电弧超声激励频率对MGH956合金TIG焊接头的影响.pdf

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第22卷第5期2014年10月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYllVol22lll5Oct.2014电弧超声激励频率对MGH956合金TIG焊接头的影响罗雅1,雷玉成1,2,黄巍1,梁申勇1(1.江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江212013;2.江苏省高端结构材料重点实验室,江苏镇江212013)摘要:为减少MGH956合金熔焊焊缝内的气孔量,利用高频调制TIG电弧激发超声电弧作用于MGH956合金的焊接,通过对比不同激励频率对焊缝气孔及性能的影响,分析了电弧超声激励频率对焊缝气孔及性能的作用机制及影响规律.运用理论计算的方法对焊缝中气孔的运动进行数学分析,理论计算结果与试验结果相一致.控制激励电流在15A的条件下,激励频率为30kHz时,焊缝的气孔量最少,且焊接接头强度达到最高,为521MPa,达到母材的72%.实现了焊接接头断裂方式由脆性断裂转化为韧-脆混合断裂方式.关键词:MGH956合金;电弧超声;激励频率;TIG焊接;气孔中图分类号:TG454文献标志码:A文章编号:1005-0299(2014)05-0026-05⁃EffectofarcultrasonicexcitationfrequencyonthepropertiesofMGH956alloyjointwithTIGweldingLUOYa1,LEIYucheng1,2,HUANGWei1,LIANGShenyong1(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China;2.⁃JiangsuProvinceKeyLaboratoryofHighendStructuralMaterials,Zhenjiang212013,China)Abstract⁃:ToreducetheporosityofMGH956alloyintheweld,thearcultrasonicexcitedbymodulatingTIGarcthroughhighfrequencywasappliedinMGH956alloygastungstenarcwelding.Theactionmechanismandfunctionarymechanismof⁃arcultrasoniconporesandtensilestrengthofthejointsofMGH956alloyinTIGweldingwas⁃studiedbyintroducingarcultrasonicatdifferentexcitationfrequency.Themovementoftheporosityintheweldwasanalyzedbymathematicaltheory,thecalculationconclusionisconsistentwiththeexperimentalresultthatwhentheexcitationcurrentis15A,theexcitationfrequencydecreasesat30kHz,thenumberofporesisleastandthetensilestrengthreachesthemaximumas521MPa,reachingto76%ofthetensilestrengthofbasemetal,andthefracturemodeofthejointchangesfromcompletelybrittlefractureto⁃brittleductilemixedfracture.Keywords⁃:MGH956alloy;arcultrasonic;excitingfrequency;TIGwelding;pores收稿日期:2013-11-10.基金项目:国家自然科学基金资助项目(51075191);江苏省高校博士创新基金资助项目(CXZZ11_0556);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD).作者简介:罗雅(1987-),女,硕士研究生;雷玉成(1962-),男,教授,博士生导师.通信作者:雷玉成⁃,Email:yclei@ujs.edu.cn.MGH956合金是采用机械合金化方法制造的氧化物弥散强化(OxideDispersionStrengthened,ODS)高温合金,合金内添加了超细超稳定的氧化物颗粒(Y2O3),具有高温力学性能好、高温抗氧化和高温抗腐蚀性能好的综合优势,在航空、航天、核能等方面具有广泛的应用前景[1-3].采用粉末冶金方法制备MGH956合金,处于冶金不平衡状态,熔焊焊接过程破坏了原先粉末冶金的优势,弥散相的数量、尺寸、分布都会发生变化,MGH956合金经熔焊后,焊缝中有大量孔洞形成,弥散相明显粗化、数量减少,接头组织中晶粒粗化、取向改变,焊缝质量和接头性能下降[4-5].