-ultrasonic experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為北京鋼鐵總院研發(fā)的MGH956合金，該材料為采用機(jī)械合金化方法制備并經(jīng)過熱等靜壓固化，再經(jīng)熱鍛、熱軋及冷軋制成厚度為1.3mm的板材，最后在1325℃進(jìn)行再結(jié)晶退火1h。MGH956合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 MGH956合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of MGH956 alloy (mass fraction/%)

采用線切割方法將MGH956合金加工成60mm×30mm×1.3mm的板材，焊接前將試件用150#的SiC砂紙打磨去氧化皮，并用丙酮洗凈。實(shí)驗(yàn)中使用型號(hào)為MW3000的逆變?nèi)珨?shù)字化鎢極氬弧焊機(jī)。鎢極直徑為2.4mm，直流正接，純度為99.9%的氬氣作為保護(hù)氣，氣體流量為8L/min，焊接電流80A，焊接電壓13.5V，電弧長度為4mm，焊接速率為2.4mm/s。焊接時(shí)待電弧穩(wěn)定后再打開超聲頻激勵(lì)源，選取超聲激勵(lì)頻率為30kHz，激勵(lì)電流分別為0，10，20A和30A,主要焊接參數(shù)如表2所示。焊接過程中加入自制的填充材料，其化學(xué)成分如表3所示。

表2 焊接參數(shù)Table 2 Parameters of welding

表3 填充材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Chemical compositions of the filler metal (mass fraction/%)

焊后沿焊縫橫向制取金相試樣，用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊縫氣孔分布進(jìn)行觀察，并用10%HNO3+10%HF+80%H2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的腐蝕液對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，用光學(xué)顯微鏡和S-3400N型掃描電子顯微鏡對(duì)焊縫形貌和微觀組織進(jìn)行觀察。用X射線衍射法(XRD)進(jìn)行物相分析，掃描角度為10～80°，速率為7(°)/min。在電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228—2000進(jìn)行焊接接頭抗拉強(qiáng)度測(cè)試，拉伸速率為1mm/min，并用掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲電弧對(duì)焊縫氣孔的影響

圖2(a)為未施加電弧超聲時(shí)的焊縫氣孔分布圖，由圖可見，焊縫與母材之間的界限非常明顯，焊縫中布滿了大量氣孔，氣孔尺寸多數(shù)在幾微米到幾十微米之間。圖2(b)為施加激勵(lì)電流10A時(shí)的焊縫氣孔分布圖，可見焊縫中氣孔的尺寸明顯變大，但是氣孔數(shù)量相對(duì)減少了。當(dāng)激勵(lì)電流提高到20A時(shí)，氣孔數(shù)量急劇減少，只存在少量的微小氣孔，如圖2(c)所示。當(dāng)激勵(lì)電流為30A時(shí)，由圖2(d)可見，焊縫與母材之間已經(jīng)不存在明顯界限，焊縫中幾乎沒有氣孔。

圖2 施加不同激勵(lì)電流時(shí)的焊縫氣孔分布圖(a)0A;(b)10A;(c)20A;(d)30AFig.2 The porosity distribution of weld joints with different excitation current(a)0A;(b)10A;(c)20A;(d)30A

由圖2可知，電弧超聲的引入對(duì)MGH956合金焊縫氣孔分布產(chǎn)生了顯著影響，尤其是激勵(lì)電流增加到20A和30A時(shí)，除氣效果比較明顯。超聲除氣主要是通過超聲空化效應(yīng)以及聲流效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。在焊接過程中，熔池中存在大量的固體氧化物顆粒，且在這些顆粒表面吸附著大量細(xì)小的氣泡，在超聲的作用下，這些小氣泡成為空化核心[9]。當(dāng)超聲聲壓值超過空化閾值時(shí)，就能在熔體中產(chǎn)生空化作用。超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生大量空化泡，空化泡的長大是一種持續(xù)膨脹與收縮的脈動(dòng)擴(kuò)散過程，當(dāng)空化泡膨脹時(shí)由熔體擴(kuò)散進(jìn)入空化泡的氣體量較大，而在收縮時(shí)擴(kuò)散到熔體中的氣體量較少[10,11]，經(jīng)過幾個(gè)周期后，空化泡內(nèi)的氣體含量不斷增加，即氣泡體積不斷增大，這也是所謂的“表面效應(yīng)”。 當(dāng)氣泡長大到一定尺寸，一部分氣泡受熔體的浮力作用浮出表面[12]，熔池內(nèi)氣泡數(shù)量急劇減少，而另一部分氣泡在壓縮的過程中發(fā)生崩潰，從而在液體內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)的局部高溫高壓。高壓沖擊波可以剝落顆粒表面吸附的小氣泡，增加熔池內(nèi)游離的氣泡數(shù)量，有利于氣泡的聚集長大。同時(shí)，聲波的有限振幅衰減在熔體內(nèi)形成一定的聲壓梯度，導(dǎo)致了液體在宏觀上的對(duì)流，整個(gè)流體中形成一個(gè)環(huán)流，稱為聲流效應(yīng)，加大了對(duì)熔池的攪拌作用，使熔池流動(dòng)性增加，促進(jìn)了小氣泡的聚集、長大，使氣泡長大的傾向增加。

