超聲在電弧焊接中的應用

范成磊，陳琪昊，林三寶，楊春利

（哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

超聲在電弧焊接中的應用

范成磊，陳琪昊，林三寶，楊春利

（哈爾濱工業(yè)大學 先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

超聲場作為一種高效清潔的物理場在電弧焊接中具有越來越多的應用。在電弧焊接過程中，引入超聲，可以有效改善電弧形態(tài)、熔滴過渡以及焊縫組織，最終提高焊接接頭力學性能。超聲在電弧焊接過程中的應用特點主要與超聲施加方法有關，不同的超聲施加方法具有不同的特點，根據(jù)不同的超聲施加方法可將超聲電弧復合焊接分為不同類型。主要綜述了電弧超聲技術、超聲與電弧同軸復合、超聲作用于焊絲以及超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫表面 4種技術的各自特點及研究進展，著重分析了不同技術的設備特點及其對組織與力學性能的影響。最后對該方向的研究進展進行了總結(jié)，并對其發(fā)展前景和主要發(fā)展方向進行了展望。

電弧焊；超聲；組織；力學性能

超聲是一種頻率高于20 kHz的機械振動。超聲具有許多特點：首先是頻率高，波長短，具有良好的定向性，被廣泛應用于工業(yè)檢測及醫(yī)學檢測，這種超聲一般被稱為檢測超聲；其次功率大，能量高，可以用于加工領域，此種超聲被稱為功率超聲。功率超聲在加工制造領域應用廣泛，如超聲輔助焊接及超聲輔助鑄造等，通過超聲特有的效應可以改善加工效果，提高最終加工成品的使用性能。

超聲波與物質(zhì)相互作用時會產(chǎn)生一系列獨特的效應，如力學效應、熱效應、化學效應等，利用這些效應可以改善加工環(huán)境，提高加工質(zhì)量。在電弧焊過程中施加超聲，當超聲作用于電弧或者熔池時，會改變電弧形態(tài)，影響熔滴過渡、熔池流動及凝固，可以細化焊縫晶粒及減少氣孔，最終提高接頭力學性能[1]。

對于超聲輔助電弧焊接技術，從研究開始至今，根據(jù)不同的超聲復合方法，可將其分為以下幾類：①電弧超聲，超聲頻的電信號激發(fā)電弧產(chǎn)生超聲，超聲作用于電弧以及熔池；② 超聲與電弧同軸復合，超聲發(fā)射端發(fā)出超聲，超聲與電弧及熔滴相互作用，改變電弧形態(tài)同時改善熔滴過渡。另外超聲通過電弧可作用于熔池，影響熔池凝固；③ 超聲作用于焊絲，通過焊絲作用于熔池，最終改善焊縫組織；④ 超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫上，超聲通過固體母材傳入熔池內(nèi)部，影響熔池的流動及凝固。對4類超聲輔助電弧焊技術的研究主要包括設備研發(fā)、焊接效果的分析與評價、超聲作用機理研究幾個方面。設備研發(fā)及焊接效果分析與評價兩個方向研究相對較多，然而隨著焊接效果研究的深入，超聲作用機理的研究也越來越受到重視。下面對不同的超聲輔助電弧焊技術的研究進展進行詳細介紹。

1 電弧超聲技術

如何有效地將超聲與電弧焊過程進行復合，這是超聲電弧復合焊接技術的重點。電弧超聲技術是最早將超聲引入電弧焊過程中的方法。1999年清華大學吳敏生教授首次提出電弧超聲技術，利用高頻電流調(diào)制電弧，激勵電弧產(chǎn)生超聲波[2]。對鈦合金的電弧超聲焊接研究表明，電弧超聲TIG焊接頭，隨著超聲頻率的增加和激勵電壓的增大，焊縫區(qū)組織逐漸細化、等軸化，接頭寬度有所降低，接頭拉伸性能有所提高[3]。通過對電弧超聲的傳播特征及其對熔合區(qū)影響的研究表明，電弧超聲在熔池中為縱波傳播，在固液界面處存在反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等，在母材中的聲波經(jīng)多次反射后形成穩(wěn)態(tài)的聲場；電弧超聲在熔合線附近存在較強的振蕩，產(chǎn)生的力學效應能夠細化熔合區(qū)的晶粒組織。由于電弧超聲指向性的存在，熔合區(qū)中間的晶粒細化程度優(yōu)于兩側(cè)焊趾處[4—8]。

上海第二工業(yè)大學王建軍等提出了電弧超聲激勵共熔池雙鎢極氬弧焊接方法。焊接過程中，普通直流TIG電弧與超聲頻電弧共同作用形成熔池。普通直流TIG電弧作為主熱源用于熔化母材，而超聲電弧使熔池中產(chǎn)生超聲振動，設備示意圖見圖1。使用此焊接方法對 304不銹鋼進行焊接，結(jié)果表明，與普通TIG焊接頭相比，電弧超聲激勵共熔池雙鎢極氬弧焊后接頭拉伸性能明顯提高[9]。

江蘇大學雷玉成等人在此基礎上，解決了超聲與交流電弧隔離耦合困難的問題，實現(xiàn)了超聲激勵電源與交流弧焊電源之間的電隔離和耦合，在交流電弧中激發(fā)出了超聲[10—11]。應用此技術，對 SiCp/6061Al基復合材料進行焊接，結(jié)果表明，電弧超聲可使新生Al3Ti相明顯細化；新生顆粒增強相AlN, TiN增多，且分布更為均勻；晶間偏析富 Si相也隨頻率的提高而大幅減少[12—13]。

