1成果簡(jiǎn)介
電弧超聲的創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了將“電弧不僅僅作為產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)，同時(shí)作為超聲發(fā)射機(jī)構(gòu)”的構(gòu)想。它的基本原理是利用電弧的變阻性負(fù)載特性激勵(lì)出電弧超聲。這種方法克服了常規(guī)超聲產(chǎn)生方法耦合困難和參數(shù)不易調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，使功率超聲在工程實(shí)踐中的應(yīng)用向自耦合、頻率和能量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的方向發(fā)展，利用超聲聲流和空化等多種效應(yīng)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生改善作用。
目前，已經(jīng)研制成功寬帶大功率的電弧超聲激勵(lì)裝置（包括連續(xù)波和脈沖波兩種激勵(lì)方式），研究了電弧超聲的激發(fā)和控制特性，并把此項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于焊接、噴涂、表面改性等材料加工領(lǐng)域，申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明“一種用電弧激發(fā)超聲波的方法”，即將獲得*。
2應(yīng)用說(shuō)明
●電弧超聲技術(shù)在焊接中的應(yīng)用
在焊接中，焊縫區(qū)晶粒粗大、熱影響區(qū)組織長(zhǎng)大、焊縫殘余應(yīng)力較大且有應(yīng)力集中現(xiàn)象、焊縫的沖擊韌性下降等是焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象，而且不僅僅局限于某一種或幾種材料和焊接方法。電弧超聲的產(chǎn)生與焊接材料和焊接方法無(wú)關(guān)，僅受到外加激勵(lì)源特性和電弧等離子體高頻特性的影響。通過(guò)對(duì)多種材料（a3、45、16mndr、09mnnidr、1cr18niti、tc4等）和多種焊接方法（手工電弧焊、co2氣體保護(hù)焊、埋弧自動(dòng)焊、tig、mig等）的電弧超聲焊接實(shí)驗(yàn)，證明了電弧超聲作為一種通用的方法，不受焊接材料和焊接方法的限制，對(duì)于改善焊縫接頭組織的綜合性能有明顯的作用，為提高焊接接頭組織的性能提供了一種全新而且有效的方法。
（1）碳鋼焊接
對(duì)多種鋼材的實(shí)驗(yàn)表明，電弧超聲的引入，對(duì)于細(xì)化焊接接頭組織的晶粒、改善熱影響區(qū)組織、改善焊縫區(qū)應(yīng)力分布等都有明顯的作用，大大提高了焊接接頭組織的綜合性能；同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了許多在常規(guī)焊接條件下難以實(shí)現(xiàn)的新現(xiàn)象。
對(duì)a3鋼交流埋弧自動(dòng)焊，在電弧超聲作用下，焊接接頭組織的熱影響區(qū)發(fā)生明顯的變化。激勵(lì)超聲的頻率升高，“熱影響區(qū)”的寬度增加，并且呈指狀分布。微觀金相分析表明，在電弧超聲作用下，“熱影響區(qū)”的組織不再是晶粒過(guò)度長(zhǎng)大的薄弱環(huán)節(jié)，而是細(xì)小的等軸晶，表現(xiàn)出正火組織的優(yōu)良特性。
對(duì)45鋼手工電弧焊，加入50khz的電弧超聲后，焊縫區(qū)組織明顯細(xì)化。電弧超聲對(duì)焊縫中柱狀晶的生長(zhǎng)具有抑制作用，并使焊接接頭組織發(fā)生顯著變化。常規(guī)焊接時(shí)焊縫組織為較多的先共析鐵素體和側(cè)板條狀鐵素體；當(dāng)激勵(lì)源的中心頻率約50khz時(shí)，粗大的聯(lián)生結(jié)晶組織得到明顯的細(xì)化，焊縫金屬形成較多的針狀鐵素體。
（2）低溫鋼焊接