當(dāng)激勵(lì)電流較小時(shí)，超聲波強(qiáng)度較弱，超聲聲流效應(yīng)、空化效應(yīng)不明顯，在熔體空化核基礎(chǔ)上形成空化氣泡較難，生成的空化泡數(shù)量較少，且生成的空化泡很難上浮到表面，因此施加10A激勵(lì)電流時(shí)，焊縫近表面處出現(xiàn)了尺寸較大的氣孔，這是由于空化泡吸收了焊縫中的氣體但是沒有能夠逸出焊縫表面所致；當(dāng)激勵(lì)電流增大時(shí)，空化泡比較容易形成，空化泡數(shù)量增多，且在超聲聲流效應(yīng)的作用下，熔池的流動(dòng)性增加，小的空化泡易聚集長大形成大的空化泡，更容易浮出表面，使得焊縫內(nèi)氣體含量減少，因此激勵(lì)電流提高到20，30A時(shí)，由于超聲強(qiáng)度的提高，足以使得空化泡聚集長大并逸出焊縫表面，所以焊縫中幾乎已經(jīng)沒有氣孔。另一方面，由于熔體具有較高的黏度，對(duì)高頻超聲波具有較強(qiáng)的吸收能力，會(huì)使得熔體和母材溫度升高，延長了熔體處于液態(tài)的時(shí)間，更有利于空化泡的上浮。

2.2 超聲電弧對(duì)焊縫顯微組織的影響

圖3(a)為未施加超聲電弧時(shí)的焊縫金相組織，可見焊縫晶粒細(xì)小均勻，圖4(a)為相應(yīng)的焊縫SEM形貌，可見焊縫中的增強(qiáng)相主要聚集在晶界上，晶粒內(nèi)部幾乎沒有顆粒狀增強(qiáng)相，這是由于填充材料中的B4C在焊接過程中分解，向焊縫中過渡B元素，B元素具有強(qiáng)烈的晶界偏聚傾向,而且是非平衡晶界偏聚，焊縫中的B原子會(huì)向晶界富集，結(jié)合圖5所示XRD的分析結(jié)果，可以看出在晶界處生成了TiB2，TiC和 YAlO3等新生增強(qiáng)相，說明在B的偏聚過程中，Ti，C，Y，O，Al等活性原子受B原子的影響也發(fā)生了晶界偏聚，晶界上析出的增強(qiáng)相對(duì)晶界具有釘扎作用，阻止晶界遷移，抑制鐵素體晶粒長大，使得晶粒細(xì)化。

圖3 施加不同激勵(lì)電流時(shí)的焊縫金相組織(a)0A;(b)10A;(c)20A;(d)30AFig.3 The metallographic structure of weld joints with different excitation current(a)0A;(b)10A;(c)20A;(d)30A

圖4 施加不同激勵(lì)電流時(shí)的焊縫SEM形貌(a)0A;(b)10A;(c)20A;(d)30AFig.4 SEM images of weld joints with different excitation current(a)0A;(b)10A;(c)20A;(d)30A