因此,解决MGH956合金熔焊焊缝中的气孔问题是提高焊缝质量的关键之一.功率超声在金属凝固过程中有良好的除气效果[6-10],电弧超声与功率超声有相同的作用效果,对熔体有较好的除气效果,雷玉成等在频率为30kHz下研究了激励电流对MGH956合金TIG焊缝气孔数重要的影响,但未探索电弧超声频率对焊缝气孔数量的影响.本文采用电弧超声TIG焊对MGH956合金进行平板对焊,重点研究了激励频率对焊缝中气孔数量和接头拉伸性能的影响,分析了超声频率对气体的作用规律.1试验超声电源的激励电流和激励频率均可调,最大功率为1500W,激励电流调节范围为0~30A,激励频率调节范围为28~80kHz.超声频激励电源和TIG电源通过自行研制的隔离耦合装置连接,试验示意图见图1.TIC焊接电源隔离耦合装置超声激励电源工件电弧图1超声电弧焊接试验示意图试验材料为北京钢铁总院研发的MGH956合金,该材料的最后热处理条件是在℃1325进行再结晶退火1h,其化学成分如表1所示.采用线切割方法将MGH956合金加工成70mm×35mm×1.3mm的板材,焊接前将试件用150#的SiC砂纸打磨去氧化皮,并用丙酮洗净.表1MGH956合金化学成分(质量分数/%)CrAlTiYONCFe19.645.060.520.400.220.0200.007余量采用MW3000逆变全数字化钨极氩弧焊机进行焊接,焊接参数如表2所示.焊接时待电弧稳定后再打开超声频激励源,选定超声激励电流为15A,激励频率分别为60、50、40和30kHz.焊后用光学显微镜对焊缝气孔分布进行观察,在Instron电子万能试验机上进行拉伸试验,拉伸速度为1mm/min,并用扫描电镜(SEM)对断口形貌进行观察.表2焊接参数保护气流量/(L·min-1)电流/A电压/V速度/(m·s-1)770122.02结果及分析2.1超声频率对焊缝气孔的影响图2为对MGH956合金TIG施加不同电弧超声频率的焊缝气孔分布图.(a)未施加超声电弧(b)激励频率为60kHz(c)激励频率为50kHz(d)激励频率为40kHz(e)激励频率为30kHz500μm500μm500μm500μm500μm图2施加不同频率电弧超声时的焊缝气孔分布图其中,图2(a)为未施加电弧超声时焊缝气孔分布图,整个焊缝密布着大量的气孔,气孔尺寸大多为几微米到几十微米,最大可达200~300μm.在焊接过程中加入电弧超声后,焊缝的气孔数量发生明显变化,因频率的改变而改变.当焊接过程中施加60kHz的电弧超声时,焊缝气孔分布如·72·第5期罗雅,等:电弧超声激励频率对MGH956合金TIG焊接头的影响图2(b)所示,与未施加电弧超声相比,气孔数量减少,气孔主要集中在焊缝上部.当电弧超声频率为50kHz时,如图2(c)所示,相对60kHz,气孔数量没有大的变化,但明显偏聚于焊缝表面.当施加的电弧超声频率降低到40kHz时,如图2(d)所示,较50kHz,气孔数量减少、气孔尺寸变小.当频率降到30kHz时,如图2(e)所示,焊缝内部的气孔明显减少,只在焊缝表面存在一定数量的气孔.综上分析可知,随着电弧超声频率的降低,焊缝内气孔数量得到减少.主要是由于:超声波对焊缝中的液态金属具有声流效应及空化效应,超声波的除气作用主要与空化效应有关[11].超声波频率会影响空化气泡的临界半径,随着频率的增加,熔体中空化泡振动幅度变小,熔体中空化效应变弱.这是因为随着频率的提高,声波膨胀时间相应变短,空化泡振幅变小,气泡来不及长大就遇到下一个压缩相,空化泡的膨胀周期变短,增大了熔体中的气体向空化泡扩散的难度,空化核可能来不及生长到可以产生效果的空化泡,且由于空化泡压缩周期变短,长大的空化泡也可能来不及发生崩溃,这就使得空化泡可能需要经历若干声波周期才能崩溃,有些甚至不能发生崩溃,使得空化效率大大降低.当频率增高,气泡不易长大.式(1)计算表明,超声频率越小,相应的气泡共振尺寸越大,这有利于微小空化泡的长大.在一定的尺寸范围内,气泡尺寸越大,所受到的浮力也越大,气泡越容易溢出熔体表面[12-14].f=1πd3kp0ρL.(1)式中:f超声波换能器的频率,kHz;d为气泡的直径,cm;k月热容比,是气泡内气体的定压比热容与定容比热容之比,即k=Cp/CV;p0为熔体的水力学压力,Pa;rL为熔池熔体的密度,g/cm3.焊缝熔池空化泡尺寸的理论计算如下.试验中,p0≈≈1atm105Pa,溶液密度ρL≈7.8g/cm3,假设气泡内气体为空气,其比热容比k=1.40.当f=60kHz时,共振空化泡直径d=1.23´10-3cm;当f=50kHz时,共振空化泡直径d=1.34´10-3cm;当f=40kHz时,共振空化泡直径d=1.86´10-3cm;当f=30kHz时,共振空化泡直径d=2.47´10-3cm.假定空化气泡为初始半径R0=d/2的球体,以速度ν,在黏度系数为η的熔体中上浮,则根据斯托克斯公式v=2gR20(ρL-ρ0)9η.(2)式中:ρ0为空化气泡的密度,g/cm3;g为重力加速度,m/s2.在上面假定的试验参数情况下,熔池熔体的动力学黏度系数η取值为5.26´10-3NS/m2(1923K时)[15],那么,当频率为60kHz时,空化气泡的上浮速度ν≈0.308mm/s,频率为30kHz时,空化气泡上浮速度ν≈1.23mm/s.