超聲輔助鎢極氬弧焊紫銅焊縫組織性能

張善彬，王廷和，張 磊，李一楠

（青島理工大學機械工程學院，山東青島266033）

超聲輔助鎢極氬弧焊紫銅焊縫組織性能

張善彬，王廷和，張 磊，李一楠

（青島理工大學機械工程學院，山東青島266033）

針對鎢極氬弧焊（GTAW）焊接紫銅厚板時熱裂紋嚴重的問題，采用超聲輔助GTAW新工藝研究紫銅板焊接工藝。通過動力學模擬得到超聲輔助GTAW焊接時T3紫銅板振幅分布規律，確定焊接時超聲入射的最佳位置，并發現超聲功率越大，T3紫銅表面諧響應時對應的振幅越大。研究超聲輔助鎢極氬弧焊對T3紫銅焊縫顯微組織和力學性能的影響。結果表明，經超聲輔助后焊縫中熱裂紋得到明顯抑制，粗大柱狀晶顯著減少，焊縫中晶粒得到細化，等軸晶增加，有明顯球化現象，出現明顯亞晶界，在一定范圍內，超聲功率越大，細化效果越明顯，亞晶尺寸半徑越小。通過力學性能測試發現，焊接接頭的硬度、屈服強度及延伸率與無超聲作用時相比均有明顯提升。

鎢極氬弧焊；超聲輔助；晶粒細化；動力學分析；力學性能

0 前言

對于紫銅厚大結構件的焊接，目前可采用氣焊、釬焊、焊條電弧焊、GTAW、埋弧焊、攪拌摩擦焊等方法。但是由于設備限制、成本高、生產周期長等原因，應用最廣泛的依然是GTAW。在紫銅GTAW焊接中，熱裂紋[1-2]是最常見的缺陷，為了避免熱裂紋，在GTAW基礎上引入超聲作用[3-4]。在超聲波引入后，介質受迫振動的同時，在其聲流、空化、熱影響下，熔池的凝固過程會發生變化，如提高形核率、破碎α-Cu柱狀晶，改變引起熱裂紋的低熔共晶液相在固相間的分布規律，起到抑制熱裂紋，提高接頭及焊縫力學性能的效果。

功率超聲在焊接中分為超聲波焊接和超聲波輔助焊接技術。超聲波焊接是利用超聲熱效應和機械振動實現異種材料固相連接[5]。超聲輔助焊接主要集中于釬焊和電弧焊領域，在釬焊中利用空化作用減少氣孔，去除氧化膜，促進釬料濕潤和鋪展過

程[6-7]。電弧焊中，改善熔池金屬凝固結晶行為，細化焊縫組織，提高接頭性能。按超聲振動傳入熔池金屬方式分為母材引入式[8-9]、焊絲引入式和電弧引入式[10-11]三種。

在此研究T3紫銅的超聲輔助鎢極氬弧焊工藝[12-15]，采用的超聲振動傳入方式為母材引入式，探究超聲振動在T3銅中的傳播規律和超聲對熔池凝固結晶行為的影響。探究超聲作用對焊縫組織的細化效果和對焊接接頭性能的提高。

1 試驗材料和方法

基體材料選擇T3紫銅板，尺寸120 mm×50 mm× 6mm。焊接時先將基體材料預熱至400℃，調整焊接電流150 A，焊接速度1 mm/s。在左側施加超聲，距離試件左側90 mm進行熔焊。其中施加超聲頻率20 kHz，輸出功率1～2 000 W可調，超聲頭輸出振幅最大15 μm，超聲工具頭有效作用直徑30 mm。超聲施加示意如圖1所示。

圖1 超聲施加示意Fig.1Schematic diagram of ultrasonic applied

利用金相顯微鏡觀察微觀組織。通過力學性能測試，得到顯微硬度分布和拉伸試驗的應力-應變曲線。

2 結果和討論

2.1 T3紫銅板動力學分析

通過動力學模擬，分析紫銅試板固有頻率下的振動特性，得到超聲輸入后試板表面的振型分布，確定超聲頭與熔池之間的最佳距離，從而根據熔池所處的位置確定超聲入射的最佳位置。

