雷玉成，承 龍，李猛剛，梁申勇

(江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

MGH956合金是采用機械合金化方法制造的氧化物彌散強化(oxide dispersion strengthened，ODS)高溫合金，利用納米級的氧化物質(zhì)點(如Y2O3等)對基體進行強化［1－2］，具有優(yōu)異的高溫力學性能、高溫抗氧化性能、高溫抗腐蝕性能［1－4］，應用于航空、航天和能源等領域.早期的研究工作［5］表明，MGH956合金TIG焊時焊縫中密布著大量的氣孔，在焊接過程中容易出現(xiàn)焊縫處的晶粒粗大，內(nèi)部缺陷較多，導致其焊接接頭性能下降，因此鮮少有關于MGH956合金TIG焊的研究報道.

20世紀90年代，清華大學吳敏生教授提出超聲電弧的概念［6］，通過高頻電流調(diào)制，使作為熱源的自由電弧同時成為可控的超聲發(fā)射源，使得超聲波能夠直接作用于熔池，其目的是希望利用超聲電弧的空化和聲流作用來細化焊縫組織，改善顆粒分布狀態(tài)，從而改善焊接接頭的組織和性能.

文中通過外加激勵源方式對TIG焊電弧進行高頻調(diào)制從而激發(fā)出超聲電弧，并將其引入MGH956合金的TIG焊工藝中，研究不同的激勵電流對焊接接頭中氣孔分布、晶粒組織等影響.

1 試驗方法

本試驗采用自制的超聲頻脈沖電源調(diào)制TIG電弧產(chǎn)生超聲電弧，超聲電源的激勵電流和激勵頻率均為可調(diào)，激勵電流調(diào)節(jié)范圍為0～30 A，激勵頻率在28～80 kHz范圍內(nèi)變化.試驗旨在研究超聲激勵電流對TIG焊接頭的影響，因此超聲頻率保持不變，而施加超聲激勵電流分別為0，15，23以及30 A.超聲頻激勵電源和TIG焊電源通過自行研制的隔離耦合裝置連接，如圖1所示.

圖1 超聲電弧TIG焊接試驗示意圖

試驗材料選用由北京鋼鐵總院研發(fā)的、板厚為1.3 mm的MGH956合金板材，加工狀態(tài):熱軋、冷軋后在1350℃進行再結(jié)晶退火1 h.MGH956合金的化學成分:Cr，Al，Ti，Y，O，N，C 質(zhì)量分數(shù)分別為19.640%，5.060%，0.520%，0.400%，0.220%，0.020%，0.007%.

采用線切割方法將MGH956合金加工成70 mm×35 mm×1.3 mm的板材，焊前對試件表面進行嚴格清理.試驗中使用型號為MW3000逆變?nèi)珨?shù)字化鎢極氬弧焊機.鎢極直徑為2.4 mm，直流正接，純度為99.9%的氬氣作為保護氣，氣體流量為8 L·min－1，焊接電流70 A，電弧長度為4 mm，焊接速度為2 mm·s－1.主要焊接參數(shù):電流70 A;速度2 mm·s－1;超聲頻率30 kHz;激勵電流為0，15，23，30 A.焊接過程中加入自制的填充材料，其化學成分:Cr，Si，Ti，C，Y2O3質(zhì)量分數(shù)分別為 19.00%，2.00%，0.50%，0.25%，4.00%.焊后沿焊縫橫向制取金相試樣，并用HNO3+HF+H2O(質(zhì)量分數(shù)分別為10%，10%，80%)的腐蝕液對金相樣進行腐蝕，用光學顯微鏡對焊縫形貌、微觀組織進行觀察.拉伸試驗在Instron電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為1 mm·min－1，并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察拉伸斷口.

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 超聲電弧對焊縫氣孔的影響

在TIG焊時，MGH956合金的焊縫中彌散分布著大量的氣孔［5］，這些氣孔對焊縫質(zhì)量及力學性能會產(chǎn)生不利影響.有研究表明［7］:隨著焊接電流增大、焊接速度減小，焊縫氣孔量增多.因此，在保證能夠焊透的情況下，本試驗采用70 A的焊接電流，焊接速度為2 mm·s－1.圖2為未施加超聲電弧時焊縫的氣孔分布圖.

