聲源距離對超聲輔助水下焊接的影響

馬明豪 劉一博,2 王建峰,2 孫清潔,2

(1.哈爾濱工業大學(威海)山東省特種焊接技術重點實驗室 山東威海 264209；2.哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室 黑龍江哈爾濱 150001)

水下焊接過程中焊接電壓、焊接電流、焊接速度都會對焊縫的組織和性能產生影響[1-2]，而在水下超聲復合焊接的過程中，還會受到聲場狀態的影響，如超聲頻率、振幅、發射端和反射端之間的距離、發射端和反射端的尺寸等，這些因素都會改變焊縫成形、焊縫的接頭尺寸以及焊縫的顯微硬度。在傳統的陸上焊接中和超聲復合陸上焊接領域中[3]，都對這些參數進行了研究，而水下超聲復合焊接領域，針對發射端和反射端之間距離對焊接的影響研究較少。本文以控制變量的方法，保持焊接電流、焊接電壓、焊接速度等參數不變，只改變輻射端高度，來研究輻射端高度如何改變水下濕法焊接的規律。

1 設備及材料信息

實驗設備主要由實驗平臺、控制器、超聲復合焊炬組成。其中實驗平臺用現成鋁型材搭建，運動機構分成X、Y、Z三條運動導軌，由三個伺服電機帶動，由實驗平臺加持超聲復合焊炬，通過控制器控制來實現對復合焊炬的精確控制。焊接時，將工件固定在水箱底部，用控制器控制復合焊炬做X軸方向的勻速直線運動進行焊接。由超聲電源將50Hz交流電轉化為15kHz的脈沖信號，通過超聲換能器把來自超聲電源的能源轉化成機械振動，再將機械振動傳遞到超聲變幅桿上，最終通過超聲變幅桿的振動傳遞到水中，最后作用到焊接電弧與工件表面，來影響焊接過程，達到改善焊縫成形提高焊接質量的目的。

本實驗采用的板材為E40鋼板，尺寸為200mm×20mm，厚度8mm，焊材選用CHT-T81Ni2藥芯焊絲，直徑D為1.2mm。焊絲成分與母材成分的比較如表1所示。

2 試驗方案及結果

2.1 焊接工藝參數設計

為了給工件提供更大的熱輸入量，本實驗選擇直流反接，直流反接也叫反極性接法，實驗參數的設計是根據藥芯焊絲官方推薦使用參數進行選取的，直徑1.2mm。本實驗采用控制變量法，焊接電流、焊接電壓、焊接速度設為定量，只有輻射端高度一項作為變量進行研究。焊接電壓為32V，焊接電流為160A，焊接速度為150mm/min。輻射端高度從30mm到150mm逐次增加10mm進行實驗。具體的實驗工藝參數如表2。

表1 焊絲成分對比表

表2 實驗參數表

圖1 輻射端高度30～150mm焊縫宏觀圖

圖2 高度對熔寬的影響

圖3 高度對對熔深的影響

2.2 焊接接頭宏觀成形

輻射端高度30～150mm的宏觀焊縫如圖1所示。通過對焊縫表面成形的連續性和堆高、熔寬的穩定性進行評價來劃分不同的焊縫表面成形得分區間。由外觀圖可以看出隨著輻射端高度從最低點升高，焊縫成形得到改善，因為輻射端高度過低時，實驗觀察時發現，電弧燃燒不穩定，焊縫成形差，隨著輻射端高度升高，焊縫成形得到改善，魚鱗紋變細，輻射端高度過高時，超聲作用很弱，焊縫成形效果下降。

圖4 高度對余高的影響

圖5 輻射端高度對焊縫硬度的影響

通過分析圖2可以看出輻射端高度的變化對熔寬的影響不大，并無明顯規律，但是總體呈現下降趨勢，主要是由于輻射端高度過低時，超聲不利于電弧的穩定燃燒，導致電弧出現斷弧或者爆裂，導致熔寬較大，而輻射端高度過高時，由于超聲聲場能量沿高度遞減，弧柱變細，從而熔寬顯示為逐漸下降趨勢。由圖3熔深的影響可以看出，熔深隨輻射端高度變化出現了明顯起伏波動，而不是單調變化，具有典型的聲場作用特征。輻射端高度決定了入射波和反射波之間的相位差，當相位差達到π的奇數倍時，此時聲場能量密度最小，而當相位差達到π的偶數倍的時候，聲場密度最高，超聲作用效果最強。而在這之間的位置，有些位置的聲輻射力向上，有些則向下，當聲輻射力向上的時候熔深減小，當聲輻射力向下的時候熔深增加。圖3中焊縫熔深呈現周期性上下起伏，但整體上下降的趨勢，因為聲輻射力在水中有損失，隨著高度的升高，聲輻射力減弱，熔深變化幅度減弱。從圖4中輻射端高度對余高的影響中，可以看出隨著輻射端的升高余高升高，這是由于輻射端較低時的強度最大，作用效果也最為明顯，當熔池金屬冷卻過程過受到超聲的機械力的作用，輻射端越接近熔池，其受到的作用力也就越大，得到的焊縫余高也就越小。

2.3 硬度分布

利用維氏硬度計對電壓為32V、電流為160A、焊接速度150mm/min的焊縫進行測試，依次選取輻射端高度30mm、70mm、110mm、150mm和相同參數下不加超聲的共5組參數下的焊縫進行測試。得到的所有點的硬度值如圖5。

分析普通水下濕法焊接和超聲復合水下濕法焊接接頭的顯微硬度，可以看出焊接接頭的硬度分布不均，主要分為四個區：焊縫區、熔合區、熱影響區、母材區，其中最大值出現在熔合區，水下焊接過程中冷卻速度快，在急冷的條件下晶粒大小分布不均，容易形成淬火組織，比較不同輻射端高度的硬度分布可以看出輻射端高度對淬硬區的影響不大，但是不加超聲的曲線大部分點處于其他幾條曲線下面。超聲復合水下濕法焊接焊縫組織針狀鐵素體含量多，顯微硬度降低；超聲復合顯微硬度最大值點因此也更靠后。

3 結語

研究了輻射端高度的變化對超聲復合水下濕法焊接焊縫成形及其力學性能的影響規律。隨著輻射端高度的降低，焊縫表面波紋變細，熔深呈現周期性起伏波動，余高隨輻射端高度增加而增加，熔寬呈現降低的趨勢，輻射端高度對硬度的影響不大。