隨焊超聲沖擊對(duì)2A14鋁合金TIG焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響

陳琪昊，林三寶，楊春利，范成磊，曲宏韜

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隨焊超聲沖擊對(duì)2A14鋁合金TIG焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響

陳琪昊，林三寶，楊春利，范成磊，曲宏韜

(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)

為了改善2A14鋁合金TIG焊接頭的顯微組織與力學(xué)性能，在TIG焊過(guò)程中，利用超聲變幅桿對(duì)焊縫進(jìn)行超聲沖擊，超聲通過(guò)固體母材和焊縫傳入熔池內(nèi)，影響熔池的流動(dòng)及凝固，從而達(dá)到細(xì)化焊接接頭晶粒和提高接頭力學(xué)性能的目的，利用激光測(cè)振儀對(duì)熔池表面的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明：超聲沖擊使焊接接頭的顯微組織發(fā)生明顯的變化，焊縫中心和熔合區(qū)的晶粒由柱狀晶變?yōu)榱说容S晶，晶粒尺寸減小，第二相尺寸變小且分布更加分散。超聲沖擊使接頭抗拉強(qiáng)度提高，抗拉強(qiáng)度由246.18 MPa 提高到265.50 MPa，斷后伸長(zhǎng)率由5.33%增加到6.47%。超聲沖擊使熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)，導(dǎo)致熔池內(nèi)溫度更加均勻；溫度梯度減小，有利于等軸晶的形成及晶粒的細(xì)化。

鋁合金；超聲沖擊；TIG焊接；熔池；顯微組織；力學(xué)性能

鋁合金具有良好的力學(xué)性能及抗腐蝕等性能，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1?2]。在鋁合金焊接方法中，鎢極氬弧焊(TIG)由于焊接品質(zhì)高、成形美觀以及容易操作等優(yōu)點(diǎn)，是一種最常用的焊接方法[3]。然而，鋁合金TIG焊接頭常常因?yàn)榻宇^晶粒粗大且缺陷較多，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度較低，影響了鋁合金構(gòu)件的使用。為了提高鋁合金TIG焊接頭的力學(xué)性能，必須對(duì)常規(guī)TIG焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)。

超聲波是一種高頻機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生聲流動(dòng)及聲空化現(xiàn)象[4]。在鑄造領(lǐng)域，已有研究表明，超聲波熔體處理對(duì)于鑄件的晶粒細(xì)化是一種簡(jiǎn)單而又有效的方法[5?10]。超聲場(chǎng)下鑄件組織細(xì)化的原理主要基于熔體中超聲產(chǎn)生的聲流動(dòng)及聲空化作用。

焊接和鑄造有一定的相似性，都涉及到熔體的凝固過(guò)程。研究人員也將超聲波振動(dòng)與焊接技術(shù)進(jìn)行復(fù)合，研究出許多超聲波焊接復(fù)合加工技術(shù)，比如超聲波輔助釬焊[11]、電弧激勵(lì)超聲輔助焊接[12]、超聲波電弧復(fù)合焊接[13?15]。其中在超聲波電弧焊接領(lǐng)域，利用超聲波的能量影響熔池的流動(dòng)及凝固，可以細(xì)化焊接接頭晶粒，提高接頭的力學(xué)性能。

在超聲波電弧焊接領(lǐng)域，目前，有兩種超聲波輔助電弧焊方法。一種是超聲波通過(guò)電弧空間從熔池正上方傳入熔池內(nèi)部[12, 14?15]；另一種是超聲波工具頭固定在母材上，超聲波通過(guò)固體母材傳入熔池內(nèi)部[13]。然而，這兩種超聲波電弧焊方法目前還不完善，仍存在一些問(wèn)題。由于在焊接的過(guò)程中，電弧是一種高溫等離子體，當(dāng)超聲波在電弧空間傳播時(shí)，衰減較大，導(dǎo)致傳入熔池內(nèi)部的超聲能量較小，超聲的利用率較低。當(dāng)將超聲波工具頭固定在母材上，在焊接的過(guò)程中，母材表面上的超聲輸入位置與熔池之間的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，當(dāng)距離非常大時(shí)，熔池內(nèi)超聲能量較小，超聲細(xì)化焊接接頭組織的能力也會(huì)減弱，不利于超聲復(fù)合焊接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，為了提高超聲波的利用率，同時(shí)保持超聲改善焊接接頭組織和力學(xué)性能的均勻性，必須設(shè)計(jì)一種新的超聲波輔助電弧焊方法。