现假定气泡是在焊缝底部开始上浮的,运行高度H=1.3mm,运动过程中气泡的密度可以忽略不计,根据t=Hv=9ηH2g20ρL,(3)求得频率为60kHz时,上浮时间为t=4.2s;频率为30kHz时,上浮时间t=1s.随着频率的降低,超声除气所花的时间越少,则除气能力越强.实际上,由于熔体中存在着大量空化气泡,且空化气泡之间不断合并、长大,还有气泡上升过程中由于熔体压强降低也会长大,因此,空化气泡的长大变得更加活跃,推定气泡的尺寸要比初始半径大.所以,在熔体中气泡上浮时间将会减少.2.2电弧超声激励频率对焊接接头拉伸强度的影响在室温下对试样进行拉伸试验,结果如表3所示,图3为试样的拉伸应变曲线对比图.由表3可知,采用电弧超声对MGH956合金进行焊接时,当施加的电弧超声频率为30kHz时接头抗拉强度最大,达到了521MPa,约为母材强度的72%,比未施加电弧超声时提高了约15%.表3添加不同频率的电弧超声时焊接接头的抗拉强度f/kHz母材060504030σb/MPa72041049250551452160050040030020010000.20.40.60.81.01.20kHz40kHz60kHz50kHz30kHz抗拉强度/MPa延伸率/mm图3施加不同频率电弧超声对应的接头抗拉强度·82·材料科学与工艺第22卷在不同激励频率的电弧超声作用下,接头的抗拉强度有所不同.施加电弧超声后,焊接接头抗拉强度和伸长率比未施加电弧超声时均有所提高,且随着电弧超声激励频率的降低,接头抗拉强度和伸长率也相应增大,并在30kHz时达到最大.超声在熔体中传播时,由于熔体的黏度比较大,导致超声振幅的衰减,因而在熔体中从声源处形成一定的声压梯度导致熔体的流动.且这种流动具有环流特性,熔体中的颗粒在这些力的作用下上下翻动.只有合适的振幅才可以在颗粒表面形成紊流,使得团聚的较松散的颗粒团溃散开,增强相颗粒能弥散分布,起到弥散强化作用[16].结合激励频率对焊缝中气孔的影响及超声空化和声流作用,在电弧超声强度足够的情况下,减少激励频率会增加接头的性能.2.3电弧超声激励频率对焊接接头韧性的影响图4为施加不同频率电弧超声后得到焊缝拉伸后的断口的SEM照片.由图4(a)可知,未施加电弧超声时,接头的拉伸断口呈河流花样,从断面可以看到许多大小不等气孔,且无韧窝,由此断定接头断裂为完全脆性断裂.10μm10μm10μm(a)未施加超声电弧(b)激励频率为60kHz(c)激励频率为30kHz图4不同频率电弧超声的焊接接头的断口SEM图由图4(b)可知,当施加频率较高时,断裂界面仍分布着许多小气孔,有少数韧窝,断口依然以脆性断裂为主.在超声频率降低到30kHz时(图4(c)),断裂界面气孔相对减少,断口存在大量韧窝,表现出韧性断裂特征.随着频率的降低,超声的空化作用增强,净化了增强颗粒与熔体的结合面,改善颗粒与熔体的润湿性,与基体的结合性变好.电弧超声对熔体的声流作用使得熔体中的增强相弥散分布,同时能使焊缝的晶粒细化和均匀化,将一定的变形量分散,同时晶界的曲折增多减弱裂纹的传播与扩展,断裂前可以承受更大的变形,使得接头的韧性变好.3结论1)超声电弧作用于MGH956合金的焊接,在相同的激励电流下,随着电弧超声频率的降低,接头的气孔数量明显减少,控制激励电流在15A的条件下,激励频率为30kHz时,焊缝的气孔量最少.2)超声电弧对MGH956合金TIG焊的试验结果与理论分析一致,由于超声波的空化效应,低频更有利于除气.3)电弧超声在熔体中引发的空化效应和声流效应,在除气的同时,也使颗粒增强相在基体中分布更加弥散,同时改善与基体的结合性,使接头的抗拉强度和韧性得到提高.参考文献:[1]CASTROAVde,LEGUEYT,MUÑOZA,etal.⁃MicrostructuralcharacterizationofY2O3ODS-Fe-Crmodelalloys[J].JournalofNuclearMaterials,2009(386-388):449-452.[2]MUKHOPADHYAYDK,FROESFH,GELLESDS,etal.Developmentofoxidedispersionstrengthenedferriticsteelsforfusion[J].JournalofNuclearMaterials.1998(258-263):1209-1215.[3]何培,周张健,李明,等.用于超临界水堆燃料包壳的ODS铁素体钢的研究进展[J].钢铁研究学报,2009,31(11):5-11.HEPei,ZHOUZhangjian,LIMing,etal.progressofusingoxidedispersionstrengthenedferriticsteelsasfuelcladdingmaterialsinsupercriticalwaterreactor[J].JournalofIronandSteelResearch,2009,21(11):5-11.[4]田耘,郭万林,杨峥,等.MGH956合金板材电子束焊和氩弧焊的接头组织与性能研究[J].