2.1.1 模態分析

分析對象為T3紫銅板，尺寸120 mm×50 mm× 6 mm。主要性能參數：室溫下泊松比0.31～0.34，彈性模量E=108 GPa，密度8.93g/cm3。采用Ansys單元庫結構單元，采用20節點實體單元Solid185進行網格劃分。長方形T3紫銅板為自由狀態，不施加條件約束，對有限元模型進行模態求解，擴展模態階數為50階。

通過模態分析得到的振型大小只是相對量值，不是實際振動時位移變化大小，是材料在某階固有頻率下各點相對振動量的比值，反映板中振動的傳遞特性。實驗用的超聲波頻率為20kHz，振幅15μm，由長方形T3紫銅板在20kHz附近的固有頻率可知，銅板第22階頻率20 266 Hz，接近20 kHz。2 066 Hz對應下的振型如圖2所示，1區域為振動最強部分，2區域次之，3區域為振動較弱的位置，T3紫銅板的振動強弱以對稱形式分布。

圖2 T3紫銅板第22階振型Fig.2Twenty-second step vibration graph of T3 copper

2.1.2 諧響應分析

采用Ansys單元庫結構單元，采用20節點實體單元Solid185進行網格劃分。超聲頭加載在試件左側上表面，超聲頭直徑30 mm，故試件左側直徑30 mm范圍內為超聲加載區域。在計算過程中，邊界條件施加如表1所示。母材的左右端面不施加約束，下表面只有UZ方向不施加約束。其中APPLY4是超聲頭引起的總位移載荷，設定其功率2 000 W輸出振幅為15 μm，則1 000 W輸出振幅為3.9 μm。

表1 邊界條件Tab.1Boundary condition

不同超聲功率下的T3紫銅板上表面的位移分布云圖如圖3所示。由圖可知，1區域為振幅最大值

分布區域，主要分布在板的邊緣，不能作為超聲焊接的位置。其次是2區域，大部分位于距離板左側90 mm，熔焊在此處進行最為有利；3區域為振幅分布最小。中線上位移分布如圖4所示，最大位移出現在距左側90 mm附近，2 000 W振幅41 μm，1000W時為10 μm。不同功率下的振幅變化趨勢基本一致，最大振幅出現的位置基本不變。不同之處在于，隨著功率的增大，板表面的振幅亦隨之增大，振動越明顯。因此，通過模擬確定試板的振幅分布規律和施加焊接的最佳區域為距左側90 mm中心區域。

圖3 不同功率下T3紫銅板表面上位移分布云圖Fig.3Displayment distribution nephogram of thickness on the upper surface of T3 at different power

圖4 不同功率下T3紫銅板表面中心線上位移分布Fig.4Displayment distribution on the upper surface center of T3 at different power

2.2 焊接接頭微觀組織分析

根據動力學分析確定的超聲頭距離熔池的最佳位置，分別采用不同超聲功率對紫銅板進行超聲輔助鎢極氬弧焊接。圖5a為T3純銅無超聲輔助GTAW焊接后的焊縫截面形貌，圖5b為T3純銅超聲輔助GTAW焊接功率1 000 W焊縫截面形貌，圖5c為T3純銅超聲輔助TIG焊接功率2 000 W焊縫截面形貌。對比圖5可知，未添加超聲GTAW焊，焊縫中的柱狀晶粗大，并向中心生長趨勢明顯，晶界明顯且晶界顏色較鮮明；添加超聲后，超聲振動使焊縫中柱狀晶明顯變少，焊縫中出現枝晶破碎。對比圖5b、圖5c可知，隨著超聲功率增大即振幅增大，柱狀晶明顯減少，枝晶破碎更加明顯。

