馬明豪 劉一博,2 王建峰,2 孫清潔,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)山東省特種焊接技術(shù)重點實驗室 山東威海 264209；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)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(chǎn)生影響[1-2]，而在水下超聲復(fù)合焊接的過程中，還會受到聲場狀態(tài)的影響，如超聲頻率、振幅、發(fā)射端和反射端之間的距離、發(fā)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(tǒng)的陸上焊接中和超聲復(fù)合陸上焊接領(lǐng)域中[3]，都對這些參數(shù)進(jìn)行了研究，而水下超聲復(fù)合焊接領(lǐng)域，針對發(fā)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(shù)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(guī)律。

1 設(shè)備及材料信息

實驗設(shè)備主要由實驗平臺、控制器、超聲復(fù)合焊炬組成。其中實驗平臺用現(xiàn)成鋁型材搭建，運動機(jī)構(gòu)分成X、Y、Z三條運動導(dǎo)軌，由三個伺服電機(jī)帶動，由實驗平臺加持超聲復(fù)合焊炬，通過控制器控制來實現(xiàn)對復(fù)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(fù)合焊炬做X軸方向的勻速直線運動進(jìn)行焊接。由超聲電源將50Hz交流電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成機(jī)械振動，再將機(jī)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(dá)到改善焊縫成形提高焊接質(zhì)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(jié)果

2.1 焊接工藝參數(shù)設(shè)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(shù)的設(shè)計是根據(jù)藥芯焊絲官方推薦使用參數(shù)進(jìn)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(shè)為定量，只有輻射端高度一項作為變量進(jìn)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(jìn)行實驗。具體的實驗工藝參數(shù)如表2。

表1 焊絲成分對比表

表2 實驗參數(shù)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(xù)性和堆高、熔寬的穩(wěn)定性進(jìn)行評價來劃分不同的焊縫表面成形得分區(qū)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(fā)現(xiàn)，電弧燃燒不穩(wěn)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(xì)，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(guī)律，但是總體呈現(xiàn)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(wěn)定燃燒，導(dǎo)致電弧出現(xiàn)斷弧或者爆裂，導(dǎo)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(xì)，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(xiàn)了明顯起伏波動，而不是單調(diào)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(dāng)相位差達(dá)到π的奇數(shù)倍時，此時聲場能量密度最小，而當(dāng)相位差達(dá)到π的偶數(shù)倍的時候，聲場密度最高，超聲作用效果最強(qiáng)。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(dāng)聲輻射力向上的時候熔深減小，當(dāng)聲輻射力向下的時候熔深增加。圖3中焊縫熔深呈現(xiàn)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(qiáng)度最大，作用效果也最為明顯，當(dāng)熔池金屬冷卻過程過受到超聲的機(jī)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(jìn)行測試，依次選取輻射端高度30mm、70mm、110mm、150mm和相同參數(shù)下不加超聲的共5組參數(shù)下的焊縫進(jìn)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(fù)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(qū)：焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)，其中最大值出現(xiàn)在熔合區(qū)，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(qū)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(fù)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(fù)合顯微硬度最大值點因此也更靠后。

3 結(jié)語

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