激勵(lì)電流對(duì)MGH956合金超聲電弧TIG焊接頭性能的影響

雷玉成，承 龍，李猛剛，梁申勇

(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

MGH956合金是采用機(jī)械合金化方法制造的氧化物彌散強(qiáng)化(oxide dispersion strengthened，ODS)高溫合金，利用納米級(jí)的氧化物質(zhì)點(diǎn)(如Y2O3等)對(duì)基體進(jìn)行強(qiáng)化［1－2］，具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、高溫抗氧化性能、高溫抗腐蝕性能［1－4］，應(yīng)用于航空、航天和能源等領(lǐng)域.早期的研究工作［5］表明，MGH956合金TIG焊時(shí)焊縫中密布著大量的氣孔，在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)焊縫處的晶粒粗大，內(nèi)部缺陷較多，導(dǎo)致其焊接接頭性能下降，因此鮮少有關(guān)于MGH956合金TIG焊的研究報(bào)道.

20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)吳敏生教授提出超聲電弧的概念［6］，通過(guò)高頻電流調(diào)制，使作為熱源的自由電弧同時(shí)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(lái)細(xì)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(guò)外加激勵(lì)源方式對(duì)TIG焊電弧進(jìn)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(lì)電流對(duì)焊接接頭中氣孔分布、晶粒組織等影響.

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)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(lì)電流和激勵(lì)頻率均為可調(diào)，激勵(lì)電流調(diào)節(jié)范圍為0～30 A，激勵(lì)頻率在28～80 kHz范圍內(nèi)變化.試驗(yàn)旨在研究超聲激勵(lì)電流對(duì)TIG焊接頭的影響，因此超聲頻率保持不變，而施加超聲激勵(lì)電流分別為0，15，23以及30 A.超聲頻激勵(lì)電源和TIG焊電源通過(guò)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(yàn)示意圖

試驗(yàn)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(jìn)行再結(jié)晶退火1 h.MGH956合金的化學(xué)成分:Cr，Al，Ti，Y，O，N，C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為19.640%，5.060%，0.520%，0.400%，0.220%，0.020%，0.007%.

采用線(xiàn)切割方法將MGH956合金加工成70 mm×35 mm×1.3 mm的板材，焊前對(duì)試件表面進(jìn)行嚴(yán)格清理.試驗(yàn)中使用型號(hào)為MW3000逆變?nèi)珨?shù)字化鎢極氬弧焊機(jī).鎢極直徑為2.4 mm，直流正接，純度為99.9%的氬氣作為保護(hù)氣，氣體流量為8 L·min－1，焊接電流70 A，電弧長(zhǎng)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(lì)電流為0，15，23，30 A.焊接過(guò)程中加入自制的填充材料，其化學(xué)成分:Cr，Si，Ti，C，Y2O3質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)分別為10%，10%，80%)的腐蝕液對(duì)金相樣進(jìn)行腐蝕，用光學(xué)顯微鏡對(duì)焊縫形貌、微觀(guān)組織進(jìn)行觀(guān)察.拉伸試驗(yàn)在Instron電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為1 mm·min－1，并用掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察拉伸斷口.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 超聲電弧對(duì)焊縫氣孔的影響

在TIG焊時(shí)，MGH956合金的焊縫中彌散分布著大量的氣孔［5］，這些氣孔對(duì)焊縫質(zhì)量及力學(xué)性能會(huì)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(yàn)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(shí)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(xiàn)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(duì)較小.

圖3為施加不同激勵(lì)電流的超聲電弧的TIG焊焊縫氣孔分布圖.當(dāng)激勵(lì)電流為15 A時(shí)，焊縫整體氣孔數(shù)量沒(méi)有太大變化，而焊縫表面氣孔尺寸明顯增大.當(dāng)激勵(lì)電流增加到23 A和30 A時(shí)，氣孔數(shù)量略微減少，而氣孔尺寸明顯減小，基本沒(méi)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(guò)超聲空化效應(yīng)以及聲流效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的.超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生大量空化泡，空化泡的長(zhǎng)大是一種持續(xù)的膨脹與收縮的脈動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程，當(dāng)空化泡膨脹時(shí)由熔體擴(kuò)散進(jìn)入空化泡的氣體量較大，而在收縮時(shí)擴(kuò)散到熔體中的氣體量較少［8－9］.長(zhǎng)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(dāng)激勵(lì)電流較小時(shí)，超聲波強(qiáng)度較弱，超聲聲流效應(yīng)、空化效應(yīng)不明顯，在熔體空化核基礎(chǔ)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(dāng)激勵(lì)電流增大時(shí)，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(yīng)的作用下，熔池的流動(dòng)性增加，小的空化泡易聚集長(zhǎng)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(duì)高頻超聲波具有較強(qiáng)的吸收能力，會(huì)使得熔體和母材溫度升高，延長(zhǎng)了熔體處于液態(tài)的時(shí)間，更有利于空化泡的上浮.

