电弧超声在MGH956合金TIG焊接中的作用.pdf

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第2I卷第6期2013年12月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYV01.2lNo.6Dec.2013电弧超声在MGH956合金TIG焊接中的作用雷玉成,黄巍,赵凯,梁申勇(江苏大学材料科学与工程学院,镇江212013)摘要:为了改善MGH956合金的熔化焊接头性能,在其焊接过程中引入了电弧超声技术,以自制高Ni固体焊丝为填充材料对MGH956合金进行焊接,并与常规TIG焊进行对比,研究了电弧超声对焊缝组织和性能的影响.结果表明:电弧超声使焊缝组织得到明显细化,气孔数量减少;纳米Y,0、颗粒的聚集现象得到一定控制,且分布更加均匀;颗粒与基体Fe润湿性得以改善,使得两者界面结合良好,接头抗拉强度得到提高,达到615MPa,同时焊缝的塑性得到明显提高,且使焊接接头由脆性断裂转变为完全韧性断裂.关键词:电弧超声;MGH956合金;TIG焊接;显微组织;拉伸性能.中图分类号:TG456文献标志码:A———文章编号:10050299(2013)06001205Effectsofarc-ultrasoniconTIGweldingofMGH956alloyLEI—Yucheng,HUANGWei,ZHAOKai,LIANGShen・yong(SchoolofMaterialSciencesandEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)Abstract:ToimprovethefusionweldingperformanceofMGH956—alloy,arcultrasonictechnologywasintroducedintoweldingprocess,andthehighNisolidweldingwirewasusedasfillingmaterial.Comparingthemicrostructuresandmechanicalpropertiesofthejointwithandwithoutarcultrasonic,themechanismof—arcultrasonicvibrationwasinvestigated.Theresultshowsthatarc・ultrasoniccansignificantlyrefinethejointnficrostructureandreducethenumberofpores.Theagglomerationandcoarseningofnano-scaledoxideparticleshasbeencontrolled,andthedistributionoftheparticlesismoreuniform.Thetensilestrengthofweldingjointsreaches615MParesultingfromtheimprovementofwettabilitybetweenparticlesandmatrixFe.Thetoughnessofthejointsisimprovedobviouslyandthefracturemodechangesfrombrittlefracturetocompleteductilefracture.Key—words:arcultrasonic;MGH956alloy;TIGwelding;microstructure;tensilepropertyMGH956合金是采用机械合金化方法制造的氧化物弥散强化ODS(Oxidedispersionstrength-ened)高温合金,具有高温力学性能、高温抗氧化和抗腐蚀性能好的综合优势,在航空、航天和核能‘‘领域得到广泛的应用12j.但由于纳米级颗粒的引入,MGH956合金在熔化焊接过程中存在很多问题,除了要抑制纳米级Y:O,颗粒的聚集,还必须解决焊接接头强度不高的问题,如焊缝中晶粒收稿日期基金项目作者简介通信作者—2U12一0528.国家自然基金项目(51075191);江苏大学科技创新团队项目(JD00019);江苏省博士创新计划资助项目(CXZZll0556).雷玉成(1962一),男,教授,博士生导师.—雷玉成,Email:yclei@ujs.edu.cn.粗大、气孑L、增强相颗粒分布不均匀等,这些都对“接头强度的提高有制约作用一o.向熔池中引入‘功率超声可以细化晶粒7o,使颗粒分布弥散化旧J,但传统的超声耦合方法存在诸多缺陷,在焊接中得到实际应用较为困难.清华大学吴敏生教授在1999年提出电弧超声的概念,通过对焊接电弧施加高频调制,激发出超声直接作用于熔池,成功解决了这一难题【9J.在焊接过程中引入电弧超声,具有细化焊缝晶粒、改善增强颗粒分布、提高焊缝接头性能等作用.本文将电弧超声技术引入MGH956合金的TIG焊接中,以自制的高Ni焊丝为填充材料,研究了电弧超声在焊接过程中的作用.