圖5 不同功率下T3純銅焊縫的截面形貌Fig.5Weld cross section morphology of T3 pure copper at different power

圖6a為T3純銅無超聲輔助GTAW接后的焊縫金相圖，圖6b為T3純銅超聲輔助GTAW焊接功率1 000 W焊縫金相圖，圖6c為T3純銅超聲輔助TIG焊接功率2 000 W焊縫金相圖。由圖6a可知，無超聲焊縫中有顯微熱裂紋生成；由圖6b、6c可知，施加超聲的焊縫中有明顯的球化現象，出現明顯的亞晶界，而且顯微熱裂紋消失，隨著超聲功率的增加，亞晶界越明顯。通過Image-Pro Plus軟件，測得施加超聲1 000 W時的亞晶平均直徑為72 μm，施加

超聲2000W時亞晶平均直徑為56μm。隨著超聲功率增加，振幅變大，亞晶尺寸越小。

圖6 不同功率下T3純銅焊縫的金相組織Fig.6Metallgraphic graph of T3 pure copper weld at different power

在無超聲熔焊時，由于空氣中氧元素電離和預熱母材時形成氧化膜電弧加熱時混進焊縫，凝固過程中形成大量低熔點Cu2O和Cu低熔點共晶薄膜，在局部應力下，最終形成微觀熱裂紋。加入超聲后，通過超聲聲流和空化作用，促進焊縫中液相和固相的填充速度，快速彌合固相開裂時產生的熱裂源，使液體愈合能力大于凝固收縮的速度，避免熱裂紋擴展。同時超聲振動使枝晶破碎，在一定范圍內，振動越大枝晶破碎明顯，這些碎片可以作為結晶核心，使形核率增加。令Z為形核率，晶核捕獲流體中的原子或分子幾率B，則[16]

式中v0為熔體中原子的振動頻率；Δq為原子越過固-液界面的自由能；n為臨界晶核數；ΔG為集合體形成能；k為玻爾茲曼常數；T為熔體溫度；Tm為熔點；∨T為過冷度。

超聲波的導入使得熔體中出現了不平衡變化，能量出現波動，增加了成分起伏和復相起伏，超聲波被熔體吸收，轉化為熱能，提高了熔體的局部溫度，這就使得：①局部原子的振動頻率v0增加，促使這些區域的Z增加；②局部溫度增加，原子越過固液界面的激活能減少，Z增加；③局部溫度增加，而合金熔體Tm的熔點不變，從而∨T增大，Z增大；④局部壓力增加，提高了臨界晶核的熔化溫度，Z增加。成核率與單位體積內的晶核數成比例，因此在一定范圍增加振動，形核數越多，形成的亞晶直徑越小。

2.3 焊接接頭力學性能分析

將試樣打磨（避免將細晶層打磨掉）、拋光，清洗掉表面油污，用氮氣吹干表面，進行顯微硬度測試，測試結果如圖7所示。硬度變化的趨勢是：從焊縫到母材其值先增大后減小，在熱影響區最大，焊縫區硬度最小，熱影響區和母材硬度相差不大；而在焊縫區，超聲輔助GTAW焊硬度較無超聲普通GTAW焊，顯微硬度提高約5％。其原因是加入超聲后，焊縫中有枝晶破碎，同時有大量形核成的亞晶，對焊縫晶粒有細化的效果，使顯微硬度升高。

圖7 不同參數下的顯微硬度對比曲線Fig.7Microhardness of the contrast curve under different parameters

不同參數下的應力-應變曲線如圖8所示，其屈服強度、拉伸強度和拉伸率如圖9所示。屈服強度2000W＞1000W＞無超聲，即67MPa＞61MPa＞43MPa，屈服強度超聲GTAW焊2000W比普通無超聲GTAW焊提高了約58％，1 000 W提高了44％。抗拉強度

