电弧超声技术及其工业应用

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。

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。

2 应用说明

●电弧超声技术在焊接中的应用

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。

（1）碳钢焊接

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。

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。

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

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）不锈钢焊接

对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti，采用手工电弧焊、堆焊的工艺进行试验，结果表明电弧超声的引入对不锈钢的焊缝区组织形态有较大影响，原来的条状组织变成网状组织，晶粒度减小，而且随着频率的提高，组织弥撒得越均匀。可见电弧超声焊接对不锈钢焊缝区组织晶粒的细化具有明显的作用。

（4）钛合金焊接

对航天工业中应用最为广泛的α＋β双相钛合金Ti-6Al-4V（TC4）的交直流/脉冲TIG焊进行了系列试验。加入电弧超声后，焊缝区柱状晶得到了一定程度的细化。在50kHz的激励频率下，焊缝区晶粒的形态出现了明显的变化，焊缝区几乎完全是由晶粒细小的等轴晶组成的，各区域之间的界限很不明显。这将大大提高钛合金焊接接头的性能。

（5）改善焊缝应力分布

用A3钢斜Y坡口的焊接规范，通过电弧直接把超声能量引入焊接过程，进行了对比实验，并且用小孔法和磁记忆法两种方法测量了焊缝及周围区域的应力分布。未加电弧超声时，焊缝周围区域的应力分布极不均匀，应力的最大值也比较高。加入电弧超声后，应力分布明显改善，在激励频率为50kHz时，应力的平均值减少了约40%，且应力值的波动区域也比较小，同时电弧超声的引入可以在焊缝上附加压应力，从而提高焊缝接头的性能。

●电弧超声技术在电弧喷涂中的应用

在电弧超声的作用下，采用纯锌进行喷涂，并对试样进行金相试验、显微维氏硬度测定、耐腐蚀测试，证明了电弧超声的作用使得涂层的颗粒度和孔隙率降低、氧化物减少、显微维氏硬度降低、在碱性环境和盐水环境中的耐腐蚀性能得到显著提高，尤其50kHz电弧超声提高耐腐蚀性能的效果最佳。

通过对在不同超声频率和超声激励电压下喷涂的铬涂层进行拉伸试验，涂层的粘结强度有着比较明显的提高，试样涂层粘结强度普遍提高12%以上，证明超声的引入对提高涂层的结合强度有显著作用。随着超声频率和超声激励电压的升高，粘结强度也随之升高，充分体现了频率和能量的对应关系。

3 效益分析

作为一种通用的外场方法，电弧超声具有频率、功率等参数实时可控，通过电弧自耦合到工件、耦合效率高等特点。

将电弧超声引入焊接过程，可以细化焊接接头组织的晶粒，改善接头组织的应力分布，提高接头的强度、韧性等，为全面改善焊接接头组织性能提供了一种全新而有效的焊接方法。

将电弧超声引入电弧喷涂过程，可以降低涂层的颗粒度和孔隙率，减少氧化物，提高涂层的结合强度和耐腐蚀性能，为提高涂层性能提供了一种全新而有效的电弧喷涂方法。