為了解決這些問(wèn)題，本文作者設(shè)計(jì)了一種新的超聲波輔助電弧焊方法。在TIG焊接的過(guò)程中，在熔池后方一定距離處，利用超聲工具頭間斷性地沖擊焊縫表面，將超聲波振動(dòng)從固體母材和焊縫傳入熔池內(nèi)。在焊接的過(guò)程中，熔池和超聲沖擊位置之間的距離始終保持不變。此種方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，超聲波能量從固體母材和焊縫傳入焊接熔池內(nèi)，超聲能量的利用率較高；第二，超聲輸入位置和熔池之間的距離始終保持不變，這樣在焊接的過(guò)程中，保證熔池內(nèi)的超聲能量不會(huì)逐漸下降。

本文作者使用這種隨焊超聲沖擊焊接方法對(duì)2A14鋁合金進(jìn)行平板對(duì)接焊，研究了隨焊超聲沖擊對(duì)2A14鋁合金TIG焊接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響，同時(shí)分析了超聲沖擊環(huán)境下2A14鋁合金TIG焊接頭顯微組織改善的原因。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究所使用的隨焊超聲沖擊設(shè)備如圖1所示，設(shè)備主要包括兩大系統(tǒng)，分別為超聲沖擊系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)。超聲沖擊系統(tǒng)包括超聲振動(dòng)系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)。超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括超聲波電源、換能器和工具頭，超聲振動(dòng)系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，當(dāng)工具頭與固體母材和焊縫接觸后將超聲波振動(dòng)傳入固體母材內(nèi)；壓力系統(tǒng)包括氣缸和空氣壓縮機(jī)，其作用是為超聲振動(dòng)系統(tǒng)的上下移動(dòng)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)超聲工具頭對(duì)焊件表面的機(jī)械沖擊。超聲工具頭對(duì)焊件表面進(jìn)行機(jī)械沖擊，將間斷性的超聲波振動(dòng)傳入到熔池內(nèi)部。

利用設(shè)備對(duì)4 mm厚的2A14鋁合金板進(jìn)行平板對(duì)接焊，開(kāi)45° Y型坡口，鈍邊2 mm。使用的焊絲材料為ER2319，其直徑為1.2 mm。母材及焊絲成分如表1所列。本研究所用的焊接電源為Dynasty 350交流逆變焊機(jī)，焊接電源參數(shù)如表2所列，表2中EN代表電流負(fù)半波幅值，EP代表電流正半波幅值。其他焊接參數(shù)為：焊接速度為150 mm/min，氬氣流量為15 L/min，電弧長(zhǎng)度為3 mm，送絲速度為1800 mm/min。超聲沖擊參數(shù)如表3所列。

利用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS-PMG3)和掃描電鏡(Hitac-hi-S3400N)對(duì)焊接接頭橫截面和縱截面顯微組織進(jìn)行觀察，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(CSS44300)對(duì)2A14鋁合金TIG焊接頭的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，利用激光測(cè)振儀(OFV-505/500)對(duì)熔池上表面的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 隨焊超聲沖擊焊接實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

表1 母材和焊絲化學(xué)成分

表2 TIG焊接電源參數(shù)

