电弧超声技术及应用

HEATS

　　1成果简介

　　电弧超声的创新点在于实现了将“电弧不仅仅作为产热机构，同时作为超声发射机构”的构想。它的基本原理是利用电弧的变阻性负载特性激励出电弧超声。这种方法克服了常规超声产生方法耦合困难和参数不易调节的缺点，使功率超声在工程实践中的应用向自耦合、频率和能量实时调节的方向发展，利用超声声流和空化等多种效应对加工质量产生改善作用。

% J6 N s6 L$ |8 l& _2 [% G( g; P

　　目前，已经研制成功宽带大功率的电弧超声激励装置(包括连续波和脉冲波两种激励方式)，研究了电弧超声的激发和控制特性，并把此项技术成功应用于焊接、喷涂、表面改性等材料加工领域，申请了国家发明专利“一种用电弧激发超声波的方法”，即将获得授权。

: r( {; x: U1 u! w% i+ d3 Y

　　2应用说明

: C& j% a6 j5 Y7 p A: L% t

　　●电弧超声技术在焊接中的应用

- g( M: Y: `+ O8 V% X. K; o7 ^ 6 J: i) e/ N9 h

　　在焊接中，焊缝区晶粒粗大、热影响区组织长大、焊缝残余应力较大且有应力集中现象、焊缝的冲击韧性下降等是焊接过程中容易出现的普遍现象，而且不仅仅局限于某一种或几种材料和焊接方法。电弧超声的产生与焊接材料和焊接方法无关，仅受到外加激励源特性和电弧等离子体高频特性的影响。通过对多种材料(A3、45、16MnDR、09MnNiDR、1Cr18NiTi、TC4等)和多种焊接方法(手工电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊、TIG、MIG等)的电弧超声焊接实验，证明了电弧超声作为一种通用的方法，不受焊接材料和焊接方法的限制，对于改善焊缝接头组织的综合性能有明显的作用，为提高焊接接头组织的性能提供了一种全新而且有效的方法。

* K+ D! i9 s1 _2 Y" M8 V 4 y0 M; }+ ?0 j6 R/ b

　　(1)碳钢焊接

; P% b3 B3 _" `- ]; ]( p5 H5 k% m4 g

　　对多种钢材的实验表明，电弧超声的引入，对于细化焊接接头组织的晶粒、改善热影响区组织、改善焊缝区应力分布等都有明显的作用，大大提高了焊接接头组织的综合性能；同时，还发现了许多在常规焊接条件下难以实现的新现象。

7 W! w+ D4 ]7 N* q- D; h& m

　　对A3钢交流埋弧自动焊，在电弧超声作用下，焊接接头组织的热影响区发生明显的变化。激励超声的频率升高，“热影响区”的宽度增加，并且呈指状分布。微观金相分析表明，在电弧超声作用下，“热影响区”的组织不再是晶粒过度长大的薄弱环节，而是细小的等轴晶，表现出正火组织的优良特性。

9 U9 U1 @; {' k0 M6 w& w

　　对45钢手工电弧焊，加入50kHz的电弧超声后，焊缝区组织明显细化。电弧超声对焊缝中柱状晶的生长具有抑制作用，并使焊接接头组织发生显著变化。常规焊接时焊缝组织为较多的先共析铁素体和侧板条状铁素体；当激励源的中心频率约50kHz时，粗大的联生结晶组织得到明显的细化，焊缝金属形成较多的针状铁素体。

　　(2)低温钢焊接

0 o! r: [* q0 k( j; B6 N1 p# ~+ ?

　　对低温钢09MnNiDR埋弧自动焊，通过焊接试样的熔合区与热影响区的形态分析，观察到焊缝中柱状晶生长受到抑制，组织细化而且分布均匀。对试样进行低温冲击韧性试验，证实焊缝区和热影响区的冲击韧性有不同程度的提高，尤其在50kHz激励频率下，09MnNiDR焊缝区冲击韧性提高近50%，热影响区则提高80%以上。

+ |$ \3 T5 G0 g, k) g: h- C 9 R8 f5 [- N2 ?% T+ M9 F' }6 v