圖1 雙電弧焊接系統(tǒng)示意圖[9]Fig.1 Schematic of twin-arc system

脈沖電流焊接時，周期性變化的電弧壓力對熔池的攪拌作用能夠破碎枝晶，促進焊縫晶粒細化。當脈沖頻率達到超聲頻率時，電弧形態(tài)和熱分布將發(fā)生顯著變化，熔池受到超聲波振動后，可改善熔池物理化學冶金過程及增加熔池流動性?；诖嗽恚曨l脈沖焊接技術被提出。哈爾濱工業(yè)大學楊春利教授將頻率為20 kHz的超聲頻脈沖電流應用于變極性焊接過程。對2219-T6鋁合金進行焊接，與常規(guī)變極性焊接接頭相比，抗拉強度明顯提高[14]。北京航空航天大學齊鉑金利用超聲頻脈沖 GTAW 焊接方法對0Cr18Ni9Ti不銹鋼及2219鋁合金進行焊接，研究表明，使用超聲頻脈沖方法可以使焊縫晶粒細化、接頭強度提高[15—17]。日本大阪大學的學者Morisada使用高頻TIG對A1050鋁合金進行橫焊，研究了不同頻率對除氣效果的影響，結(jié)果表明，當頻率為 15 kHz時，焊縫中氣孔率最低[18]。

2 超聲與電弧同軸復合

哈爾濱工業(yè)大學楊春利教授課題組通過將超聲發(fā)射端與焊槍同軸復合，成功將超聲引入到 GTAW 及GMAW焊接過程中。在GTAW焊接或者GMAW焊接中，超聲發(fā)射端發(fā)射超聲，超聲作用于電弧以及熔滴，進而傳播到熔池內(nèi)部，改善焊接效果。下面從設備特點、超聲對電弧的影響、超聲對熔滴過渡的影響、電弧內(nèi)聲場分布、超聲對焊縫微觀組織及力學性能的影響5個方面對該技術的研究成果進行詳細介紹。

2.1 設備特點

設備主要包括焊接系統(tǒng)以及超聲發(fā)射系統(tǒng)兩部分。焊接系統(tǒng)主要包括焊接電源、焊槍及冷卻系統(tǒng)；超聲發(fā)射系統(tǒng)包括超聲電源、換能器及發(fā)射端等部分。換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲振動，超聲振動經(jīng)變幅桿通過發(fā)射端傳遞到電弧空間。超聲換能器與焊槍同軸復合，聲發(fā)射系統(tǒng)中心與焊槍中心一致，避免對電弧造成偏吹。利用聲發(fā)射系統(tǒng)的軸向中心通孔可以實現(xiàn)焊接電極的導電功能，電極通過通孔與外部電纜進行連接，電極既可以是非熔化極的鎢極，又可以是熔化極的焊絲。電極與軸孔間預留一定的間隙，可以避免超聲發(fā)射系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)之間的電干擾[19—22]。

超聲電弧復合焊接系統(tǒng)設備見圖 2，包括超聲-GTAW復合以及超聲-GMAW復合。超聲與GTAW焊槍同軸復合后，超聲從發(fā)射端發(fā)出，作用于電弧，改變電弧形態(tài)，最終傳入熔池內(nèi)。超聲與GMAW焊槍同軸復合后，超聲經(jīng)發(fā)射端發(fā)出后，會同時作用于熔滴及電弧，最終傳入熔池，改善最終焊接效果。

圖2 超聲電弧同軸復合式設備Fig.2 Coaxial combined type equipment of ultrasonic and arc

變幅桿端面形狀對復合焊接效果具有較大的影響，哈爾濱工業(yè)大學楊春利教授課題組也對此進行了大量的研究，開發(fā)出了不同端面形狀的變幅桿，從最初的平面，到球冠面、旋轉(zhuǎn)拋物面及旋轉(zhuǎn)雙曲面等。

2.2 超聲對電弧特性的影響

超聲與電弧復合后，電弧特性產(chǎn)生明顯的變化，見圖3。

圖3 電弧形貌[23]Fig.3 Appearance of arc

研究表明，在超聲-GMAW焊接過程中，電弧弧長與超聲發(fā)射端的高度、超聲波振幅及輻射端直徑密切相關。文獻[24]對比了GMAW和超聲-GMAW電弧兩種焊接方法電弧長度的不同，結(jié)果表明，超聲-GMAW 復合焊接電弧長度隨電弧電壓增加率低于GMAW焊接過程，見圖4[24]。超聲-GMAW復合焊接電弧中心亮度明顯提高，電弧形態(tài)更穩(wěn)定。焊接電流對電弧收縮的影響同樣顯著，隨著焊接電流的增大，超聲對GMAW電弧收縮的作用效果逐漸減弱。對超聲-GMAW復合焊接電弧導電特點進行分析，研究表明當送絲速度相同時，超聲-GMAW復合焊接的弧柱電場強度達到普通GMAW弧柱電場強度的2.6倍，有助于提高電弧溫度和電弧的穩(wěn)定性[19]。

