张善彬，王廷和，张 磊，李一楠

（青岛理工大学机械工程学院，山东青岛266033）

超声辅助钨极氩弧焊紫铜焊缝组织性能

张善彬，王廷和，张 磊，李一楠

（青岛理工大学机械工程学院，山东青岛266033）

针对钨极氩弧焊（GTAW）焊接紫铜厚板时热裂纹严重的问题，采用超声辅助GTAW新工艺研究紫铜板焊接工艺。通过动力学模拟得到超声辅助GTAW焊接时T3紫铜板振幅分布规律，确定焊接时超声入射的最佳位置，并发现超声功率越大，T3紫铜表面谐响应时对应的振幅越大。研究超声辅助钨极氩弧焊对T3紫铜焊缝显微组织和力学性能的影响。结果表明，经超声辅助后焊缝中热裂纹得到明显抑制，粗大柱状晶显著减少，焊缝中晶粒得到细化，等轴晶增加，有明显球化现象，出现明显亚晶界，在一定范围内，超声功率越大，细化效果越明显，亚晶尺寸半径越小。通过力学性能测试发现，焊接接头的硬度、屈服强度及延伸率与无超声作用时相比均有明显提升。

钨极氩弧焊；超声辅助；晶粒细化；动力学分析；力学性能

0 前言

对于紫铜厚大结构件的焊接，目前可采用气焊、钎焊、焊条电弧焊、GTAW、埋弧焊、搅拌摩擦焊等方法。但是由于设备限制、成本高、生产周期长等原因，应用最广泛的依然是GTAW。在紫铜GTAW焊接中，热裂纹[1-2]是最常见的缺陷，为了避免热裂纹，在GTAW基础上引入超声作用[3-4]。在超声波引入后，介质受迫振动的同时，在其声流、空化、热影响下，熔池的凝固过程会发生变化，如提高形核率、破碎α-Cu柱状晶，改变引起热裂纹的低熔共晶液相在固相间的分布规律，起到抑制热裂纹，提高接头及焊缝力学性能的效果。

功率超声在焊接中分为超声波焊接和超声波辅助焊接技术。超声波焊接是利用超声热效应和机械振动实现异种材料固相连接[5]。超声辅助焊接主要集中于钎焊和电弧焊领域，在钎焊中利用空化作用减少气孔，去除氧化膜，促进钎料湿润和铺展过

程[6-7]。电弧焊中，改善熔池金属凝固结晶行为，细化焊缝组织，提高接头性能。按超声振动传入熔池金属方式分为母材引入式[8-9]、焊丝引入式和电弧引入式[10-11]三种。

在此研究T3紫铜的超声辅助钨极氩弧焊工艺[12-15]，采用的超声振动传入方式为母材引入式，探究超声振动在T3铜中的传播规律和超声对熔池凝固结晶行为的影响。探究超声作用对焊缝组织的细化效果和对焊接接头性能的提高。

1 试验材料和方法

基体材料选择T3紫铜板，尺寸120 mm×50 mm× 6mm。焊接时先将基体材料预热至400℃，调整焊接电流150 A，焊接速度1 mm/s。在左侧施加超声，距离试件左侧90 mm进行熔焊。其中施加超声频率20 kHz，输出功率1～2 000 W可调，超声头输出振幅最大15 μm，超声工具头有效作用直径30 mm。超声施加示意如图1所示。

图1 超声施加示意Fig.1Schematic diagram of ultrasonic applied

利用金相显微镜观察微观组织。通过力学性能测试，得到显微硬度分布和拉伸试验的应力-应变曲线。

2 结果和讨论

2.1 T3紫铜板动力学分析

通过动力学模拟，分析紫铜试板固有频率下的振动特性，得到超声输入后试板表面的振型分布，确定超声头与熔池之间的最佳距离，从而根据熔池所处的位置确定超声入射的最佳位置。

2.1.1 模态分析

分析对象为T3紫铜板，尺寸120 mm×50 mm× 6 mm。主要性能参数：室温下泊松比0.31～0.34，弹性模量E=108 GPa，密度8.93g/cm3。采用Ansys单元库结构单元，采用20节点实体单元Solid185进行网格划分。长方形T3紫铜板为自由状态，不施加条件约束，对有限元模型进行模态求解，扩展模态阶数为50阶。

通过模态分析得到的振型大小只是相对量值，不是实际振动时位移变化大小，是材料在某阶固有频率下各点相对振动量的比值，反映板中振动的传递特性。实验用的超声波频率为20kHz，振幅15μm，由长方形T3紫铜板在20kHz附近的固有频率可知，铜板第22阶频率20 266 Hz，接近20 kHz。2 066 Hz对应下的振型如图2所示，1区域为振动最强部分，2区域次之，3区域为振动较弱的位置，T3紫铜板的振动强弱以对称形式分布。