圖5 未加超聲電弧時(shí)焊縫XRD圖Fig.5 XRD of the weld joint without arc-ultrasonic

當(dāng)施加激勵(lì)電流為10A的電弧超聲時(shí)，焊縫中心金相組織如圖3(b)所示，焊縫晶粒相對(duì)未加超聲時(shí)變大了，圖4(b)為相應(yīng)的焊縫SEM形貌，可見晶界處的增強(qiáng)相偏聚量減小了，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了一定數(shù)量的顆粒狀增強(qiáng)相。當(dāng)激勵(lì)電流提高到20A時(shí)，焊縫中心金相組織如圖3(c)所示，此時(shí)的焊縫晶粒細(xì)小均勻，為等軸晶粒組織，從圖4(c)SEM形貌可見，晶粒內(nèi)的顆粒狀增強(qiáng)相數(shù)量增加了，并且分布彌散均勻。當(dāng)激勵(lì)電流進(jìn)一步提高到30A時(shí)，由圖3(d)和圖4(d)可見，焊縫晶粒變得粗大，晶粒內(nèi)部顆粒增強(qiáng)相數(shù)量減少了。

電弧超聲和別的超聲一樣,當(dāng)超聲波在熔池中傳播時(shí),對(duì)熔池金屬產(chǎn)生機(jī)械攪拌、熱效應(yīng)、擴(kuò)散作用、聲流效應(yīng)和空化效應(yīng)等超聲效應(yīng),影響熔池中新生增強(qiáng)相的形成、分布及與基體的界面結(jié)合。在超聲傳播過程中,熔池中存在的微小氣泡為空化效應(yīng)的發(fā)生提供了條件,增強(qiáng)相與基體界面處由于潤濕不夠充分,極易出現(xiàn)微小氣泡發(fā)生空化效應(yīng)。當(dāng)大量空化泡集中在界面處或界面附近時(shí),便成為了B原子向晶界擴(kuò)散的屏障,B原子很難穿過空化泡群向晶界擴(kuò)散,從而抑制了新生增強(qiáng)相在晶界處的聚集生長，因此施加超聲電弧后，晶界處的增強(qiáng)相偏聚明顯減少了。超聲的空化作用將熔池中的小氣泡激起、振動(dòng)、生長、收縮以及擊碎[13]，這些小氣泡在閉合瞬間會(huì)釋放能量，從而在液態(tài)熔體中產(chǎn)生局部的高溫高壓和沖擊波，這些沖擊波的能量足以將已經(jīng)形成的晶粒擊碎成幾小塊，進(jìn)而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。在聲流效應(yīng)作用下,溫度更高的液態(tài)金屬高速流入熔池深處,高溫使得聚集的增強(qiáng)相部分分解細(xì)化,同時(shí)高速聲流引起的聲流等效力強(qiáng)烈沖擊增強(qiáng)相,使得增強(qiáng)相被擊碎為顆粒狀分布在晶粒內(nèi)部。

當(dāng)施加10A激勵(lì)電流時(shí)，焊縫晶粒相對(duì)未加超聲時(shí)變得粗大，結(jié)合原子擴(kuò)散的機(jī)理分析可知,只要空化泡存在,即使是小幅值振動(dòng)的空化泡仍能發(fā)揮較為明顯的屏障作用，雖然此時(shí)的超聲作用較弱，但是能夠強(qiáng)烈抑制B元素向晶界擴(kuò)散，使得晶界上的增強(qiáng)相數(shù)量明顯減少，增強(qiáng)相對(duì)晶界的釘扎作用力減小，晶粒長大的阻力降低了；另一方面，由于此時(shí)的超聲作用較弱，空化作用不明顯，空化泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的沖擊波能量不足以擊碎晶粒，因此晶粒較大。當(dāng)激勵(lì)電流提高到20A時(shí)，在有效減少晶界處增強(qiáng)相數(shù)量的同時(shí)，超聲能量已經(jīng)足夠大，超聲產(chǎn)生的大量空化泡瞬間崩潰時(shí)形成的急劇沖擊波使得生長中的晶粒被粉碎,抑制了晶粒的長大,而被震碎的晶塊又在超聲波聲流效應(yīng)的作用下,被卷入到熔池的未凝區(qū),起到結(jié)晶晶核的作用,從而使焊縫組織得到了細(xì)化。此外，超聲波在熔體中引發(fā)的聲流速率可達(dá)到熔體熱對(duì)流速率的10～103倍，這種強(qiáng)烈的流動(dòng)也會(huì)對(duì)已經(jīng)形核長大的部分晶粒有強(qiáng)烈的機(jī)械沖刷作用，會(huì)使一些結(jié)合不牢的晶粒脫落，進(jìn)入熔池成為新的形核核心。聲流還會(huì)將熔池上部的高溫金屬液帶到熔池底部，使整個(gè)熔池中心區(qū)域的液態(tài)金屬溫度趨于一致[14]，使得焊縫各處具有相同的形核幾率，有利于得到均勻的焊縫晶粒組織。在熔池的凝固過程中，晶粒長大實(shí)際上是晶界發(fā)生遷移的過程，超聲波能夠增加晶界遷移的阻力，抑制晶粒長大，同時(shí)超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的急劇沖擊波還強(qiáng)烈沖擊反應(yīng)生成的新生增強(qiáng)相顆粒,促使其迅速擴(kuò)散開來,阻止顆粒在高溫下的團(tuán)聚長大，又通過聲流效應(yīng)使增強(qiáng)相呈顆粒狀彌散分布于晶粒內(nèi)部。由于金屬熔體的黏滯性，對(duì)超聲波具有較強(qiáng)的吸收能力，超聲振動(dòng)不斷被液態(tài)金屬吸收轉(zhuǎn)化成熱能，提高液態(tài)金屬的過熱度[15,16]，超聲激勵(lì)電流越大，其熱效應(yīng)也顯著增大，當(dāng)激勵(lì)電流達(dá)到30A時(shí)，液態(tài)金屬吸收的熱能過多，焊接熱輸入過大導(dǎo)致等軸晶晶粒過分粗化。