圖4 焊接電壓與電弧長度的關系[24]Fig.4 Relationship between welding voltage and arc length

哈爾濱工業(yè)大學孫清潔對超聲-GTAW 焊接電弧行為進行了重點研究。與普通GTAW焊接電弧徑向電弧壓力相比，超聲-GTAW焊接電弧徑向電弧壓力明顯提高，見圖5[25]。超聲-GTAW焊接電弧壓力分布與電弧長度、焊接電流以及噴嘴高度有直接關系[26]。超聲輻射端面形狀對電弧壓力具有較大的影響，變幅桿端面由平面變?yōu)榘济婧?，電弧壓力明顯增大。

圖5 電弧壓力徑向分布[25]Fig.5 Radial distribution of arc pressure

哈爾濱工業(yè)大學謝偉峰對超聲場下超聲特性進行了進一步的研究。結(jié)果表明，超聲復合電弧在內(nèi)外聲場共同作用下，等離子體拘束程度明顯提高，電弧亮度增強，弧柱高溫區(qū)范圍擴展至陽極，中間粒子出現(xiàn)團聚并以一定頻率上下抖動。通過改變超聲激勵電流大小和聲發(fā)射端高度，電弧結(jié)構產(chǎn)生顯著變化，在諧振點附近，電弧挺直度最強，脈動頻率最大[27]。

2.3 超聲對熔滴過渡的影響

與常規(guī)GMAW方法相比，超聲-GMAW復合方法的電弧特征發(fā)生了顯著變化，電弧行為的變化直接影響到熔滴過渡過程。研究發(fā)現(xiàn)，施加超聲后，熔滴過渡行為發(fā)生了明顯變化。短路過渡模式的電壓規(guī)范區(qū)間范圍明顯擴大；滴狀過渡和噴射過渡的規(guī)范區(qū)間提高；高電壓區(qū)間不穩(wěn)定過渡過程完全消失。在相同的焊接電壓下，超聲-GMAW復合焊接短路過渡頻率明顯提升，短路過程更穩(wěn)定。發(fā)生穩(wěn)定短路過渡的電壓范圍擴大，減弱了短路過渡對焊接電壓的依賴性，見圖6[28]。

圖6 不同焊接電壓下短路過渡頻率[28]Fig.6 Short circuit transition frequency at different welding voltages

短路過渡在不同電壓規(guī)范區(qū)間呈現(xiàn)不同變化特點，在低電壓區(qū)間，普通GMAW短路過程比較穩(wěn)定，施加超聲后熔滴尺寸進一步減小，短路頻率提高，短路峰值電流降低。在中等電壓區(qū)間，普通GMAW熔滴尺寸偏大，過渡頻率低，飛濺較大。施加超聲后短路過渡連續(xù)穩(wěn)定，飛濺減小。在高電壓區(qū)間由自由過渡轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪愤^渡[19]。在滴狀過渡模式下，超聲使熔滴發(fā)生變形，在焊絲軸向方向上熔滴被拉長，并且熔池尺寸減小，熔滴過渡頻率增大[29]。

聲場及焊接參數(shù)對熔滴過渡具有較大的影響，超聲激勵電流增大時，熔滴體積逐漸減小，但當超聲激勵電流達到150 mA后，繼續(xù)增加超聲激勵電流，熔滴體積變化較小。焊接電流增加，熔滴過渡頻率加快。對仰焊、仰45°向上焊、立向上焊以及俯45°向上焊4個不同焊接位置的熔滴過渡過程進行研究，發(fā)現(xiàn)施加超聲后，因受軸向力和徑向輻射力作用，4個位置均不同程度顯示出更強的焊接穩(wěn)定性，熔滴運動過程更加平穩(wěn)[22]。

2.4 電弧空間內(nèi)聲場分布

電弧空間中聲壓分布對超聲電弧復合焊接效果具有顯著的影響。對電弧空間聲壓分布的正確認識是研究超聲電弧復合焊接重要的基礎。

哈爾濱工業(yè)大學孫清潔對具有平面發(fā)射端的超聲-GTAW電弧空間聲壓分布進行了研究，對比了兩種不同情況的聲場分布，一種假設超聲從發(fā)射端發(fā)出后在振動前方無反射面，另一種認為在超聲振動前端存在反射面，結(jié)果表明，兩種情況下聲場均為中心對稱分布，聲壓最大值出現(xiàn)在輻射端的軸線上。無限區(qū)域內(nèi)聲場分布隨著距輻射端面距離增加，有散射現(xiàn)象出現(xiàn)，而在有反射面情況下超聲散射不明顯，見圖7[20]。

圖7 超聲聲場計算[20]Fig.7 Calculation of acoustic field

變幅桿端面形狀、頻率及發(fā)射端高度等參數(shù)都會對電弧空間中聲場分布產(chǎn)生影響。研究表明：頻率為28 kHz時，研究范圍內(nèi)近場區(qū)對聲場諧振特性無影響；提高至40 kHz以后，諧振曲線發(fā)生畸變，但發(fā)射端高度大于15 mm以后，畸變非常小，可以忽略。頻率和變幅桿端面輸出振幅提高后，聲壓幅值增大。變幅桿端面形狀變?yōu)榍拾霃绞?1 mm的凹面后，聲壓幅值提高，聲場分布得到改善[21]。