图2 T3紫铜板第22阶振型Fig.2Twenty-second step vibration graph of T3 copper

2.1.2 谐响应分析

采用Ansys单元库结构单元，采用20节点实体单元Solid185进行网格划分。超声头加载在试件左侧上表面，超声头直径30 mm，故试件左侧直径30 mm范围内为超声加载区域。在计算过程中，边界条件施加如表1所示。母材的左右端面不施加约束，下表面只有UZ方向不施加约束。其中APPLY4是超声头引起的总位移载荷，设定其功率2 000 W输出振幅为15 μm，则1 000 W输出振幅为3.9 μm。

表1 边界条件Tab.1Boundary condition

不同超声功率下的T3紫铜板上表面的位移分布云图如图3所示。由图可知，1区域为振幅最大值

分布区域，主要分布在板的边缘，不能作为超声焊接的位置。其次是2区域，大部分位于距离板左侧90 mm，熔焊在此处进行最为有利；3区域为振幅分布最小。中线上位移分布如图4所示，最大位移出现在距左侧90 mm附近，2 000 W振幅41 μm，1000W时为10 μm。不同功率下的振幅变化趋势基本一致，最大振幅出现的位置基本不变。不同之处在于，随着功率的增大，板表面的振幅亦随之增大，振动越明显。因此，通过模拟确定试板的振幅分布规律和施加焊接的最佳区域为距左侧90 mm中心区域。

图3 不同功率下T3紫铜板表面上位移分布云图Fig.3Displayment distribution nephogram of thickness on the upper surface of T3 at different power

图4 不同功率下T3紫铜板表面中心线上位移分布Fig.4Displayment distribution on the upper surface center of T3 at different power

2.2 焊接接头微观组织分析

根据动力学分析确定的超声头距离熔池的最佳位置，分别采用不同超声功率对紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接。图5a为T3纯铜无超声辅助GTAW焊接后的焊缝截面形貌，图5b为T3纯铜超声辅助GTAW焊接功率1 000 W焊缝截面形貌，图5c为T3纯铜超声辅助TIG焊接功率2 000 W焊缝截面形貌。对比图5可知，未添加超声GTAW焊，焊缝中的柱状晶粗大，并向中心生长趋势明显，晶界明显且晶界颜色较鲜明；添加超声后，超声振动使焊缝中柱状晶明显变少，焊缝中出现枝晶破碎。对比图5b、图5c可知，随着超声功率增大即振幅增大，柱状晶明显减少，枝晶破碎更加明显。

图5 不同功率下T3纯铜焊缝的截面形貌Fig.5Weld cross section morphology of T3 pure copper at different power

图6a为T3纯铜无超声辅助GTAW接后的焊缝金相图，图6b为T3纯铜超声辅助GTAW焊接功率1 000 W焊缝金相图，图6c为T3纯铜超声辅助TIG焊接功率2 000 W焊缝金相图。由图6a可知，无超声焊缝中有显微热裂纹生成；由图6b、6c可知，施加超声的焊缝中有明显的球化现象，出现明显的亚晶界，而且显微热裂纹消失，随着超声功率的增加，亚晶界越明显。通过Image-Pro Plus软件，测得施加超声1 000 W时的亚晶平均直径为72 μm，施加

超声2000W时亚晶平均直径为56μm。随着超声功率增加，振幅变大，亚晶尺寸越小。

图6 不同功率下T3纯铜焊缝的金相组织Fig.6Metallgraphic graph of T3 pure copper weld at different power

在无超声熔焊时，由于空气中氧元素电离和预热母材时形成氧化膜电弧加热时混进焊缝，凝固过程中形成大量低熔点Cu2O和Cu低熔点共晶薄膜，在局部应力下，最终形成微观热裂纹。加入超声后，通过超声声流和空化作用，促进焊缝中液相和固相的填充速度，快速弥合固相开裂时产生的热裂源，使液体愈合能力大于凝固收缩的速度，避免热裂纹扩展。同时超声振动使枝晶破碎，在一定范围内，振动越大枝晶破碎明显，这些碎片可以作为结晶核心，使形核率增加。令Z为形核率，晶核捕获流体中的原子或分子几率B，则[16]

式中v0为熔体中原子的振动频率；Δq为原子越过固-液界面的自由能；n为临界晶核数；ΔG为集合体形成能；k为玻尔兹曼常数；T为熔体温度；Tm为熔点；∨T为过冷度。

超声波的导入使得熔体中出现了不平衡变化，能量出现波动，增加了成分起伏和复相起伏，超声波被熔体吸收，转化为热能，提高了熔体的局部温度，这就使得：①局部原子的振动频率v0增加，促使这些区域的Z增加；②局部温度增加，原子越过固液界面的激活能减少，Z增加；③局部温度增加，而合金熔体Tm的熔点不变，从而∨T增大，Z增大；④局部压力增加，提高了临界晶核的熔化温度，Z增加。成核率与单位体积内的晶核数成比例，因此在一定范围增加振动，形核数越多，形成的亚晶直径越小。