2.2 超聲電弧對(duì)焊縫晶粒大小的影響

由于TIG焊過(guò)程中整個(gè)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(xiàn)處半熔化的母材部分開(kāi)始結(jié)晶，與母材的晶粒取向保持一定角度生長(zhǎng)，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(dāng)施加了激勵(lì)電流為23 A的超聲電弧時(shí)，從圖3b中可以很明顯地看出，粗大的柱狀晶在熔合線(xiàn)附近就被打斷了;而激勵(lì)電流增大到30 A時(shí)，雖然也還有柱狀晶穿過(guò)熔合線(xiàn)生長(zhǎng)，但其尺寸與未施加超聲電弧時(shí)相比，已經(jīng)明顯細(xì)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?jǐn)?shù)為20%，從圖中可以看出，焊縫冷卻過(guò)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(guò)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(guān)組織的對(duì)比圖.由圖5a可見(jiàn)，焊縫晶粒成比較粗大的長(zhǎng)條狀分布，而當(dāng)施加激勵(lì)電流為15 A的超聲電弧時(shí)，粗大的條狀晶粒消失了，出現(xiàn)了粗大的等軸晶(圖5b).當(dāng)激勵(lì)電流增大到23 A時(shí)，粗大的等軸晶進(jìn)一步細(xì)化，且細(xì)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(lì)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(guān)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(xì)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(yīng)、機(jī)械攪拌等引起金屬熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的強(qiáng)烈對(duì)流，這種強(qiáng)烈的對(duì)流作用會(huì)將正在結(jié)晶長(zhǎng)大的柱狀晶擊碎，而被擊碎的晶粒又可作為新的晶核，同時(shí)在超聲的對(duì)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(jìn)熔體和母材中的熱傳導(dǎo)過(guò)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(zhǎng)大.

此外，在焊接過(guò)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(yīng)提供了條件.超聲的空化作用將熔池中的小氣泡激起、振動(dòng)、生長(zhǎng)、收縮以及擊碎［11］，這些小氣泡在閉合瞬間會(huì)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(jìn)而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的.但是由于金屬熔體的黏滯性，對(duì)超聲波具有較強(qiáng)的吸收能力，超聲振動(dòng)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(guò)熱度［12－13］，超聲激勵(lì)電流越大，其熱效應(yīng)也顯著增大，當(dāng)激勵(lì)電流達(dá)到30 A時(shí)，液態(tài)金屬吸收的熱能過(guò)多，焊接熱輸入過(guò)大導(dǎo)致等軸晶晶粒過(guò)分粗化，如圖5d所示.

2.3 超聲電弧對(duì)焊接接頭性能的影響

分別對(duì)未加超聲電弧以及加入不同激勵(lì)電流的超聲電弧時(shí)得到的焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—2002制取，室溫下在Instron電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min－1，拉伸結(jié)果:母材，抗拉強(qiáng)度 720 MPa;激勵(lì)電流 0，15，23，30 A，抗拉強(qiáng)度分別為595，568，623，601 MPa.

對(duì)比結(jié)果可知，當(dāng)未加入超聲電弧時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度為595 MPa，達(dá)到了母材強(qiáng)度的82%左右.在一定范圍內(nèi)，隨著激勵(lì)電流的增大，接頭強(qiáng)度也隨之增大.激勵(lì)電流為15 A時(shí)，焊縫內(nèi)部仍然存在著大量的氣孔，數(shù)量和尺寸都沒(méi)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(dāng)激勵(lì)電流增大到23 A時(shí)，氣孔數(shù)量和尺寸發(fā)生了明顯的減小，并獲得了細(xì)小的等軸晶粒，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了623 MPa，比未加超聲電弧的接頭強(qiáng)度增加了4.5%左右，達(dá)到了母材強(qiáng)度的86.5%.在激勵(lì)電流為30 A時(shí)，雖然焊縫中的氣孔進(jìn)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(qiáng)度增大效果并不明顯.

在拉伸試驗(yàn)中，各個(gè)試樣均在焊縫處發(fā)生斷裂.利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)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(shí)，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(dāng)加入激勵(lì)電流為23 A的超聲電弧時(shí)(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(rèn)為斷裂特征為脆性－韌性混合斷裂.

3 結(jié)論

1)TIG焊過(guò)程中施加超聲電弧對(duì)焊縫氣孔的分布有著一定的影響，隨著激勵(lì)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(xì)化熔合線(xiàn)附近粗大的柱狀晶的生長(zhǎng).