對超聲-GMAW電弧空間聲場研究表明：在發(fā)射端-反射端的聲場形式下，聲場各參量以反射面為起點具有固定的空間分布模式。輻射端高度對聲場各參量的幅值影響最大，在聲場發(fā)生諧振的輻射端高度下，聲壓、振速和聲輻射力的幅值同時達到最大。聲壓和振速幅值及超聲振幅成正比，而聲輻射力幅值與振幅變化的平方成正比。聲壓和振速的幅值與超聲發(fā)射端直徑的平方成正比，聲輻射力的幅值與其變化的四次方成正比[19]。

超聲輔助電弧是在與電弧同軸方向施加非接觸式超聲振動，在聲發(fā)射端與工件之間的區(qū)域形成一個聲輻射場，電弧在外加超聲場作用下，受到聲場附加力作用，電弧軸向和徑向均出現(xiàn)不同程度的壓縮現(xiàn)象，即聲拘束效應。聲拘束效應對焊接飛濺、熔滴過渡及焊接效率均會產(chǎn)生明顯的影響。聲場參數(shù)對聲拘束效應具有明顯的影響。通過優(yōu)化聲場，可獲得較好的聲拘束。結(jié)果表明采用小的中心通孔，大的發(fā)射端面以及合適的曲率可以有效提高聲拘束力。相比于旋轉(zhuǎn)拋物面以及旋轉(zhuǎn)單曲面發(fā)射端，球面聲發(fā)射端對提高聲輻射力具有較好的效果，見圖8，其中D為發(fā)射端深度，λ為空氣中聲波波長[30]。

圖8 3種發(fā)射端聲輻射力隨凹面深度的變化[30]Fig.8 Change of emissive power from 3 transmitting terminals with concave surface

2.5 超聲對焊縫微觀組織和接頭力學性能的影響

超聲與電弧復合后，不僅改變了電弧形態(tài)，影響了熔滴過渡，還對最終接頭組織及力學性能產(chǎn)生影響。不銹鋼超聲-GTAW 焊接結(jié)果表明，施加超聲后熔深有所增加，深寬比增大，焊縫結(jié)晶方式由粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉臉渲Ш偷容S晶，晶粒度減小，熔合區(qū)組織均勻化，見圖9[31]。

圖9 焊縫熔合區(qū)微觀組織[31]Fig.9 Microstructures of fusion zone

對2219, LD10, LF6及ZL114A等多種鋁合金材料的超聲-交流 TIG復合焊接過程進行研究，發(fā)現(xiàn)超聲可減小鋁合金焊接接頭中晶粒尺寸，使熔池金屬的結(jié)晶方式從樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，最終導致接頭組織得到改善[32]。超聲頻率對焊縫微觀組織和力學性能有顯著的影響，對比了28 kHz及40 kHz兩種頻率下的2219鋁合金超聲-GTAW焊接結(jié)果，結(jié)果表明，超聲的施加對于熱影響區(qū)的回復軟化、熔合區(qū)尺寸減小、成分均勻化、焊縫中心組織細化作用效果明顯；使得第二相在熔合區(qū)的分布均勻、形態(tài)窄??；使焊縫中間第二相分布均勻，尺寸小且彌散，并且當超聲頻率為28 kHz時效果最好。超聲的施加明顯提高了接頭的拉伸性能，28 kHz的抗拉強度最高為274.9 MPa，相比于普通TIG提高了12.85%[33]。

采用了普通TIG焊和超聲復合TIG焊對2 mm厚度的2195鋁鋰合金進行了平板對接焊，并對兩種焊接接頭的顯微組織和力學性能進行了研究。結(jié)果表明，由于超聲的作用效果，超聲TIG焊的焊縫具有更加致密的組織，熔合區(qū)附近的等軸細晶區(qū)域較寬。拉伸性能測試表明，超聲TIG焊接頭具有較高的拉伸性能，接頭強度系數(shù)比普通TIG焊提高6.7%，斷后伸長率提高1.36%，拉伸接頭均斷裂在熱影響區(qū)硬脆的晶界相內(nèi)，顯微硬度測試表明超聲TIG焊接頭受熱影響軟化區(qū)域較窄[34]。

2014鋁合金超聲-GTAW焊接結(jié)果表明，超聲對焊縫中氣孔具有明顯的影響。施加超聲以后焊縫中大氣孔數(shù)目減少，甚至消失。與普通 GTAW 焊接接頭相比，力學性能得到提高[35]。

在超聲-GMAW復合焊接研究過程中，發(fā)現(xiàn)當焊接熱輸入增加超過一定范圍后，電弧等離子體的壓縮率變小，熔滴所受附加力也逐漸降低，這些都顯示出溫度場對聲場特性的不利影響。為了降低溫度場對聲場造成的持續(xù)性影響，哈爾濱工業(yè)大學楊春利課題組發(fā)明了一種脈沖超聲輔助電弧焊，實現(xiàn)超聲能量與脈沖電流同相和異相加載。與連續(xù)超聲相比，脈沖超聲輔助電弧焊電弧長度進一步縮短、熔滴尺寸進一步減小、電子溫度增大同時熔滴過渡頻率也增大。焊縫晶粒細化明顯，接頭力學性能提高[36]。