表3 超聲沖擊參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲沖擊對(duì)顯微組織的影響

利用隨焊超聲沖擊焊接方法，對(duì)4 mm厚的2A14鋁合金板材進(jìn)行平板對(duì)接焊實(shí)驗(yàn)，焊絲選用ER2319焊絲。焊后截取焊接接頭的橫截面進(jìn)行顯微組織分析，分析了隨焊超聲沖擊對(duì)焊縫中心區(qū)(WZ)、熔合區(qū)(FZ)以及熱影響區(qū)(HAZ)的顯微組織的影響，研究結(jié)果如圖2和3所示。結(jié)果表明：在焊縫中心處，施加超聲沖擊后，晶粒尺寸有變小的趨勢(shì)；在熔合區(qū)，對(duì)于常規(guī)TIG焊接頭，其晶粒為柱狀晶，晶粒生長(zhǎng)具有明顯的方向性，沿著散熱方向生長(zhǎng)。在TIG焊接過(guò)程中施加超聲沖擊后，熔合區(qū)晶粒的生長(zhǎng)不再具有方向性，柱狀晶的生長(zhǎng)受到了抑制，柱狀晶變?yōu)榈容S晶；在熱影響區(qū)，施加超聲沖擊后，晶粒形態(tài)及尺寸無(wú)明顯變化?？梢?jiàn)，在TIG焊過(guò)程中施加超聲沖擊后，超聲能量對(duì)2A14鋁合金TIG焊縫的顯微組織產(chǎn)生了較大的影響。

圖2 2A14鋁合金TIG焊縫中心顯微組織

圖3 2A14鋁合金TIG焊接頭熔合區(qū)及熱影響區(qū)的顯微組織

為了進(jìn)一步分析超聲能量對(duì)焊縫顯微組織的影響，也對(duì)焊縫縱截面顯微組織進(jìn)行了觀察，如圖4所示。圖4(a)為利用光學(xué)顯微鏡觀察得到的組織，圖4(b)為用掃描電鏡觀察得到的組織。圖4中有超聲沖擊和無(wú)超聲沖擊兩部分來(lái)源于同一個(gè)試件。結(jié)果表明：焊縫縱截面顯微組織發(fā)生了明顯的變化，無(wú)超聲沖擊作用時(shí)，在焊縫中心處，晶粒為柱狀晶，生長(zhǎng)具有明顯的方向性；有超聲沖擊作用時(shí)，柱狀晶消失，變成了等軸晶，如圖4(a)所示。在一個(gè)試件內(nèi)，無(wú)超聲沖擊時(shí)，焊縫中心表現(xiàn)為順著焊接方向生長(zhǎng)的柱狀晶組織；施加超聲沖擊后，超聲波傳入熔池，在熔池內(nèi)引起聲空化和聲流攪拌作用，改變了熔池結(jié)晶及晶體生長(zhǎng)的環(huán)境，晶粒發(fā)生細(xì)化，由柱狀晶變?yōu)榈容S晶。在TIG焊過(guò)程中施加超聲沖擊，使焊縫中心處柱狀晶和等軸晶交替出現(xiàn)，焊縫中心不再是純粹的柱狀晶，晶粒發(fā)生了細(xì)化，有利于焊接接頭力學(xué)性能的提高。圖4(b)為超聲沖擊對(duì)焊縫縱截面第二相分布的影響，結(jié)果表明：無(wú)超聲沖擊作用時(shí)，晶內(nèi)分布有少量強(qiáng)化相′相(Al2Cu)，晶界處存在大量的(Al)+′相(Al2Cu)共晶；施加超聲沖擊后，第二相變得更加分散，′相(Al2Cu)及(Al)+′相(Al2Cu)共晶在超聲波的空化作用下被打碎，不再具有明顯的長(zhǎng)條狀，彌散地分布于晶界及晶內(nèi)，尺寸小并且均勻。(Al)+′相(Al2Cu)共晶相硬脆，施加超聲沖擊后共晶相被打碎，可以減少焊縫內(nèi)硬脆的共晶相產(chǎn)生的應(yīng)力集中，從而提高力學(xué)性能。