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(yīng)、聲流效應(yīng)等的作用下，生成細(xì)小的等軸晶.當(dāng)激勵(lì)電流達(dá)到30 A時(shí)，過(guò)大的熱輸入量使得等軸晶粒過(guò)分粗化.

4)超聲電弧能夠改善焊接接頭的拉伸性能.當(dāng)施加激勵(lì)電流為23 A的超聲電弧時(shí)，比未加入超聲電弧的接頭強(qiáng)度增加了4.5%左右，能夠達(dá)到母材強(qiáng)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.

References)

［1］柳光祖，田 耘，單秉權(quán).氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金［J］.粉末冶金技術(shù)，2001，19(1):20 －23.Liu Guangzu，Tian Yun，Shan Bingquan.Oxide dispersion strengthened super alloys［J］.Powder Metallurgy Technology，2001，19(1):20 －23.(in Chinese)

［2］Gao Z Y，Han F S，Wu J，et al.Mechanism of void formation in grain interior of ODS alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，2006，419:126 －132.

［3］Pint B A，Wright I G.Long-term high temperature oxidation behavior of ODS ferritics［J］.Journal of Nuclear Materials，2002，307:763 －768.

［4］崔 超，黃 晨，蘇喜平，等.快堆先進(jìn)包殼材料ODS合金發(fā)展研究［J］.核科學(xué)與工程，2011，31(4):305－309.Cui Chao，Huang Chen，Su Xiping，et al.R＆D on advanced cladding materials ODS alloys for fast reactor［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2011，31(4):305 －309.(in Chinese)

［5］淮軍鋒，郭萬(wàn)林，李天文，等.氧化物彌散強(qiáng)化高溫合金MGH956的基本焊接性研究［J］.材料工程，2008(9):52－55.Huai Junfeng，Guo Wanlin，Li Tianwen，et al.Weldabilities of the oxide-dispersion-strengthened superalloy MGH956［J］.Journal of Materials Engineering，2008(9):52 －55.(in Chinese)

［6］Zhang Chunlei，Wu Minsheng，Du Jinglei.Improving weld quality by arc-excited ultrasonic treatment［J］.Tsinghua Science and Technology，2001，6(5):475 －478.

［7］雷玉成，任聞杰，謝偉峰，等.氧化物彌散強(qiáng)化MGH956合金TIG焊縫氣孔問(wèn)題分析［J］.焊接學(xué)報(bào)，2011，32(11):1 －4.Lei Yucheng，Ren Wenjie，Xie Weifeng，et al.Study on pores in TIG welding of oxide dispersion strengthened(ODS)alloys MGH956［J］.Transactions of the China Welding，2011，32(11):1 －4.(in Chinese)

［8］Meidani A R，Hasan M.A study of hydrogen bubble growth during ultrasonic degassing of Al-Cu alloy melts［J］.Materials Processing Technology，2004，47:311 －320.

［9］Xu Hanbing，Jian Xiaogang，Thomas T M.Degassing of molten aluminum A356 alloy using ultrasonic vibration［J］.Materials Letters，2004，58:3669 －3673.

［10］李曉謙，陳 銘，趙世璉，等.功率超聲對(duì)7050鋁合金除氣凈化作用的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(18):41－45.Li Xiaoqian，Chen Ming，Zhao Shilian，et al.Experimental research on the effect of power ultrasonic on the degassing process of 7050 aluminum melts［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46(18):41 － 45.(in Chinese)

［11］Zhang Chunlei，Wu Minsheng，Hong Yuping.Effects of arc-excited ultrasonic on microstructures and properties of weld［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2000，10(6):712 －716.

［12］Li Junwen，Momono T，F(xiàn)u Ying，et al.Effect of ultrasonic stirring on temperature distribution and grain refinement in Al-1.65%Si alloy melt［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2007，17:691 －697.

［13］何龍標(biāo)，李路明，吳敏生.電弧超聲對(duì)焊接過(guò)程熱量傳遞的影響［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21(2):225－228.He Longbiao，Li Luming，Wu Minsheng，et al.Effect of arc ultrasonic on welding heat transfer process［J］.China Mechanical Engineering，2010，21(2):225 －228.(in Chinese)

［14］田 耘，郭萬(wàn)林，楊 崢，等.MGH956合金板材電子束和氬弧焊的接頭組織與性能研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2011，31(4):33 －38.Tian Yun，Guo Wanlin，Yang Zheng，et al.Microstructures and properties of MGH956 sheet joints with EB and TIG welding methods［J］.Journal of Aeronautical Materials，2011，31(4):33 －38.(in Chinese)