3 超聲作用于焊絲

日本新瀉大學T. Watanabe發(fā)明了一種焊絲超聲振動的復合焊接方法，超聲作用于焊絲并且通過焊絲傳入熔池內(nèi)部。該種方法的優(yōu)點是設備使用性廣，不受焊件尺寸的限制。

3.1 設備特點

設備示意圖見圖 10，焊絲通過導管與超聲變幅桿相連，超聲波作用于焊絲，使焊絲產(chǎn)生超聲振動，超聲振動通過焊絲傳入到熔池內(nèi)部。

圖10 焊絲振動輔助焊接設備示意圖[37]Fig.10 Schematic of apparatus for welding with ultrasonic vibration induced by filler metal

3.2 超聲對焊縫微觀組織和接頭力學性能的影響

鐵素體不銹鋼焊接結(jié)果表明，在低焊接速度條件下，施加超聲后焊縫內(nèi)晶粒明顯細化，高焊接速度時，施加超聲后晶粒細化不明顯。接頭力學性能測試表明，施加超聲后拉伸強度和拉伸斷裂伸長率都明顯提高[37]。

4 超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫表面

相比于超聲與電弧或者焊絲復合，直接將超聲工具頭作用于固體母材或者焊縫表面技術簡單、設備制造容易、超聲與電弧或者焊絲之間的干擾較小。超聲通過固體母材及焊縫傳入焊接熔池，影響熔池的流動及凝固，改善焊縫微觀組織，提高接頭力學性能。

4.1 設備特點

歸納起來主要有3種焊接方法，相應的設備特點如下。

1) 將超聲波工具頭固定在固體母材上，在焊接過程中超聲波通過固體母材傳入到熔池內(nèi)，焊接過程中超聲工具頭始終固定在母材表面某一位置，熔池和超聲工具頭之間距離隨焊接進行逐漸增大，設備示意圖見圖11。

圖11 超聲輔助焊接設備示意圖[38]Fig.11 Schematic of ultrasonic assisted welding equipment

2) 在大尺寸板、長距離焊接時，當超聲工具頭固定在母材表面時，隨熔池與超聲輸入位置之間距離的增大，熔池內(nèi)聲場強度勢必會有一定程度的下降，為了克服這一不利影響，哈工大提出隨焊超聲沖擊焊接方法，在焊接過程中利用超聲工具頭對焊縫表面進行沖擊，間斷性的超聲通過固體母材傳入熔池，影響熔池冶金過程，焊接過程中超聲輸入位置和熔池之間的距離保持不變；對焊縫表面進行超聲沖擊，不僅可以向熔池內(nèi)引入間斷性超聲，避免連續(xù)超聲對熔池熔體造成的飛濺，同時還起到了焊后沖擊處理去應力的作用。設備示意圖見圖12。

圖12 隨焊超聲沖擊焊接試驗設備示意圖[39]Fig.12 Schematic of experimental apparatus of ultrasonic impact during TIG welding

3) 隨焊超聲沖擊焊接方法雖然實現(xiàn)了熔池內(nèi)間斷超聲的引進，但是超聲工具頭不斷地對焊縫表面進行機械沖擊，對超聲工具頭具有不利的影響，會引起超聲工具頭的損耗及破壞。為了解決這一問題，將超聲工具頭設計為滾動式，在焊接過程中輪式超聲工具頭在固體母材表面滾動，周期性超聲通過固體母材傳入熔池，影響熔池流動及凝固，焊接過程中超聲輸入位置和熔池之間的距離保持不變，設備示意圖見圖13。

圖13 試驗設備示意圖[40]Fig.13 Schematic of the experimental setup

4.2 超聲對焊縫微觀組織和接頭力學性能的影響

臺灣逢甲大學Dai在7075-T6鋁合金GTAW焊接過程中，將超聲通過固體母材傳入熔池，結(jié)果表明，施加超聲后焊縫區(qū)和熱影響區(qū)晶粒細化，同時焊縫硬度增大[38]。美國田納西大學 Cui在對不銹鋼手工電焊條焊接過程中，從母材背面引入超聲，研究表明，施加超聲后，可以使焊縫微觀組織由柱狀晶變?yōu)榈容S晶[41]。大連理工大學董紅剛在鋁和不銹鋼電弧焊接中通過固體母材向熔池內(nèi)引入超聲，施加超聲后焊縫晶粒細化、接頭強度明顯提高、脆性的金屬間化合物含量下降，同時焊縫及熱影響區(qū)硬度增加[42]。日本學者 Takehiko在不銹鋼焊接過程中從固體母材中引入超聲，結(jié)果表明，施加超聲后，接頭拉伸強度提高，焊縫內(nèi)柱狀晶寬度下降，一次枝晶間距減小[43]。在鋁合金 GTAW 焊接中，利用超聲工具頭對焊縫表面或者母材表面進行超聲沖擊，結(jié)果表明，焊縫內(nèi)晶粒細化，第二相更加細小彌散，接頭力學性能提高[39]。