2.3 電弧超聲對(duì)接頭強(qiáng)度的影響及斷口分析

分別對(duì)未加超聲電弧以及加入不同激勵(lì)電流的超聲電弧時(shí)得到的焊接接頭進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸試樣參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228—2000制取，室溫下在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為1mm/min，拉伸結(jié)果如表4所示。

對(duì)比結(jié)果可知，未加入超聲電弧時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度為565MPa，達(dá)到了母材的78.5%。激勵(lì)電流為10A時(shí)，焊縫內(nèi)部仍然存在著大量氣孔，而且氣孔尺寸較大，晶粒粗大，超聲電弧的作用效果不明顯。當(dāng)激勵(lì)電流增大到20A時(shí)，氣孔數(shù)量和尺寸都明顯減小，而且焊縫晶粒細(xì)小均勻，晶內(nèi)彌散分布著顆粒狀增強(qiáng)相，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了626MPa，約為母材強(qiáng)度的87%。當(dāng)激勵(lì)電流為30A時(shí)，雖然焊縫中幾乎沒有氣孔，但是由于焊縫熱輸入量過大，焊縫晶粒粗大，抗拉強(qiáng)度較低。

表4 焊縫拉伸性能Table 4 Tensile property of weld joints

在拉伸實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)試樣均在焊縫處發(fā)生斷裂，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸試樣的斷口形貌，結(jié)果如圖6所示。未加入超聲電弧時(shí)，斷口形貌如圖6(a)所示，斷口微觀表面上出現(xiàn)了冰糖狀組織，為典型的沿晶脆性斷裂，這是由于此時(shí)焊縫中的增強(qiáng)相幾乎全部聚集在晶界上，晶內(nèi)幾乎沒有顆粒狀強(qiáng)化相存在，使晶界處于脆化狀態(tài)，成為應(yīng)力集中源和裂紋擴(kuò)展的有利通道。當(dāng)加入激勵(lì)電流為20A的超聲電弧時(shí)，拉伸斷口形貌如圖6(b)所示，斷口中出現(xiàn)了大量韌窩，部分區(qū)域塑性變形痕跡非常明顯，可以認(rèn)為屬于脆性-韌性混合斷裂，這主要是因?yàn)楹缚p為細(xì)小的等軸晶粒組織，新生增強(qiáng)相呈顆粒狀彌散分布在焊縫晶粒中，晶界上聚集的增強(qiáng)相數(shù)量顯著減少，沒有使得晶界弱化，拉伸過程中位錯(cuò)在顆粒處大量塞積形成位錯(cuò)環(huán)，位錯(cuò)環(huán)越來越多，最后撕裂形成韌窩，因此接頭的塑性提高了。這主要是超聲作用的結(jié)果：一方面，加入超聲后焊縫中的氣孔明顯減少，使晶粒之間的結(jié)合性增強(qiáng)，裂紋在穿越晶界時(shí)受到晶界的阻礙，根據(jù)Hall-Petch公式可知，裂紋擴(kuò)展過程中所消耗的能量增大；另一方面，在施加超聲后，空化泡在崩潰時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓沖擊波足以將團(tuán)聚的增強(qiáng)相擊散，使其呈顆粒狀均勻分布，明顯降低了對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，減少了裂紋源，并且還可以對(duì)增強(qiáng)顆粒表面進(jìn)行清洗，活化顆粒表面，改善顆粒與溶液的潤濕性，使其更容易被基體捕獲，提高了增強(qiáng)顆粒與Fe基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，從而提高焊縫的塑性和強(qiáng)度。

