薛厚祿，雷玉成，2，胡文祥，劉珍珍，閆久春，2

(1.江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013，E-mail:xuehoulu@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室，哈爾濱150001)

交流電弧超聲對SiCp/6061Al焊接接頭的作用機理研究

薛厚祿1，雷玉成1，2，胡文祥1，劉珍珍1，閆久春1，2

(1.江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013，E-mail:xuehoulu@126.com; 2.哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室，哈爾濱150001)

為了改善SiCp/6061Al的焊接性能，在其焊接過程中引入了電弧超聲技術(shù).應用自主研制的交流電弧超聲等離子焊接設備，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SiCp/6061Al進行了等離子弧原位焊接，研究了電弧超聲對焊接接頭的作用機理.實驗結(jié)果表明：電弧超聲可使新生Al3Ti相明顯細化;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，電弧超聲主要通過空化效應和聲流效應的綜合作用對Al3Ti相的形態(tài)及分布產(chǎn)生影響，同時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

顆粒增強鋁基復合材料具有高的比強度和比模量、低熱膨脹系數(shù)以及耐磨、耐高溫等一系列優(yōu)點，在航天航空、汽車、電子、體育等領域表現(xiàn)出巨大的應用前景［1－2］.但由于增強體的存在，鋁基復合材料在熔化焊的過程中極易發(fā)生界面反應生成脆性相Al4C3，影響接頭性能的提高［3］.通過向熔池中添加元素Ti，可以抑制界面反應改善冶金過程，并可原位形成新的增強相Al3Ti，一定程度上提高了接頭性能［4］.但新生增強相顆粒粗大、分布不均勻成為制約鋁基復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化晶粒，改善顆粒分布［6］.但傳統(tǒng)的超聲耦合方式為機械耦合，在焊接過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)的研究因耦合問題僅局限于直流電弧領域，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計了1臺耦合器，解決了交流電弧中超聲源耦合的問題，在交流電弧中成功激發(fā)出超聲波，并將該技術(shù)應用于鋁基復合材料的等離子弧焊接工藝中，并研究了交流電弧超聲對鋁基復合材料中新生增強相的作用機理.

1 實驗

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和超聲激勵電源，二者通過自制的隔離耦合裝置相連接，如圖1所示.超聲激勵電源的頻率調(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 交流電弧超聲試驗系統(tǒng)原理圖

該隔離耦合裝置從弧焊電源端到超聲激勵源端為無源高通濾波電路，可以隔離低頻的交變焊接電流，避免其對超聲激勵源造成損害;同時高頻的超聲激勵信號可以通過該裝置實現(xiàn)與弧焊電源的并聯(lián)耦合.由于不同頻率的超聲激勵信號通過電容后的衰減值不同，同時考慮對焊接電流的隔離效果，針對不同頻率的激勵信號選取不同容值的電容，以保證激勵電流值的穩(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 實驗材料及方法

本實驗所用母材為 SiCp/6061Al基復合材料，其中增強相SiC平均尺寸6 μm，體積分數(shù)為10%，退火狀態(tài)下抗拉強度為 320 MPa;基體6061Al的化學成分見表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的化學成分(質(zhì)量分數(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.使用型號為HPT－8的等離子焊槍進行等離子弧焊接，引弧方式為高頻引弧.為防止高頻引弧過程對超聲激勵源造成危害，焊接前先斷開開關K，待電弧穩(wěn)定后再閉合開關K.選取激勵電壓50 V，激勵頻率分別為20、30、40、50、60和70 kHz進行焊接.焊接實驗參數(shù)如表3所示.

表3 焊接實驗參數(shù)

用掃描電鏡(SEM)對焊縫組織進行觀察，用X射線衍射法結(jié)合能譜分析(EDS)進行物相鑒定，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)了粗大的長條狀相和少量顆粒相，其中粗大的長條狀相呈橫向分布.結(jié)合X射線衍射分析和能譜分析，如圖3及圖4可知，粗大的長條狀相為Al3Ti，少量顆粒狀相為TiC.Al3Ti具有較高的比強度及良好的耐熱性，但在室溫下極脆，小體積的Al3Ti可對基體金屬起到增強作用，但粗大的長條狀Al3Ti會嚴重破壞基體的連續(xù)性，造成接頭力學性能下降［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，焊縫組織如圖5(a)所示，與未施加電弧超聲相比，Al3Ti相明顯細化，且部分細長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長狀整體形貌.當電弧超聲激勵頻率為30 kHz時，如圖5(b)，被擊碎為細顆粒狀的Al3Ti相脫離原有位置，均勻而分散地分布在基體組織中.當激勵頻率增加到40 kHz時，如圖5(c)所示，Al3Ti相較之前變得粗大，呈細長棒狀沿縱向分布在焊縫組織中，無被擊碎的痕跡.電弧超聲激勵頻率為50 kHz時，如圖5 (d)，Al3Ti相較40 kHz時長度變短，且呈短棒狀均勻分布在焊縫組織中.當施加的電弧超聲頻率提高到60 kHz時，如圖5(e)，Al3Ti相的大小較之前別的激勵頻率下有所增大，主要呈塊狀均勻分布在基體中.當激勵頻率繼續(xù)增大到70 kHz時，如圖5(f)所示，Al3Ti相變得更為粗大，與60 kHz下相比，長度增加，且呈長條狀沿縱向分布.綜上觀察分析可知，在焊接過程中施加電弧超聲后，焊縫組織中的Al3Ti相得以明顯細化，雖然隨著電弧超聲激勵頻率的增大，Al3Ti相有粗化的趨勢，但仍較未施加電弧超聲時細小.其中，當電弧超聲激勵頻率為30、50和60 KHz時，Al3Ti相呈顆粒狀或塊狀均勻而分散地分布在基體組織中;而當電弧超聲激勵頻率為20、40和70KHz時，Al3Ti相呈細長狀沿縱向分布在焊縫組織中，某些細長相雖被擊碎，但仍沿原有位置呈斷續(xù)排布.