對(duì)低溫鋼09mnnidr埋弧自動(dòng)焊，通過(guò)焊接試樣的熔合區(qū)與熱影響區(qū)的形態(tài)分析，觀察到焊縫中柱狀晶生長(zhǎng)受到抑制，組織細(xì)化而且分布均勻。對(duì)試樣進(jìn)行低溫沖擊韌性試驗(yàn)，證實(shí)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的沖擊韌性有不同程度的提高，尤其在50khz激勵(lì)頻率下，09mnnidr焊縫區(qū)沖擊韌性提高近50%，熱影響區(qū)則提高80%以上。
（3）不銹鋼焊接
對(duì)奧氏體不銹鋼1cr18ni9ti，采用手工電弧焊、堆焊的工藝進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明電弧超聲的引入對(duì)不銹鋼的焊縫區(qū)組織形態(tài)有較大影響，原來(lái)的條狀組織變成網(wǎng)狀組織，晶粒度減小，而且隨著頻率的提高，組織彌撒得越均勻?？梢婋娀〕暫附訉?duì)不銹鋼焊縫區(qū)組織晶粒的細(xì)化具有明顯的作用。
（4）鈦合金焊接
對(duì)航天工業(yè)中應(yīng)用的α＋β雙相鈦合金ti-6al-4v（tc4）的交直流/脈沖tig焊進(jìn)行了系列試驗(yàn)。加入電弧超聲后，焊縫區(qū)柱狀晶得到了一定程度的細(xì)化。在50khz的激勵(lì)頻率下，焊縫區(qū)晶粒的形態(tài)出現(xiàn)了明顯的變化，焊縫區(qū)幾乎*是由晶粒細(xì)小的等軸晶組成的，各區(qū)域之間的界限很不明顯。這將大大提高鈦合金焊接接頭的性能。
（5）改善焊縫應(yīng)力分布
用a3鋼斜y坡口的焊接規(guī)范，通過(guò)電弧直接把超聲能量引入焊接過(guò)程，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并且用小孔法和磁記憶法兩種方法測(cè)量了焊縫及周圍區(qū)域的應(yīng)力分布。未加電弧超聲時(shí)，焊縫周圍區(qū)域的應(yīng)力分布極不均勻，應(yīng)力的zui大值也比較高。加入電弧超聲后，應(yīng)力分布明顯改善，在激勵(lì)頻率為50khz時(shí)，應(yīng)力的平均值減少了約40%，且應(yīng)力值的波動(dòng)區(qū)域也比較小，同時(shí)電弧超聲的引入可以在焊縫上附加壓應(yīng)力，從而提高焊縫接頭的性能。
●電弧超聲技術(shù)在電弧噴涂中的應(yīng)用
在電弧超聲的作用下，采用純鋅進(jìn)行噴涂，并對(duì)試樣進(jìn)行金相試驗(yàn)、顯微維氏硬度測(cè)定、耐腐蝕測(cè)試，證明了電弧超聲的作用使得涂層的顆粒度和孔隙率降低、氧化物減少、顯微維氏硬度降低、在堿性環(huán)境和鹽水環(huán)境中的耐腐蝕性能得到顯著提高，尤其50khz電弧超聲提高耐腐蝕性能的效果*。
通過(guò)對(duì)在不同超聲頻率和超聲激勵(lì)電壓下噴涂的鉻涂層進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，涂層的粘結(jié)強(qiáng)度有著比較明顯的提高，試樣涂層粘結(jié)強(qiáng)度普遍提高12%以上，證明超聲的引入對(duì)提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度有顯著作用。隨著超聲頻率和超聲激勵(lì)電壓的升高，粘結(jié)強(qiáng)度也隨之升高，充分體現(xiàn)了頻率和能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
3效益分析
作為一種通用的外場(chǎng)方法，電弧超聲具有頻率、功率等參數(shù)實(shí)時(shí)可控，通過(guò)電弧自耦合到工件、耦合效率高等特點(diǎn)。
將電弧超聲引入焊接過(guò)程，可以細(xì)化焊接接頭組織的晶粒，改善接頭組織的應(yīng)力分布，提高接頭的強(qiáng)度、韌性等，為*焊接接頭組織性能提供了一種全新而有效的焊接方法。
將電弧超聲引入電弧噴涂過(guò)程，可以降低涂層的顆粒度和孔隙率，減少氧化物，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和耐腐蝕性能，為提高涂層性能提供了一種全新而有效的電弧噴涂方法。