吴来军1,2， 刘一搏1,2， 程文倩2， 孙清洁1,2， 王建峰1,2
(1. 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001; 2. 哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室，威海 264209)
摘 要：水下湿法焊接过程电弧不稳定，常存在熄弧、焊缝成形不均匀等问题. 针对这一问题，提出了超声辅助水下湿法焊接方法，其原理是将功率超声振动与常规水下湿法焊接相结合，通过超声振动作用改善焊接电弧稳定性、焊缝成形，进而提高水下焊接接头质量. 超声辅助水下湿法焊接堆焊对比试验结果表明，超声辅助水下湿法焊接显著改善了焊缝成形，能够获得尺寸均一连续的焊缝；焊接过程稳定性提高，熄弧率明显减小，熔深增大，余高减小，焊缝中心区域的显微硬度减小.
关键词：水下湿法焊接；超声复合；电弧稳定性；焊接工艺
海底蕴藏着丰富的石油等矿产资源，随着中国原油需求量的增加，大力发展海底石油开展技术对中国经济发展、能源可持续发展具有重要意义[1]. 海洋资源的开发依赖海洋工程的先进制造技术，水下焊接是制造海洋工程结构必不可少的手段[2]. 水下湿法焊接技术由于设备简单，成本低廉等众多优点，在海洋平台搭建、海底管道修复等工程中得到了应用[3]. 水下湿法焊接时，水对电弧的冷却作用加重了电弧收缩，熄弧率增加，焊接过程不稳定[4]. 这些不同于陆上的焊接的诸多变化使水下焊接过程变得更为复杂.
超声作为一种机械振动，是一种能量传递的载体. 近两年功率超声在焊接中的应用越来越广泛[5]. 将功率超声应用于焊接过程时，通过超声波对液态介质的空化效应来细化晶粒，改善组织结构，提高焊接效率，改善焊接质量等等[6-9]. 因此，功率超声在提高产品质量，降低生产成本，提高生产效率方面有很大的潜在能力[10].
文中将超声应用于水下湿法焊接当中，并着重研究了超声对水下焊缝电弧稳定性、焊缝的成形特征、微观组织构成和力学性能的影响. 这对于改善水下焊接焊缝成形质量，提高焊接过程稳定性具有重要意义.
图1所示为超声辅助水下湿法焊接原理图. 超声波电源的功能率为1 000 W,振动频率为20 000 Hz，通过超声换能器可以将超声电源输出的电信号转化为超声频机械振动，超声变幅杆可以将机械振幅放大并从辐射端端部输出. 焊接工件作为声反射端，声波通过入射波和反射波的叠加，在超声变幅杆与焊接工件之间形成一个辐射声场，焊丝通过超声振动系统的轴线方向送入，进行引弧焊接. 超声辐射力可以通过变幅杆的辐射端传递到电弧周围的水环境来影响整个焊接过程，从而起到改善焊缝成形，提高焊接质量的作用.
图1 超声辅助水下湿法焊接原理图
Fig.1 Schematic of ultrasound-assisted underwater wet welding equipment
采用6 mm的Q235板材进行了平板堆焊工艺试验，焊丝采用直径为1.2 mm的药芯焊丝. 焊接过程采用直流反接，焊前不预热，具体的焊接工艺参数如表1所示. 焊前采用角磨机清理表面铁锈，露出金属光泽；焊接过程采用相机记录；焊后采用钢丝刷清理焊缝表面焊渣后，取样、打磨、腐蚀，观察焊缝宏观和微观组织.
表1 超声辅助水下湿法焊接工艺参数
Table 1 Welding process parameters of ultrasound-assisted underwater wet welding
序号焊接方法焊接电压U/V焊接速度vr/(mm·min-1)送丝速度vs/(m·min-1)(a)普通水下湿法焊接241505(b)超声辅助水下湿法焊接241505
文中比较了普通水下湿法焊接和超声辅助水下湿法焊接方法的焊接过程稳定性、焊缝表面成形和横截面形貌，并研究了超声对焊缝微观组织和力学性能的影响.
3.1 焊接过程稳定性
采集到的电弧图像如图2a所示，电弧周围由于气囊原因存在一定的低亮度区域，为了提取清晰的形态轮廓，利用MATLAB软件对图像进行了阙值处理，阈值为0.99个百分点，处理后的图片如图2b所示.
图3为焊接过程拍摄到的电弧形态照片. 从图中可以看到，普通水下湿法焊接电弧稳定性差，容易出现熄弧现象，超声辅助水下湿法焊接的电弧稳定性较好. 普通水下湿法焊接熄弧率为20%，大大超过超声复合水下焊接. 水下焊接的电弧稳定性主要取决于电弧气囊的稳定，气囊的爆破引起电弧熄灭，在水下湿法焊接过程中施加超声可提高电弧气囊的稳定性，从而减小熄弧率，稳定焊接过程，对焊接有积极的作用.