万方数据第6期雷玉成,等:电弧超声在MGH956合金TIG焊接中的作用・13・1试验1.1电弧超声试验系统本文所用电弧超声试验系统由超声频激励电源和TIG焊接电源组成.超声电源的激励电流和激励频率均可调,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,试验如图l所示.隔离耦合装嚣{川—————————r一?11......_一…∥世坠卜工件图1超声电弧焊接试验示意图1.2试验材料及过程试验材料为北京钢铁总院研发的MGH956合金,该材料为采用机械合金化方法制备并经过热等静压固化,再经热锻、热轧及冷轧制成厚度1.3mm的板材,最后在1℃325进行再结晶退火1h.MGH956合金的化学成分如表1所示.表1MGH956合金化学成分(质量分数/%)CrAlTiY0NCFe19.645.060.520.400.220.0200.007余量采用线切割方法将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.分别采用常规TIG焊接和电弧超声TIG焊接方法进行焊接,焊接工艺参数见表2,焊接所用填充材料为自制的高Ni固体焊丝,其合金成分如表3所示.焊接时待电弧稳定后再打开超声频激励源,选取超声激励频率为30kHz,激励电流为30A.表2焊接工艺参数表3高Ni固体焊丝化学成分(质量分数/%)焊后用光学显微镜和扫描电镜(SEM)对焊缝显微组织进行观察,并用x射线衍射法结合能谱分析(EDS)对颗粒成分进行鉴定.拉伸试验在Instron电子万能试验机上进行,拉伸速度为1mm/min.气孔率使用ImageJ分析软件进行测定.2结果与分析2.1电弧超声对气孔和晶粒大小的影响图2为常规TIG焊缝中心组织,由图2可见,常规TIG焊所得焊缝中心区晶粒比较粗大,在焊缝中分布着大量气孔和一些白色的颗粒物.经分析计算焊缝的气孑L率约为9.7%,其尺寸大多在10Ixm左右,最大的可达50Ixm.a1显微组璺图2常规TIG焊缝中心区显微组织和SEM形貌在一些气孔内部可看到有颗粒物存在,通过EDS对气孑L内聚集颗粒成分进行分析,结果见图3(a).由图3(a)可得,颗粒主要由Al、Y、0组成,可以推断,这些团聚颗粒主要是母材基体中的纳米级Y:O,颗粒团聚所引起的.在熔焊过程中,由于母材中的氧化物颗粒与基体Fe的润湿性很差,使得两者界面结合不紧密,并且这些氧化物颗粒容易发生聚集,颗粒表面吸附着的气体也发生聚集,气体在凝固过程中没有及时逸出而在焊缝中形成气孔¨01.这些聚集的颗粒依附着气孑L存在,基体金属无法填充颗粒周围,引起疏松,造成的引力集中,严重影响焊缝的性能.填充高Ni固体焊丝后,焊缝中有一些白色颗粒物生成,其能谱分析结果见图3(b).结合能谱分析和x射线衍射分析(图4)可知,白色颗粒主要是TiC、TiN和Ni,A1.这些颗粒是在焊接过程中原位生成的,弥补了焊缝中纳米级颗粒因烧损和团聚所万方数据材料科学与工艺第21卷减少的那部分,对焊缝起到增强作用,使焊缝性能有一定提高.12080oj童40、0E/keV(a)气孔内颗粒EDS『N『Ti}Fe随燧。。。。。,武蕊kl23456789£/keV(b)晶粒内颗粒EDS图3常规TIG焊缝中颗粒EDS能谱分析图4常规TIG焊缝x射线衍射谱图图5为施加电弧超声焊缝中心组织,与常规TIG焊缝组织相比,焊缝显微组织主要由细小、均匀的晶粒所组成,且气孔数量明显减少,焊缝的气孑L率降低到约4.8%,这主要是超声波作用的结果.电弧超声作为一种电声换能器,与功率超声一样,对焊缝中气体的影响主要与空化效应有…关J.在焊接过程中,熔池中存在大量的固体氧化物颗粒,且在这些颗粒表面吸附着大量细小的气泡,在超声的作用下,这些小气泡成为空化核…心J.当超声声压值超过空化阀值时,就能在熔体中产生空化作用.这些小气泡在交替声压作用下,在空化泡壁面上产生了不均匀的质量传输而使气泡不断长大,然而气体向空化泡的扩散主要受空化泡的壁面周围一定厚度的液体扩散层厚度的影响.在压缩阶段,扩散层变厚,扩散层中的气体浓度降低,这样气体的扩散速率相对较低;在膨胀阶段,扩散层变薄,扩散层中的气体浓度变大,…使气体从熔体中进人空化泡一2i.气泡在膨胀和压缩的交替过程的作用下不断吸收熔池内的气体而长大,当气泡长大到一定尺寸,一部分气泡受熔体的浮力作用浮出表面,熔池内气泡数量急剧减少,而另一部分气泡在压缩的过程中发生崩溃,从而在液体内产生瞬时的局部高温高压.高压冲击波可以剥落颗粒表面吸附的小气泡,增加熔池内游离的气泡数量,有利于气泡的聚集长大.另外,声波的有限振幅衰减在熔体内形成一定的声压梯度,导致了液体在宏观上的对流,在整个流体中形成一个环流,称为声流效应。1}.在声流作用下,对熔池的搅拌作用加强,微小气泡运动加强,合并、长大的机会增加,有利于气体的逸出.”r}l?、1¨弛图5电弧超声TIG焊缝中心区显微组织和SEM形貌电弧超声除了可以减少焊缝内气孔数量外,还能够起到细化晶粒和增加结晶组织均匀性的作用.空化效应产生的高温高压冲击波,足以将正在生长的粗大的柱状晶晶粒击碎,而被击碎的晶粒在声流的作用下均匀而分散的分布在熔体中成为新的形核核心,这就大大增加了熔池的形核核心.