2 000 W＞1 000 W＞無超聲，即174 MPa＞158 MPa＞116 MPa，抗拉強度超聲GTAW焊2 000 W比普通無超聲GTAW焊提高了約48％，1 000 W提高了36％。塑性明顯增強，延伸率1 000 W＞2 000 W＞無超聲，即10.3％＞10.1％＞7.9％。其原因是施加超聲后，枝晶破碎，形成大量球化的亞晶，晶界數量明顯增多，晶界對多晶體初始塑性抗力影響可以通過晶粒大小直接體現，晶體的強度隨其晶粒細化而提高。同時超聲聲流和空化作用促進焊縫中液相和固相的填充速度，快速彌合固相開裂時產生的熱裂源，使液體愈合能力大于凝固收縮的速度，避免熱裂紋擴展，熱裂紋減少，避免了脆性斷裂。

圖8 不同參數下的應力應變曲線Fig.8Stress strain curve under the different parameters

圖9 不同參數下材料性能對比Fig.9Material performance comparison under the different parameters

多晶體的屈服強度σs與晶體平均直徑d的關系用霍爾-佩奇（Hall-Petch）表示

式中σ0為晶體對變形的阻力，相當于極大單晶的屈服強度；K為境界對變形的影響系數，與晶界結構有關。

在圖8的加超聲試件中，截面的下屈服點與晶粒直徑間的關系與霍爾-佩奇公式相符合，即晶粒越小屈服強度越高。

3 結論

（1）通過模態分析，諧響應分析得到銅板的共振頻率和超聲穩定輸入后板上振幅分布，得到銅板振幅最大時超聲頭與熔池的最佳距離，在實際焊接中根據熔池位置確定超聲施加的最佳位置。

（2）通過焊接接頭微觀組織分析可知，經過超聲輔助T3紫銅熔焊后，晶粒尺寸得到明顯細化，柱狀晶明顯減少，有明顯球化現象，出現亞晶界。超聲功率越大，振幅越大，亞晶尺寸越小。

（3）對超聲輔助后的焊接件進行硬度測試和力學性能測試，焊縫的顯微硬度有所提高，試件的屈服強度明顯提高，提高44％～58％，抗拉強度提高36％～48％，延伸率提高20％。

（4）驗證了超聲輔助鎢極氬弧焊避免顯微熱裂紋、細化晶粒焊接方案的可行性。

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Welding structure property of GTAW assisted by ultrasonic in T3 copper

ZHANG Shanbin，WANG Tinghe，ZHANG Lei，LI Yi′nan
（College of Menchanical Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China）

Aimingat the serious problemofhot crack in copper plate welded byGTAW，adopt newtechnologyofultrasonic assisted GTAW research copper plate welding process.Firstly，assist T3 copper plate vibrated mode during welding by dynamic analysis and determine the most suitable area of ultrasonic in.And find that the more ultrasonic power，the greater amplitude corresponding to the harmonic response of the T3 copper surface.Secondly，study on the impact in T3 copper weld microstructure and mechanical properties of GTAW assisted by ultrasonic.The result shows that bulky columnar grains significantly reduce with ultrasonic assisted.In the weld joint，grains are refining and isometric crystals increase，balling effect occurs,and sub-grain boundaries appear.Within a certain range，the more ultrasonic power，the more obvious the refining effect is，the smaller radius of the crystal size.Through the mechanics performance test，find that the hardness，ensile strength，yield strength and ductilityare greatlyimproved.

tungsten argon arc welding（GTAW）；assisted by ultrasonic；refining；dynamic analysis；mechanical property

TG444+.74

A

1001－2303（2016）07－0008-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.03

2015-10-12；

2016-05-23

國家自然科學基金青年項目（51205218）；中國博士后基金（2013M531562）；青島市應用基礎研究項目（14-2-4-84-jch）

張善彬（1990—），男，山東人，碩士，主要從事焊接工藝方面的研究工作。