圖2 未施加超聲電弧焊縫氣孔分布圖

由圖2可以看出，焊縫中密布著大量的氣孔，且越接近焊縫表面，氣孔數(shù)量越多、尺寸越大，在熔合線附近以及焊縫內(nèi)部的粗大柱狀晶上則聚集著尺寸較大的氣孔.焊縫底部的氣孔數(shù)量較少，尺寸也相對較小.

圖3為施加不同激勵電流的超聲電弧的TIG焊焊縫氣孔分布圖.當激勵電流為15 A時，焊縫整體氣孔數(shù)量沒有太大變化，而焊縫表面氣孔尺寸明顯增大.當激勵電流增加到23 A和30 A時，氣孔數(shù)量略微減少，而氣孔尺寸明顯減小，基本沒有出現(xiàn)如圖2及圖3a中所示的尺寸較大的氣孔.

圖3 施加超聲電弧焊縫氣孔分布圖

利用超聲除氣主要是通過超聲空化效應以及聲流效應來實現(xiàn)的.超聲空化效應產(chǎn)生大量空化泡，空化泡的長大是一種持續(xù)的膨脹與收縮的脈動擴散過程，當空化泡膨脹時由熔體擴散進入空化泡的氣體量較大，而在收縮時擴散到熔體中的氣體量較少［8－9］.長大了的空化泡受到熔體浮力的作用，上浮至表面，降低了熔體中的氣體含量［10］.

當激勵電流較小時，超聲波強度較弱，超聲聲流效應、空化效應不明顯，在熔體空化核基礎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;當激勵電流增大時，空化泡比較容易形成，空化泡數(shù)量增多，且在超聲聲流效應的作用下，熔池的流動性增加，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.另一方面，由于熔體具有較高的黏度，對高頻超聲波具有較強的吸收能力，會使得熔體和母材溫度升高，延長了熔體處于液態(tài)的時間，更有利于空化泡的上浮.

2.2 超聲電弧對焊縫晶粒大小的影響

由于TIG焊過程中整個熔池溫度分布是不均勻的，在熔池的邊緣處散熱條件好、溫度低，并有母材局部熔化的晶粒，因此很容易從熔合線處半熔化的母材部分開始結(jié)晶，與母材的晶粒取向保持一定角度生長，形成粗大的柱狀晶，并沿著散熱方向傾斜的延伸至焊縫內(nèi)部，如圖2a所示.而柱狀晶晶界是雜質(zhì)、偏析、氣孔等的聚集地帶，成分變化大，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，從而成為接頭中的薄弱地帶.當施加了激勵電流為23 A的超聲電弧時，從圖3b中可以很明顯地看出，粗大的柱狀晶在熔合線附近就被打斷了;而激勵電流增大到30 A時，雖然也還有柱狀晶穿過熔合線生長，但其尺寸與未施加超聲電弧時相比，已經(jīng)明顯細化，如圖3c所示.

圖4為不銹鋼的Fe－Cr相圖，MGH956合金中Cr質(zhì)量分數(shù)為20%，從圖中可以看出，焊縫冷卻過程中，從液相中直接析出鐵素體組織，不發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，焊接過程中晶粒容易粗大.

圖4 Fe－Cr相圖

圖5為施加超聲電弧前后焊縫微觀組織的對比圖.由圖5a可見，焊縫晶粒成比較粗大的長條狀分布，而當施加激勵電流為15 A的超聲電弧時，粗大的條狀晶粒消失了，出現(xiàn)了粗大的等軸晶(圖5b).當激勵電流增大到23 A時，粗大的等軸晶進一步細化，且細小的等軸晶分布比較均勻，如圖5c所示.而在圖5d中可以看到，隨著激勵電流增大到30 A，等軸晶數(shù)量減少，且尺寸更為粗大.