3.2 焊接宏观成形
图4为不同焊接方法的焊缝宏观成形，普通水下湿法焊接由于电弧熄灭、电弧不稳造成焊缝扭曲，熔宽余高不稳定，出现严重的驼峰焊道. 超声辅助水下湿法焊接方法显著改善了焊缝成形，其电弧爆断凹坑、宏观气孔等缺陷明显减少，焊缝表面波纹变细，焊缝金属铺展性变好，焊道扭曲变形现象消失，能够获得一条笔直且尺寸均一的焊缝.
图2 超声辅助水下湿法焊接电弧形态处理
Fig.2 Arc shape of ultrasound-assisted underwater wet welding
图3 有无超声作用下焊接过程电弧形态对比
Fig.3 Compared arc shape with and without ultrasound
采用Photoshop软件对金相试样的熔宽、余高和熔深进行测量和计算. 表2为不同焊接方法的熔宽、余高和熔深的测量结果，图5为普通水下湿法焊接和超声辅助水下湿法焊接方法焊缝的熔宽、余高和熔深的柱状图，测量示意图如图6所示. 对比普通水下湿法焊接，超声辅助水下湿法焊接方法能显著增大熔深，减小余高. 熔深增大35%，余高减小17%，超声对熔宽的影响不大.
图4 不同焊接方法的焊缝宏观成形
Fig.4 Weld appearance of different welding methods
表2 不同焊接方法焊缝横截面测量结果
Table 2 Data of weld crosssection in different weld method
方法熔深d/mm余高h/mm熔宽w/mm深宽比δ(%)普通水下湿法焊接1．6265．9749．75417超声辅助水下湿法焊接2．2004．9759．58523
图5 不同焊接方法的焊缝熔宽、余高和熔深
Fig.5 Weld width reinforcement and penetration of different welding methods
图6 焊缝熔宽、余高和熔深测量示意图
Fig.6 Measuring schematic of weld width, weld reinforcement and weld penetration
3.3 焊接微观成形
图7为超声辅助水下湿法焊接方法和普通水下湿法焊接的焊缝微观组织. 超声辅助水下湿法焊接方法不仅改变了熔池的外形尺寸，还给焊缝内部晶粒特征带来了变化：普通的水下湿法焊接焊缝主要由先共析铁素体、无碳贝氏体、马氏体和少量针状铁素体组成，超声辅助水下湿法焊接焊缝组织中，马氏体组织减少，无碳贝氏体和针状铁素体成为焊缝组织的主要组成部分. 这是由于水下焊接电弧气囊周围环境为水环境，散热快，熔池金属凝固速度大容易形成马氏体等淬硬组织；施加超声熔池金属冷却速度减慢，在500～700 ℃温度区间停留时间长，有利于无碳贝氏体和针状铁素体的形成.
图7 不同焊接方法的焊缝微观组织
Fig.7 Weld microstructure of different welding methods
3.4 焊缝硬度
维氏硬度试验以工件表面为基准线，垂直于熔合线方向从焊缝中心向母材每隔0.25 mm依次打点.图8为普通水下湿法焊接和超声辅助水下湿法焊接焊缝接头的显微硬度. 焊接接头的硬度分布不均，主要分为四个区：焊缝区、熔合区、热影响区、母材区，其中最大值出现在熔合区，这跟此区晶粒大小不均匀，容易形成淬硬组织有关. 与普通水下湿法焊接方法相比，超声辅助水下湿法焊接焊缝组织无碳贝氏体和针状铁素体含量多，显微硬度降低；超声辅助水下湿法焊接焊缝熔深大，显微硬度最大值点因此也更靠后，这与前文焊缝成形和焊缝微观组织的研究结果是一致的.
图8 不同焊接方法的焊缝接头显微硬度
Fig.8 Microhardness of weld joint in different weld methods
(1) 超声辅助水下湿法焊接与常规水下湿法焊接相比，提高焊接过程电弧燃烧稳定性，熄弧率由20%下降到几乎不熄弧，对水下湿法焊接获得良好焊缝起到重要作用.
(2) 研究了超声对水下焊接焊缝成形和力学性能的影响规律. 超声辅助水下湿法焊接显著改善了焊缝成形，能够获得尺寸均一连续的. 施加超声可使熔深增大，余高减小，熔深增大35%，余高减小17%；焊缝中心的淬硬组织减少，焊缝中心区域显微硬度减小.
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收稿日期：2014-11-06
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51475104，51435004)；国家'973'重点基础研究发展规划资助项目(2013CB035500)
中图分类号：TG 456.5
文献标识码：： A
文章编号：： 0253-360X(2016)12-0033-04
作者简介：吴来军，男，硕士，助理工程师. Email: wulaijun0721@163.com
通讯作者：刘一搏，男，博士，助理研究员. Email: liuyb0701@hit.edu.cn
*参加此项研究工作的还有冯吉才
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