2.3 焊接接头力学性能分析

将试样打磨（避免将细晶层打磨掉）、抛光，清洗掉表面油污，用氮气吹干表面，进行显微硬度测试，测试结果如图7所示。硬度变化的趋势是：从焊缝到母材其值先增大后减小，在热影响区最大，焊缝区硬度最小，热影响区和母材硬度相差不大；而在焊缝区，超声辅助GTAW焊硬度较无超声普通GTAW焊，显微硬度提高约5％。其原因是加入超声后，焊缝中有枝晶破碎，同时有大量形核成的亚晶，对焊缝晶粒有细化的效果，使显微硬度升高。

图7 不同参数下的显微硬度对比曲线Fig.7Microhardness of the contrast curve under different parameters

不同参数下的应力-应变曲线如图8所示，其屈服强度、拉伸强度和拉伸率如图9所示。屈服强度2000W＞1000W＞无超声，即67MPa＞61MPa＞43MPa，屈服强度超声GTAW焊2000W比普通无超声GTAW焊提高了约58％，1 000 W提高了44％。抗拉强度

2 000 W＞1 000 W＞无超声，即174 MPa＞158 MPa＞116 MPa，抗拉强度超声GTAW焊2 000 W比普通无超声GTAW焊提高了约48％，1 000 W提高了36％。塑性明显增强，延伸率1 000 W＞2 000 W＞无超声，即10.3％＞10.1％＞7.9％。其原因是施加超声后，枝晶破碎，形成大量球化的亚晶，晶界数量明显增多，晶界对多晶体初始塑性抗力影响可以通过晶粒大小直接体现，晶体的强度随其晶粒细化而提高。同时超声声流和空化作用促进焊缝中液相和固相的填充速度，快速弥合固相开裂时产生的热裂源，使液体愈合能力大于凝固收缩的速度，避免热裂纹扩展，热裂纹减少，避免了脆性断裂。

图8 不同参数下的应力应变曲线Fig.8Stress strain curve under the different parameters

图9 不同参数下材料性能对比Fig.9Material performance comparison under the different parameters

多晶体的屈服强度σs与晶体平均直径d的关系用霍尔-佩奇（Hall-Petch）表示

式中σ0为晶体对变形的阻力，相当于极大单晶的屈服强度；K为境界对变形的影响系数，与晶界结构有关。

在图8的加超声试件中，截面的下屈服点与晶粒直径间的关系与霍尔-佩奇公式相符合，即晶粒越小屈服强度越高。

3 结论

（1）通过模态分析，谐响应分析得到铜板的共振频率和超声稳定输入后板上振幅分布，得到铜板振幅最大时超声头与熔池的最佳距离，在实际焊接中根据熔池位置确定超声施加的最佳位置。

（2）通过焊接接头微观组织分析可知，经过超声辅助T3紫铜熔焊后，晶粒尺寸得到明显细化，柱状晶明显减少，有明显球化现象，出现亚晶界。超声功率越大，振幅越大，亚晶尺寸越小。

（3）对超声辅助后的焊接件进行硬度测试和力学性能测试，焊缝的显微硬度有所提高，试件的屈服强度明显提高，提高44％～58％，抗拉强度提高36％～48％，延伸率提高20％。

（4）验证了超声辅助钨极氩弧焊避免显微热裂纹、细化晶粒焊接方案的可行性。

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Welding structure property of GTAW assisted by ultrasonic in T3 copper

ZHANG Shanbin，WANG Tinghe，ZHANG Lei，LI Yi′nan
（College of Menchanical Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China）

Aimingat the serious problemofhot crack in copper plate welded byGTAW，adopt newtechnologyofultrasonic assisted GTAW research copper plate welding process.Firstly，assist T3 copper plate vibrated mode during welding by dynamic analysis and determine the most suitable area of ultrasonic in.And find that the more ultrasonic power，the greater amplitude corresponding to the harmonic response of the T3 copper surface.Secondly，study on the impact in T3 copper weld microstructure and mechanical properties of GTAW assisted by ultrasonic.The result shows that bulky columnar grains significantly reduce with ultrasonic assisted.In the weld joint，grains are refining and isometric crystals increase，balling effect occurs,and sub-grain boundaries appear.Within a certain range，the more ultrasonic power，the more obvious the refining effect is，the smaller radius of the crystal size.Through the mechanics performance test，find that the hardness，ensile strength，yield strength and ductilityare greatlyimproved.

tungsten argon arc welding（GTAW）；assisted by ultrasonic；refining；dynamic analysis；mechanical property

TG444+.74

A

1001－2303（2016）07－0008-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.03

2015-10-12；

2016-05-23

国家自然科学基金青年项目（51205218）；中国博士后基金（2013M531562）；青岛市应用基础研究项目（14-2-4-84-jch）

张善彬（1990—），男，山东人，硕士，主要从事焊接工艺方面的研究工作。