超声波在熔体中引发的声流速度可达到熔体热对‘流速度的10~103倍14i,这种强烈的流动也会对已经形核长大部分有强烈的机械冲刷作用,会使一些结合不牢的晶粒脱落,进入熔池成为新的形核核心.声流还会将熔池上部的高温金属液带到熔池底部,使整个熔池中心区域的液态金属温度趋于一致¨引.在熔池的凝固过程中,晶粒长大实际上是晶界发生迁移的过程,超声波能增加组织中的亚晶界面积和位错密度,增加晶界迁移的阻力,抑制晶粒的长大¨”mJ.因此,在超声波的作用万方数据第6期雷玉成,等:电弧超声在MGH956合金TIG焊接中的作用下,焊缝的晶粒得到明显细化.2.2电弧超声对焊接接头拉伸性能的影响在室温下对试样进行拉伸试验,结果如表4所示.从表4可知,未施加电弧超声时,试件的塑性较差,在拉伸过程中并未发生屈服,且伸长率低,其抗拉强度为581MPa;在焊接过程中施加电弧超声后,试件的抗拉强度提高到615MPa,达到母材的85%,试件在拉伸时有明显的屈服,伸长率也有所提高,这说明电弧超声可以提高焊接接头的强度和塑性.表4焊缝的拉伸性能图6(a)为常规TIG焊缝拉伸断口,为典型的河流状脆性穿晶解理断面,仅在撕裂棱部位存在极少浅小韧窝,从断口形貌可看出塑性变形极少.结合接头微观组织分析,这主要是由于焊缝是由粗大晶粒组成,还存在许多大小不等的气孔,晶粒问的结合性不好,在拉仲的过程中,裂纹首先从气孑L处产生,沿着晶界和缺陷处扩展,扩展速度极快,且扩展过程中所消耗的能量小.施加超声后,断口上韧窝数量明显增加,韧窝大而深,分布较均匀,如图6(b)所示,焊缝表现出较好的塑性,根据断口形貌断定属于完全韧性断裂.从断口的局部放大图可看出,在韧窝的底部存在粗化的纳米级Y:O,颗粒,大部分都分布均匀,但还是存在一些尺寸较大的团聚物.从韧窝的大小和深度可见这些Y,O,与Fe基体结合比较好,在拉伸过程中位错在颗粒处大量塞积形成位错环,位错环越来越多,最后造成撕裂,形成韧窝.这主要是超声作用的结果,原因主要有二:一方面,超声明显细化了焊缝的组织,并且减少了焊缝中的气孔缺陷,使晶粒间的结合性增强,裂纹在穿越晶界时受到晶界的阻碍,扩展过程中所消耗的能量大,其效果可以—用HallPetch公式来解释;另一方面,在施加超声后,空化泡在崩溃时产生的瞬时高温和高压,温度和压力的量级高达104K和105MPaLI7『,这种局部高压在传播时会形成瞬时高压冲击波,足以将一些团聚的Y,O、颗粒击散,使其均匀分布,并‘且还可材Y,O、颗粒表面进行破坏和清洗,活化颗粒的表面,使颗粒的表面能增加,而声空化引起的高温高压也可以降低了溶体的表面能,改善了增强相颗粒与熔液的润湿性,使其更容易被基体捕获,提高了增强相颗粒与Fe基体之间的界面结合强度,从而提高焊缝的塑性与强度.(b)电弧超声T1G焊图6焊缝拉伸断口的SEM形貌3结论1)与常规TIG焊相比,电弧超声TIG焊缝组织明显细化,焊缝中的气孔数量明显减少,并有效减弱了纳米级Y:0,颗粒的聚集,提高了焊缝的力学性能.2)加入超声后,超声振动直接作用于熔池,改善了增强相颗粒与基体的润湿性,使颗粒与基体间的结合性增强,明显提高了焊缝的抗拉强度,并且改善了焊缝的塑性,使焊接接头由脆性断裂转变为完全韧性断裂.参考文献:[1]UKAIS,OHTSUKAS,KAITO—T,eta1.Hightemperaturestrengthcharacterizationofadvanced—9CrODSferriticsteelsJI.MaterialsScienceandEngineering——A,2009,510511:115120.[2]HOELZERDT,BENTLEYJ,SOKOLOVMA,eta1.Influenceofparticledispersionsonthehigh・temperaturestrengthofferriticalloys[J].JournalofNuclear——Materials,2007,367370:166172.[3]MIAOP,ODETYEGR,GOULDJ,eta1.The—microstructureandstrengthpropertiesofMA957—nanostructuredferriticalloyjointsproducedbyfrictionstirand—eleetrosparkdepositionwelding[J].JournalofNuclear—Materials,2007,367370:1—1971202.万方数据‘・16材料科学与工艺第21卷[4]淮军锋,郭万林,李天文,等.氧化物弥散强化高温合金MGH956的基本焊接性研究[J].材料工程,—2008(9):5255.HUAI—Junfeng,GUOWan-lin,LI—Tianwen,eta1.Weldabilitiesoftheoxide..dispersion..strengthenedsuperalloyMGH956[J].ChineseJournalofMaterials—Engineering,2008(9):5255.[5]田耘,郭万林,杨峥,等.MGH956合金板材电子束和氩弧焊的接头组织与性能研究[J].