2.2 電弧超聲作用機理分析

電弧超聲同其他功率超聲一樣，作用在熔體中時會產(chǎn)生空化效應和聲流效應，從而影響熔池中新生增強相的形態(tài)及分布.當超聲波作用于熔體中時，熔體受到周期性交變聲場的作用，在聲波稀疏相內(nèi)受到拉應力，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［12］.熔體中的空化首先是從熔體中強度較為薄弱的地方開始的，當熔體中存在增強相時，在增強相與熔體的界面處由于結(jié)合力較弱，往往最先開始產(chǎn)生空化泡.這些存在于增強相表面的空化泡以及空化泡崩潰時產(chǎn)生的高溫高壓影響了元素向新生增強相的擴散，極大地制約著增強相的生長，因此，在焊接過程中施加電弧超聲后，新生增強相Al3Ti明顯細化.但隨著電弧超聲激勵頻率的提高，熔體中的空化效應將會變?nèi)酰?3］，這是因為隨著頻率的提高，空化泡的膨脹周期變短，空化核可能來不及生長到可以產(chǎn)生效果的空化泡，并且由于空化泡壓縮周期變短，長大的空化泡可能來不及發(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，隨著電弧超聲激勵頻率的增大，新生增強相Al3Ti因制約其生長的空化效應變?nèi)醵靡圆粩嗌L變得粗大.

空化效應除能制約新生增強相的生長以外，其產(chǎn)生的局部高溫高壓也會對已經(jīng)存在的增強相產(chǎn)生顯著的影響.熔體中的空化泡在崩潰時產(chǎn)生局部高壓沖擊波，短時間內(nèi)釋放出大量的能量，足以將細長的新生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，熔體中因空化效應產(chǎn)生的沖擊波壓力大小主要取決于電弧超聲激勵能量的大小［14］.在本實驗中，電弧超聲激勵電壓在不同頻率下均為50 V，但實驗結(jié)果顯示:在不同頻率下，雖然激勵能量相同，但空化效應對新生Al3Ti產(chǎn)生的擊碎效果卻不同，頻率為30、50和60 kHz時擊碎效果最為顯著，頻率為20、40和70 kHz時擊碎效果不明顯.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］.在對電弧超聲技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，電弧超聲對激勵頻率的響應存在某種“選擇性”，在某些頻率帶電弧超聲信號幅度明顯增大，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.本實驗中，在等離子弧焊過程中記錄到的幾個“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產(chǎn)生的高壓沖擊波壓力幅值迅速提高，對新生增強相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，即超聲在熔體中傳播時，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始形成了一定的聲壓梯度，導致熔體的流動［12］.當聲壓幅值超過一定值時熔體中將產(chǎn)生自上而下的環(huán)流.在環(huán)流的作用下，新生增強相Al3Ti將沿環(huán)流運動路徑，隨著環(huán)流的流動而運動.因此，在電弧超聲作用下，長條狀的新生Al3Ti將在環(huán)流的帶動下，沿環(huán)流運動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.隨著電弧超聲激勵頻率的增大，熔池中環(huán)流的速度和強度也將增大，提高了聲流的作用效果;但電弧超聲激勵頻率的增大，同時使得新生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，電弧超聲對焊接熔池中新生增強相Al3Ti的影響主要是空化效應和聲流效應綜合作用的結(jié)果，同時受到電弧超聲“諧振波群”現(xiàn)象的影響.電弧超聲的作用機理如圖6所示，在電弧超聲作用下產(chǎn)生的空化效應制約著Al3Ti的生長，使得Al3Ti細化，同時空化泡崩潰時產(chǎn)生的局部高壓沖擊波將細長Al3Ti擊碎，然后在聲流效應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，上述過程較弱，如圖6(b)所示，細長Al3Ti沿聲流運動方向呈縱向分布，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 電弧超聲作用機理示意圖

3 結(jié)論

1)根據(jù)無源高通濾波電路原理設計的電弧超聲隔離耦合裝置可以達到將弧焊電源和超聲激勵源隔離耦合的目的，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)的引入使得鋁基復合材料焊縫中的新生增強相Al3Ti明顯細化，隨著電弧超聲激勵頻率的提高，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和聲流效應共同作用的結(jié)果，同時受到電弧超聲“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 文獻標志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)05－0040－05

2010－10－27.

哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室開放基金課題(09003);江蘇科技大學先進焊接技術(shù)省級重點開放研究基金課題(JSAWT－09－03);江蘇大學科技創(chuàng)新團隊資助項目(JD0805).

薛厚祿(1986－)，男，碩士.

(編輯 呂雪梅)