4.3 超聲細化焊縫晶粒機制分析

在電弧焊過程中施加超聲，超聲可以細化焊縫晶粒。隨著研究的深入，研究重點逐漸側(cè)重于超聲細化晶粒機理的分析。在定點焊條件下，研究了超聲對鋁合金形核的影響。實驗過程中熄弧前施加超聲，熔池凝固時無超聲，2195Al-Li合金及純鋁焊接研究結(jié)果表明，超聲細化鋁鋰合金 GTAW 焊縫晶粒的機制主要是超聲增加了鋁鋰合金 GTAW 焊熔池內(nèi)異質(zhì)形核率，見圖 14。純鋁熔池內(nèi)異質(zhì)形核點較少，因此純鋁GTAW焊縫組織無明顯細化。

在定點焊條件下，研究了超聲對鋁合金晶粒破碎的影響。在熔池凝固階段施加超聲，利用純鋁為研究對象，以排除異質(zhì)形核對晶粒細化的影響。結(jié)果表明鋁合金熔池凝固過程中，超聲可以打碎晶粒[44]。

圖14 鋁合金焊縫熔合區(qū)附近微觀組織[40]Fig.14 Microstructures around the fusion zone of Al alloy

5 結(jié)語

根據(jù)以上對超聲輔助電弧焊技術研究的總結(jié)，可以得出如下結(jié)論。

1) 對于所有的超聲復合技術，如電弧超聲、電弧與超聲同軸復合、超聲作用于焊絲以及超聲作用于固體母材或者焊縫表面，最后都可以改善焊縫微觀組織，提高接頭力學性能。

2) 每一種超聲復合焊接方法的作用機制雖然都有了初步的研究，但是研究不深入。對每一種超聲復合焊接方法的作用本質(zhì)需進一步研究。

3) 雖然每一種超聲電弧復合焊接方法都取得了一定的焊接效果，展示出了較好的應用前景，但是距實際產(chǎn)業(yè)化應用還存在一定距離。超聲電弧復合焊接設備的研制是限制產(chǎn)業(yè)化應用的一大因素，設備應具有較高的穩(wěn)定性同時要簡便化。

[1] 閆久春, 楊春利, 劉會杰, 等. 超聲復合焊接研究現(xiàn)狀及科學問題[J]. 機械工程學報, 2015, 51(24): 41—49.YAN Jiu-chun, YANG Chun-li, LIU Hui-jie, et al. Overview on Ultrasonic-Assisted Welding and Its Scientific Issues[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015,51(24): 41—49.

[2] 吳敏生, 段向陽, 李路明, 等. 電弧超聲的激發(fā)及其特性研究[J]. 清華大學學報(自然科學版), 1999, 39(6):110—112.WU Min-sheng, DUAN Xiang-yang, LI Lu-ming, et al.Study of Arc-Ultrasonic Excitation and Its Characteristics[J]. Journal of Tsinghua University (Science & Technology), 1999, 39(6): 110—112.

[3] 周榮林, 郭德倫, 李從卿, 等. TC4鈦合金電弧超聲TIG焊[J]. 焊接學報, 2004, 25(6): 97—98.ZHOU Rong-lin, GUO De-lun, LI Cong-qing, et al.Arc-Ultrasonic Tungsten Inert Gar Arc Welding of TC4Ti Alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution,2004, 25(6): 97—98.

[4] HE Long-biao, YANG Ping, LI Lu-ming, et al. The Ultrasonic Characteristics of High Frequency Modulated Arc and Its Application in Material Processing[J]. Ultrasonics, 2014, 54(8): 2178—2183.

[5] HE Long-biao, WU Min-sheng, LI Lu-ming, et al. Ultrasonic Generation by Exciting Electric Arc: A Tool for Grain Refinement in Welding Process[J]. Applied Physics Letters, 2006, 89(13): 33.

[6] 何龍標, 李路明, 吳敏生. 電弧超聲的傳播特征及其對熔合區(qū)的影響[J]. 焊接學報, 2010, 31(8): 5—8.HE Long-biao, LI Lu-ming, WU Min-sheng. Propagating Feature of Arc Ultrasonic and Its Effect on Bond Area[J].Transactions of the China Welding Institution, 2010, 31(8): 5—8.

[7] 張春雷, 吳敏生. 高頻調(diào)制電弧超聲發(fā)射及其物理特性[J]. 焊接學報, 2001, 22(1): 75—78.ZHANG Chun-lei, WU Min-sheng. High-frequency Modulated Arc as an Ultrasonic Generator and Its Physical Property[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2001, 22(1): 75—78.

[8] 何龍標, 李路明, 吳敏生. 高頻調(diào)制電弧的聲學特性及其細化焊縫組織的應用[J]. 應用聲學, 2010, 29(3):222—226.HE Long-biao, LI Lu-ming, WU Min-sheng. The Acoustic Characteristics of High Frequency Modulated Arc and Its Application in Welding Structure Refinement[J]. Applied Acoustics, 2010, 29(3): 222—226.

[9] WANG Jian-jun, HONG Xiao-ou. Research on Twin-Arc TIG Welding with Ultrasonic Excitation and Its Effect to Weld[J]. Key Engineering Materials, 2011, 974(450):300—303.

[10] LEI Yu-cheng, LUO Ya, GONG Chen-cheng, et al. Effect of Traces of CO2on Arc-Ultrasonic TIG-Welded MGH956 Alloy[J]. Materials & Manufacturing Processes,2014, 29(8): 1004—1010.

[11] CHEN Xi-zhang, SHEN Zheng, WANG Jing-jun, et al.Effects of an Ultrasonically Excited TIG Arc on CLAM Steel Weld Joints[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 60(5/6/7/8): 537—544.