圖4 隨焊超聲沖擊對(duì)2A14鋁合金TIG焊縫縱截面微觀 組織的影響

2.2 超聲沖擊對(duì)焊接接頭拉伸性能的影響

在2A14鋁合金TIG焊接的過(guò)程中，施加超聲沖擊前后焊接接頭顯微組織發(fā)生了明顯的變化，顯微組織的變化肯定會(huì)對(duì)接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。表4所列為2A14鋁合金TIG焊接頭拉伸性能測(cè)試結(jié)果。樣品1~3為常規(guī)TIG焊接頭測(cè)試結(jié)果，樣品4~6為施加超聲沖擊后的TIG焊接頭測(cè)試結(jié)果。從表4中可以看到，在TIG焊接過(guò)程中，施加超聲沖擊后，接頭抗拉強(qiáng)度從246.18 MPa提高到265.50 MPa；斷后伸長(zhǎng)率從5.33%提高到6.47%。施加超聲能量后接頭的抗拉強(qiáng)度提高。對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度提高的原因進(jìn)行分析：在TIG焊過(guò)程中施加超聲沖擊后，焊縫熔合區(qū)和焊縫中心處晶粒由柱狀晶變?yōu)榈容S晶，晶粒尺寸變小，晶粒尺寸的減小有利于接頭力學(xué)性能的提高。同時(shí)，超聲沖擊使焊縫中硬脆的第二相更加細(xì)小同時(shí)分布更加彌散，這也會(huì)提高接頭的力學(xué)性能。

表4 焊接接頭抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率

對(duì)焊縫斷裂位置觀察發(fā)現(xiàn)施加超聲沖擊前后斷裂都發(fā)生在焊縫中心處。利用掃描電鏡對(duì)焊接接頭的斷口進(jìn)行觀察，如圖5所示。圖5(a)為常規(guī)TIG焊接頭斷口形貌；圖5(b)為隨焊超聲沖擊斷口形貌。常規(guī)TIG焊接頭斷口呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，斷口具有平面狀特征；在TIG焊過(guò)程中施加超聲沖擊后，接頭斷口形貌表現(xiàn)出脆性斷裂和韌性斷裂混合斷裂的特征，具有撕裂的痕跡?？梢?jiàn)，在TIG焊接過(guò)程中施加超聲沖擊改變了焊接接頭的斷裂方式，超聲沖擊提高了接頭的韌性，降低了接頭的脆性。

2.3 超聲沖擊對(duì)TIG焊熔池振動(dòng)的影響

為了分析超聲沖擊改善焊接接頭顯微組織的原因，本文作者研究超聲沖擊對(duì)TIG焊熔池振動(dòng)的影響。研究3種不同情況：1) 測(cè)試了未焊接條件下平板表面的振動(dòng)，理論上其振動(dòng)幅度為零；2) 在TIG焊接過(guò)程中，未施加超聲沖擊時(shí)熔池的振動(dòng)；3) 在TIG焊接過(guò)程中，施加超聲沖擊時(shí)熔池的振動(dòng)。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看到，當(dāng)未焊接時(shí)，平板表面無(wú)振動(dòng)，其振幅為0，振動(dòng)中心位置在0處；在TIG焊接過(guò)程中，施加超聲沖擊后，熔池上表面振動(dòng)的中心位置發(fā)生了明顯的上移，縱坐標(biāo)位置在0以上；而對(duì)于常規(guī)TIG焊接，無(wú)超聲沖擊情況下，熔池上表面振動(dòng)的中心位置位于0以下，發(fā)生了下移。這表明，在超聲能量的作用下，熔池上表面的振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了明顯的改變。