航空材料学—报,2011,3l(4):3338.TIANYun,GUO—Wanlin,YANGZheng,eta1.MicrostructuresandpropertiesofMGH956sheetjointswithEBandTIGweldingmethods『J].JournalofAeronautical—Materials,2011,31(4):3338.[6]MOLIANPA,YANGYM,PATNAIKPC.LaserweldingofoxidedispersionstrengthedalloyMA754[J].JournalofMaterial—Science,1992,27:26872694.[7]刘春玲,郭威,庞宇征,等.超声波在铸造法制备金属基复合材料中的应用[J].铸造技术,2004,25—(6):474476.LIU—Chunling,GUOWei,PANG—Yuzheng,eta1.Applicationofultrasoniconmetalmatrixcompositespreparedbycastingmethod[J].FoundryTechnology,—2004,25(6):474476.[8]XU—ZhiWU,YANJiu-chun,CHENWei,eta1.EffectofultrasonicvibrationonthegrainrefinementandSiCparticledistributionin—Znbasedcompositefillermetal[J].Materials—Letters,2008(62):26152618.[9]吴敏生,何龙标,李路明,等.电弧超声焊接技术—[J].焊接学报,2005,26(6):4044.WU—Mingsheng,HELong-biau,LI—Luming,eta1.—Arcultrasonicweldingtechnology[J].TransactionsoftheChinaWelding—Institution,2005,26(6):4044.[10]雷玉成,任闻杰,谢伟峰,等.氧化物弥散强化(ODS)合金MGH956TIG焊缝气孑L问题的实验研—究[J].焊接学报,2011,32(11):14.LEI—Yucheng,RENWen-jie,XIEWei-feng,eta1.StudyOUporesinTIGweldingofoxidedispersionstrengthened(ODS)alloyMGH956[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,201—l,32(11):14.[I1]ESKINGI.Cavitationmechanismofultrasonicmeltdegassing[J].UltrasonicsSonochemistry,1995,2(2):137.[12]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):4l一45.LI—Xiaoqian,CHENMing,ZHAOShilian,eta1.Experimentalresearchontheeffectofpowerultrasoniconthedegassingprocessof7050aluminummelts[J].JournalofMechanicalEngineering,2010,46(18):4l一45.[13]王俊,陈锋,孙宝德.高能超声在制备颗粒增强金属基复合材料中的作用[J].上海交通大学学报,—1999,33(3):813816.WANGJun,CHENFeng,SUN—Baode.EffectsofhighintensityultrasonicduringMMCpfabrication[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,1999,33—(3):813816.[14]COMPBELLJ.Effectofvibrationduringsolidification[J].IntMetRev,1981(2):7l一104.[15]何龙标,李路明,吴敏生.电弧超声的传播特征及其—对熔合区的影响[J].焊接学报,2010,31(8):58.HE—Longbiao,LI—Luruing,WU—Minsheng.Propagatingfeatureofarcultrasonicanditseffectonbondarea[J].TransactionsoftheChinaWelding—Institution,2010,31(8):58.[16]刘清梅.超声波对金属凝固特性及组织影响的研究[D].上海:上海大学,2007.[17]PUSKARA.TheUseof—HighintensityUltrasonicMJ.Elsevier:Amsterdam.1982.(编辑程利冬)万方数据
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