[12] LEI Yu-cheng, XUE Hou-lu, HU Wen-xiang, et al. Effect of Arc Ultrasonic Vibration on Microstructure of Joint of Plasma Arc Welding of SiC/6061Al[J]. Science & Technology of Welding & Joining, 2013, 16(7): 575—580.

[13] 雷玉成, 薛厚祿, 胡文祥, 等. 超聲頻電弧對SiCp/6061Al等離子弧焊縫微觀組織的影響[J]. 焊接學報, 2011, 32(4): 9—12.LEI Yu-cheng, XUE Hou-lu, HU Wen-xiang, et al. Effect of Ultrasonic Frequency Arc on Microstructures of Joint in Plasma Arc Welding of Sic/Al Mmcs[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2011, 32(4): 9—12.

[14] 邱靈. 高頻脈沖變極性電弧特性及其對焊接接頭性能的影響[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2007.QIU Ling. High-Frequency Pulse Modulated Variable Polarity Arc Characteristic and Its Effect on Properties of Welded Joints [D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2007.

[15] QI Bo-jin, YANG Ming-xuan, CONG Bao-qiang, et al.The Effect of Arc Behavior on Weld Geometry by Highfrequency Pulse GTAW Process with 0Cr18Ni9Ti Stainless Steel[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 66(9/10/11/12): 1545—1553.

[16] 從保強, 齊鉑金, 周興國, 等. 超聲頻脈沖方波電流對2219鋁合金焊縫組織和力學性能的影響[J]. 金屬學報,2009, 45(9): 1057—1062.CONG Bao-qiang, QI Bo-jin, ZHOU Xing-guo, et al. Influences of Ultrasonic Pulse Square-Wave Current Parameters on Microstructures and Mechanical Properties of 2219 Aluminum Alloy Weld Joints[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2009, 45(9): 1057—1062.

[17] QI Bo-jin, LI Wei, CONG Bao-qiang, et al. The Effect of Hybrid Ultrasonic Pulse Current Parameters on VPTIG Arc Pressure and Weld Formation[J]. Materials Science Forum, 2011, 704/705: 770—774.

[18] MORISADA Y, FUJII H, INAGAKI F, et al. Development of High Frequency Tungsten Inert Gas Welding Method[J]. Materials & Design, 2013, 44: 12—16.

[19] 范陽陽. 超聲-GMAW 復合焊接方法及其熔滴過渡行為研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2011.FAN Yang-yang. Research on Ultrasonic Assisted Gas Metal Arc Welding and Metal Transfer Behaviour[D].Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011.

[20] 孫清潔. 超聲-TIG電弧復合焊接方法及電弧行為研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2010.SUN Qing-jie. Research on Ultrasonic-Arc Behaviors and Ultrasonic Assisted TIG Welding Method[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2010.

[21] 袁鶴然. 鋁合金超聲-交流TIG復合焊電弧行為與接頭組織性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2014.YUAN He-ran. Research on Arc Behaviors and Joint Microstructure & Properties in Ultrasonic Assisted Ac TIG Welding of Aluminum Alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014.

[22] 謝偉峰. 超聲-電弧等離子體作用機制及焊接特性研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2016.XIE Wei-feng. Research on Ultrasonic-arc Plasma Interaction Mechanism and Welding Characteristics[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016.

[23] FAN Yang-yang, LIN San-bao, YANG Chun-li, et al.Research on Arc Characteristics and Metal Transfer Modes of Ultrasonic Assisted GMAW Process[J]. China Welding, 2011, 20(3): 17—21.

[24] FAN Cheng-lei, YANG Chun-li, LIN San-bao, et al. Arc Characteristics of Ultrasonic Wave-Assisted GMAW[J].Welding Journal, 2013, 92(12): 375—380.

[25] SUN Qing-jie, LIN San-bao, YANG Chun-li, et al. The Arc Characteristic of Ultrasonic Assisted TIG Welding[J].China Welding, 2008, 17(4): 52—57..

[26] 孫清潔, 林三寶, 楊春利, 等. 超聲鎢極氬弧復合焊接電弧壓力特征研究[J]. 機械工程學報, 2011, 47(4):53—57.SUN Qing-jie, LIN San-bao, YANG Chun-li, et al. Characteristic of Arc Pressure in Ultrasonic-TIG Hybrid Welding[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2011,47(4): 53—57.

[27] 謝偉峰, 范成磊, 楊春利, 等. 超聲復合電弧聲調(diào)控特性研究[J]. 物理學報, 2015, 64(9): 412—420.XIE Wei-feng, FAN Cheng-lei, YANG Chun-li, et al.Characteristics of Acoustic-Controlled Arc in Ultrasonic Wave-Assisted Arc[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(9):412—420.

[28] FAN Yang-yang, FAN Cheng-lei, YANG Chun-li, et al.Research on Short Circuiting Transfer Mode of Ultrasonic Assisted GMAW Method[J]. Science & Technology of Welding & Joining, 2012, 17(3): 186—190.

[29] FAN Yang-yang, YANG Chun-li, LIN San-bao, et al.Ultrasonic Wave Assisted GMAW[J]. Welding Journal,2012, 91(3): 91—99.