圖5 2A14鋁合金TIG焊接頭斷口形貌

圖6 隨焊超聲沖擊對(duì)TIG熔池振動(dòng)的影響

對(duì)于不施加超聲沖擊情況下的普通TIG焊熔池，根據(jù)已有的研究結(jié)果，液面是凹液面，熔池上表面振動(dòng)的中心位置要低于平板的上表面，因此，熔池振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)出其振動(dòng)中心位置和未焊接時(shí)的平板振動(dòng)中心位置不重合，低于未焊接時(shí)平板振動(dòng)的中心位置。當(dāng)在TIG焊接過(guò)程中，施加超聲沖擊后，由于聲流的作用，熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)，熔池上表面可能處于翻滾狀態(tài)，有的位置甚至高于平板的上表面，有的位置低于平板的上表面。因此，當(dāng)激光照射點(diǎn)的位置正好處于熔池上表面翻滾的峰位時(shí)，其振動(dòng)的中心位置就會(huì)和普通TIG熔池上表面振動(dòng)中心位置相反，振動(dòng)中心位置將高于0。熔池振動(dòng)示意圖如圖7所示。施加超聲沖擊后，熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)。根據(jù)文獻(xiàn)[16?17]，超聲作用于熔體時(shí)，由于聲流作用，使熔體的流動(dòng)性增強(qiáng)，熔體溫度更加均勻，溫度梯度下降，會(huì)抑制柱狀晶的形成，促使等軸晶的生成，因此，在TIG焊過(guò)程中施加超聲沖擊，超聲能量有利于焊縫中心和熔合區(qū)晶粒由柱狀晶變?yōu)榈容S晶。

圖7 熔池振動(dòng)示意圖

3 結(jié)論

1) 提出一種隨焊超聲沖擊焊接方法，在TIG焊接的過(guò)程中，超聲變幅桿間斷性的沖擊熔池后方焊縫，將超聲能量通過(guò)固體母材和焊縫傳入TIG熔池中從而影響熔池的流動(dòng)及結(jié)晶。在焊接過(guò)程中，超聲沖擊位置和熔池之間的距離保持不變。

2) 在TIG焊接過(guò)程中施加超聲沖擊后，焊縫中心和熔合區(qū)晶粒由柱狀晶變?yōu)榈容S晶，晶粒尺寸減小，接頭抗拉強(qiáng)度提高，斷后伸長(zhǎng)率增大。

3) 在TIG焊過(guò)程中施加超聲沖擊后，熔池流動(dòng)性增強(qiáng)，熔池內(nèi)溫度梯度下降，抑制了柱狀晶的生長(zhǎng)，促進(jìn)了等軸晶的形成。

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(編輯 李艷紅)

Effect of ultrasonic impact during welding on microstructures and mechanical properties of TIG welded joint of 2A14 aluminum alloy

CHEN Qi-hao, LIN San-bao, YANG Chun-li, FAN Cheng-lei, QU Hong-tao

(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In order to improve the microstructures and mechanical properties of tungsten inert gas(TIG) welded joint of 2A14 aluminum alloy, ultrasonic horn periodically impacts the seam during TIG welding. The ultrasound propagates into the weld pool through the weld and base material, so that the ultrasonic energy can effectively influence the fluidity and crystallization of weld pool. Finally, the grain was refined and the mechanical properties were improved for welded joints. The results show that the microstructures are significantly improved after applying the ultrasonic impact. The grain is changed from the column grain to the equiaxed grain in the weld center and the fusion zone, and the grain size decreases in the weld center. Moreover, the distribution of the second phase becomes more uniform and the size becomes smaller after applying the ultrasonic impact. The ultrasonic impact during TIG welding can improve the tensile strength of welded joint and it is improved from 246.18 MPa to 265.50 MPa. The elongation is improved from 5.33% to 6.47%. The ultrasonic impact can improve the fluidity of weld pool, which results in an uniform temperature, so that the form of equiaxed grain and the grain refinement can be promoted.

aluminum alloy; ultrasonic impact; TIG welding; weld pool; microstructure; mechanical property

Project(51435004) supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China

2015-12-15; Accepted date:2016-04-16

YANG Chun-li; Tel: +86-451-86418775; E-mail: yangcl9@hit.edu.cn

1004-0609(2016)-10-2071-07

TG457.1

A

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51435004)

2015-12-15；

2016-04-16

楊春利，教授，博士；電話：0451-86418775；E-mail: yangcl9@hit.edu.cn