圖5 焊縫微觀組織

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，施加超聲電弧后，熔池的結(jié)晶形式由以柱狀晶為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘容S晶為主，并且出現(xiàn)了晶粒細化現(xiàn)象，組織分布較未加超聲前更加均勻.這是由于超聲電弧的聲流效應、機械攪拌等引起金屬熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的強烈對流，這種強烈的對流作用會將正在結(jié)晶長大的柱狀晶擊碎，而被擊碎的晶粒又可作為新的晶核，同時在超聲的對流作用下，這些被擊碎形成的新晶核彌散的分布在液態(tài)熔池中.另一方面，超聲能夠促進熔體和母材中的熱傳導過程，使熔池中液態(tài)金屬的溫度趨于一致，這樣就更有利于等軸晶晶粒的形核長大.

此外，在焊接過程中，熔池中存在著大量微小的氣泡，這就為產(chǎn)生超聲空化效應提供了條件.超聲的空化作用將熔池中的小氣泡激起、振動、生長、收縮以及擊碎［11］，這些小氣泡在閉合瞬間會釋放能量，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，進而達到細化晶粒的目的.但是由于金屬熔體的黏滯性，對超聲波具有較強的吸收能力，超聲振動不斷被液態(tài)金屬吸收轉(zhuǎn)化成熱能，提高液態(tài)金屬的過熱度［12－13］，超聲激勵電流越大，其熱效應也顯著增大，當激勵電流達到30 A時，液態(tài)金屬吸收的熱能過多，焊接熱輸入過大導致等軸晶晶粒過分粗化，如圖5d所示.

2.3 超聲電弧對焊接接頭性能的影響

分別對未加超聲電弧以及加入不同激勵電流的超聲電弧時得到的焊接接頭進行拉伸試驗，拉伸試樣參照國家標準GB/T 228—2002制取，室溫下在Instron電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min－1，拉伸結(jié)果:母材，抗拉強度 720 MPa;激勵電流 0，15，23，30 A，抗拉強度分別為595，568，623，601 MPa.

對比結(jié)果可知，當未加入超聲電弧時，接頭抗拉強度為595 MPa，達到了母材強度的82%左右.在一定范圍內(nèi)，隨著激勵電流的增大，接頭強度也隨之增大.激勵電流為15 A時，焊縫內(nèi)部仍然存在著大量的氣孔，數(shù)量和尺寸都沒有減小，并且晶粒尺寸比較粗大，超聲電弧的作用效果不是很明顯.當激勵電流增大到23 A時，氣孔數(shù)量和尺寸發(fā)生了明顯的減小，并獲得了細小的等軸晶粒，抗拉強度達到了623 MPa，比未加超聲電弧的接頭強度增加了4.5%左右，達到了母材強度的86.5%.在激勵電流為30 A時，雖然焊縫中的氣孔進一步減少，但是由于焊縫熱輸入量的增加，焊縫晶粒粗大，抗拉強度增大效果并不明顯.

在拉伸試驗中，各個試樣均在焊縫處發(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，如圖6所示.

圖6 焊縫拉伸斷口形貌

由圖6a可知未加入超聲電弧時，斷口為非常典型的河流狀脆性穿晶解理斷面，為完全的脆性斷裂，這與田耘，淮軍鋒等［5，14］的研究結(jié)果一致.當加入激勵電流為23 A的超聲電弧時(圖6b)，拉伸斷口出現(xiàn)了大量的韌窩，部分區(qū)域塑性變形痕跡非常明顯，可以認為斷裂特征為脆性－韌性混合斷裂.

3 結(jié)論

1)TIG焊過程中施加超聲電弧對焊縫氣孔的分布有著一定的影響，隨著激勵電流的增加，氣孔尺寸明顯減小，而氣孔數(shù)量也減少.

2)超聲電弧能夠打斷或者細化熔合線附近粗大的柱狀晶的生長.

3)超聲電弧能夠?qū)⒑缚p中粗大的條狀晶粒擊碎，在超聲空化效應、聲流效應等的作用下，生成細小的等軸晶.當激勵電流達到30 A時，過大的熱輸入量使得等軸晶粒過分粗化.

4)超聲電弧能夠改善焊接接頭的拉伸性能.當施加激勵電流為23 A的超聲電弧時，比未加入超聲電弧的接頭強度增加了4.5%左右，能夠達到母材強度的86.5%.斷口分析表明，斷口由完全的脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈裕g性混合斷裂形式.

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