航空材料学报,2011,31(4):5-11.TIANYun,GUOWanlin,YANGZheng,etal.MicrostructuresandpropertiesofMGH956sheetJointswithEBandTIGweldingmethods[J].JournalofAeronauticalMaterials,2011,31(4):5-11.[5]淮军锋,郭万林,李天文,等.氧化物弥散强化高温·92·第5期罗雅,等:电弧超声激励频率对MGH956合金TIG焊接头的影响合金MGH956的基本焊接性研究[J].材料工程,2008(11):52-55.HuaiJunfeng,GuoWanlin,LiTianwen,etal.⁃Weldabilitiesofthe⁃⁃oxidedispersionstrengthenedsuperalloyMGH956[J].JournalofMaterialsEngineering,2008(11):52-55.[6]谢伟峰,雷玉成.CLAM钢穿孔等离子超声电弧焊接激励频率的优化[J].材料科学与工艺,2013,21(1):30-36.XIEWeifeng,LEIYucheng.Optimizingtheexcitation⁃frequencyforkeyholeplasmaultrasoundarcweldingofCLAMsteel[J].MaterialsScienceandTechnology,2013,21(1):30-36.[7]NAJIMEIDANIAR,HASANM.AstudyofhydrogenbubblegrowthduringultrasonicdegassingofAl-Cualloymelts[J].MaterProcessTech,2004,147:311-320.[8]XUHanbing,JIANXiaogang,THOMASTM.DegassingofmoltenaluminumA356alloyusingultrasonicvibration[J].MaterialsLetters,2004,58(29):3669-3673.[9]PUGAH,BARBOSAJ,SEABRAE,etal.TheinfluenceofprocessingparametersontheultrasonicdegassingofmoltenAlSi9Cu3aluminiumalloy[J].MaterialsLetters,2009,63(9-10):806-808.[10]李晓谦,陈铭,赵世琏,等.功率超声对7050铝合金除气净化作用的试验研究[J].机械工程学报,2010,46(18):41-45.LIXiaoqianCHENMingZHAOShilian,etal.Experimentalresearchontheeffectofpowerultrasoniconthedegassingprocessof7050aluminummelts[J].JournalofMechanicalEngineering,2010,46(18):41-45.[11]ESKINGI.Broadprospectsforcommercialapplicationoftheultrasonicmelttreatmentoflightalloys[J].UltrasonicsSonochemistry,20018(3):319-325.[12]PHILIPSD,CHENXucai,BAGGSR,etal.Acousticbackscatterpropertiesoftheparticle/bubbleultrasoundcontrastagent[J].Ultrasonics,1988,36(8):883-892.[13]MILLERDL.⁃Ultrasonicdetectionofresonantcavitati⁃⁃onbubblesinaflowtubebythesecondharmonicemissions[J].Ultrasonics,1981,19(4):217-224.[14]LIJunwen,MOMONOT,TAYUY,etal.Applicationofultrasonictreatingtodegassingofmetalingots[J].MaterialsLetters,2008,62(25):4152-4154.[15]LIDAT,GUTHRIER.Thephysicalpropertiesofliquidmetals[M].NewYork:OxfordUniversityPressInc,1988.[16]潘蕾,陶杰,陈照峰,等.高能超声在颗粒/金属熔体体系中的声学效应[J].材料工程,2006(1):35-42.PANLei,TAOJie,CHENZhaofeng,etal.Acousticeffectofhighintensityultrasonicinparticles/metalmelt[J].JournalofMaterialsEngineering,2006(1):35-42.(编辑吕雪梅)·03·材料科学与工艺第22卷
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