圖6 焊縫拉伸斷口形貌(a)常規(guī)TIG焊；(b)激勵(lì)電流為20AFig.6 Tensile fracture morphologies of weld joints(a)conventional TIG welding;(b)with 20A excitation current

3 結(jié)論

(1)在MGH956合金原位合金化焊接過程中，施加超聲電弧對(duì)焊縫氣孔分布有顯著的影響，激勵(lì)電流為10A時(shí)，焊縫氣孔明顯長大，但數(shù)量相對(duì)減少，當(dāng)激勵(lì)電流提高到20，30A時(shí)，氣孔數(shù)量急劇減少，焊縫中幾乎沒有氣孔。

(2)超聲電弧能夠?qū)⒑缚p中粗大晶粒擊碎，在超聲空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)等的作用下，生成細(xì)小的等軸晶組織，但是需要適當(dāng)?shù)某暷芰?，?dāng)激勵(lì)電流為10A時(shí)，超聲電弧的作用較弱，焊縫晶粒粗大，當(dāng)激勵(lì)電流為20A時(shí)，超聲能量適當(dāng)，焊縫晶粒細(xì)小均勻，且增強(qiáng)相呈顆粒狀彌散分布在焊縫中，當(dāng)激勵(lì)電流提高到30A時(shí)，過大的熱輸入量使得等軸晶粒過分粗化。

(3)超聲電弧能夠改善焊接接頭的拉伸性能。當(dāng)施加激勵(lì)電流為20A的超聲電弧時(shí)，接頭強(qiáng)度顯著提高，達(dá)到母材的87%。斷口分析表明，斷口由沿晶脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g-脆混合斷裂。

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Effect of Excitation Current on Tensile Properties of Joint of MGH956 Alloy byIn-situAlloying TIG Welding

LEI Yu-cheng1，2,GONG Chen-cheng1,LUO Ya1,XIAO Bo1，3,ZHU Qiang1

(1 School of Material Science and Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang 212013,Jiangsu,China；2 Jiangsu Province Key Laboratory of High-end Structural Materials,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, Jiangsu,China;3 Jiangsu Shagang Group,Huai Steel Special Steel Co.,Ltd.,Huai’an 223002，Jiangsu,China)

The arc-ultrasonic was excited by modulating the TIG arc through high frequency and the homemade solder was filled in the weld as filler composite. The effect of arc-ultrasonic on pores, microstructures and mechanical properties of MGH956 alloy joints produced by arc-ultrasonicin-situalloying TIG welding with different excitation current was investigated. The results show that when the excitation current is 10A, pores grow up obviously while the number of pores is reduced, moreover, the grains are coarse. When the excitation current increases to 20A, the number of pores sharply decreases, the grains are fine and uniform, and the particle reinforced phases are uniformly distributed in the weld. When the excitation current increases to 30A, the number of pores further decreases while the grains are coarsen. The tensile results indicate that the maximum tensile strength of the weld joint is achieved at an excitation current of 20A, which is 626MPa and reaches 87% of the base metal. The toughness of joints is improved obviously and the fracture surface changes from completely brittle fracture to ductile-brittle mixed fracture.

MGH956 alloy;arc-ultrasonic;TIG welding;pore;microstructure

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.02.002

TG454

A

1001-4381(2015)02-0007-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075191)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；江蘇省高校博士創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(cxlx12_0638)

2014-02-26;

2014-08-20

雷玉成(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事焊接工藝及設(shè)備、焊接過程控制及模擬、先進(jìn)材料連接技術(shù)等方面的研究與開發(fā)，聯(lián)系地址：江蘇省鎮(zhèn)江市京口區(qū)學(xué)府路301號(hào)江蘇大學(xué)材料學(xué)院(212013)，E-mail：yclei@ujs.edu.cn