[30] XIE Wei-feng, FAN Cheng-lei, YANG Chun-li, et al.Effect of Acoustic Field Parameters on Arc Acoustic Binding During Ultrasonic Wave-assisted Arc Welding[J].Ultrason Sonochem, 2016, 29: 476—484.

[31] 范陽陽, 孫清潔, 楊春利, 等. 基于超聲振動的 304不銹鋼TIG焊接[J]. 焊接學報, 2009, 30(2): 91—94.FAN Yang-yang, SUN Qing-jie, YANG Chun-li, et al.TIG Welding of the Stainless Steel 304 Based on the Ultrasonic Vibration[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2009, 30(2): 91—94.

[32] 葛一凡. 不同鋁合金材料及薄壁鋁合金管超聲 TIG復合焊工藝性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學,2013.GE Yi-fan. Study on Ultrasonic-TIG Welding Process Performance of Different Aluminum Alloys and Thin-Walled Aluminum Tubes[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013.

[33] 王艷紅. 2219鋁合金超聲-TIG復合焊中超聲頻率的影響[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2012.WANG Yan-hong. The Effect of Ultrasonic Frequency in Ultrasonic Assisted TIG Welding For 2219 Aluminum Alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.

[34] 張玉岐, 楊春利, 林三寶, 等. 2195鋁鋰合金超聲 TIG焊的組織與性能分析[J]. 焊接學報, 2015, 36(10): 53—56.ZHANG Yu-qi, YANG Chun-li, LIN San-bao, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Ultrasonic Assisted TIG Welding of 2195 Al-Li Alloy[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2015, 36(10): 53—56.

[35] YUAN He-ran, LIN San-bao, YANG Chun-li, et al. Microstructure and Porosity Analysis in Ultrasonic Assisted TIG Welding of 2014 Aluminum Alloy[J]. China Welding, 2011, 20(1): 39—43.

[36] XIE Wei-feng, FAN Cheng-lei, YANG Chun-li, et al.Pulsed Ultrasonic-wave-assisted GMAW of 7A52 Aluminum Alloy[J]. Welding Journal, 2016, 95(7): 239—247.

[37] WATANABE T, SHIROKI M, YANAGISAWA A, et al.Improvement of Mechanical Properties of Ferritic Stainless Steel Weld Metal by Ultrasonic Vibration[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(12):1646—1651.

[38] DAI Wen-long. Effects of High-intensity Ultrasonic-wave Emission on the Weldability of Aluminum Alloy 7075-T6[J]. Materials Letters, 2002, 57(16/17): 2447— 2454.

[39] 陳琪昊, 林三寶, 楊春利, 等. 隨焊超聲沖擊對 2A14鋁合金 TIG焊接接頭顯微組織和力學性能的影響[J].中國有色金屬學報, 2016, 26(10): 2071—2077.CHEN Qi-hao, LIN San-bao, YANG Chun-li, et al. Effect of Ultrasonic Impact During Welding on Microstructures and Mechanical Properties of TIG Welded Joint of 2A14 Aluminum Alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2016, 26(10): 2071—2077.

[40] CHEN Qi-hao, LIN San-bao, YANG Chun-li, et al. Effect of Ultrasound on Heterogeneous Nucleation in TIG Welding of Al-Li Alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica,2016, 29(12): 1081—1088.

[41] CUI Yan, XU Cai-lu, HAN Qing-you. Microstructure Improvement in Weld Metal Using Ultrasonic Vibrations[J]. Advanced Engineering Materials, 2010, 9(3): 161—163.

[42] DONG Hong-gang, YANG Li-qun, DONG Chuang, et al.Improving Arc Joining of Al to Steel and Al to Stainless Steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2012, 534:424—435.

[43] WATANABE T, OOKAWARA S, SEKI S, et al. The Effect of Ultrasonic Vibration on the Mechanical Properties of Austenitic Stainless Steel Weld[J]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society, 2003, 21(2):249—255.

[44] CHEN Qi-hao, LIN San-bao, YANG Chun-li, et al. Grain Fragmentation in Ultrasonic-assisted TIG Weld of Pure Aluminum[J]. Ultrason Sonochem, 2017, 39: 403—413.

Application of Ultrasonic in Arc Welding

FAN Cheng-lei,CHEN Qi-hao,LIN San-bao,YANG Chun-li
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

There are more and more applications for ultrasonic field in the arc welding process. Ultrasound could effectively improve the arc shape, droplet transfer and weld microstructure. Finally, the mechanical properties of welded joints are improved. The application of ultrasonic in the process of arc welding is mainly related to the method of ultrasonic application.Different ultrasonic application methods have different characteristics. Ultrasonic assisted arc welding can be divided into different types according to different ultrasonic input methods. This paper mainly reviewed the characteristics and the latest research progress of four ultrasonic assisted arc welding methods: arc ultrasonic technique, coaxial recombination of ultrasonic and arc, application of ultrasonic on welding wire or application of ultrasonic tool heads on solid base metal or weld surface.The characteristics of equipment, microstructure and mechanical properties were investigated. The research progress was summarized, and its development prospect and orientation was analyzed at last.

arc welding; ultrasonic; microstructure; mechanical properties

2017-11-16

國家自然科學基金（51675130）

范成磊（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為高效焊接及焊接質(zhì)量控制。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.007

TG457.14

A

1674-6457(2018)01-0057-10