电弧超声改善堆焊和热喷涂质量的试验研究
何龙标 文雄伟 郝红伟 李路明 吴敏生
中国机械工程
摘要:将电弧超声引入堆焊和热喷涂工艺,进行常规堆焊、等离子喷涂和引入电弧超声技术的对比试验,比较其堆焊层的金相组织、硬度、抗弯性能、冲击韧度和热障涂层的孔隙率、抗热震性能,结果表明:电弧超声的加入能够细化堆焊接头的熔合区组织,降低脆硬倾向,改善堆焊接头的抗弯性能和冲击韧性;由于超声波的空化效应、热效应和机械效应,电弧超声改善了喷涂过程的雾化效果,减小了熔滴的颗粒度和涂层中弥散气孔的尺寸,提高了热障涂层的抗热震性能。试验结果显示了电弧超声技术在堆焊和热喷涂领域的广阔应用前景。
0 引言
堆焊和热喷涂作为维修工程中广泛应用的工艺技术,其堆焊层与喷涂涂层的质量控制尤为关键。除了常规工艺参数,包括焊接/喷涂电压、电流、气流速度等的控制,利用外场技术控制焊接的凝固过程和热喷涂的雾化过程,是控制堆焊层和涂层质量的有效途径之一。已有研究表明,施加交变磁场和功率超声均能改善熔融金属的凝固过程[1,2]。交变磁场的施加需要在焊炬同轴方向或工件下方安置激励磁场线圈,且磁场强度与交变频率需要适当的匹配,附属设备相对复杂。而焊接、喷涂过程的恶劣条件使得常规的以压电方式和磁滞伸缩方式产生的超声无法直接耦合进入熔池和熔滴的雾化过程。这些原因都使得交变磁场焊接和功率超声焊接(此处的功率超声焊接有别于压力焊中的超声焊接)只停留在实验室研究阶段,并无实际应用的报道。吴敏生等[3]于1999年验证了作为加工热源的电弧能同时成为可控的超声发射源的构想。对焊接电弧或热喷涂电弧施加高频调制,激发出的电弧超声具有频带宽、效率高、自耦合、频率和能量可实时调节等特点,前期试验研究表明,电弧超声焊接能够有效地细化焊缝的结晶组织[4]。本文将电弧超声技术引入在维修工程具有广泛应用的堆焊和热喷涂工艺,通过与常规工艺条件下的试验结果进行对比,研究电弧超声对堆焊层和热喷涂涂层质量的影响。
1 试验设计与结果
电弧超声是指充分利用电弧的变阻性负载特征,在具备良好动特性电源的驱动下,使自由电弧或等离子电弧受到外加高频能量的调制,激发出超声,从而使作为加工热源的电弧同时成为一种可控的超声发射源。试验所用电弧超声堆焊试验系统如图1所示。超声激励源采用直接数字合成技术产生高频信号,控制半桥式功率放大电路中场效应管的开通与关断,该高频信号经由高频变压器输出,通过传输线路直接并联在电弧两端,在不影响电弧自身焊接工艺参数的情况下将高频电信号叠加在电弧通路上,使电弧受到调制而产生与激励信号同频率的超声振动,并将超声能量有效导入熔池。超声激励源的主要参数为激励频率和激励电流,频率在20~500kHz范围内连续可调,激励电流在0~50A范围内连续可调。考虑到高频信号在传输线路上的损耗,试验中采用30~60kHz的激励频率,激励电流有效值约为10A。有关电弧超声激发特性的研究可参考文献[5,6]。
1.1 电弧超声堆焊试验
在Q235A试板上采用焊条电弧焊工艺堆焊E5015,观察电弧超声作用前后堆焊层组织的变化。试验发现,熔合区的魏氏体组织和熔合线附近的柱晶组织出现明显的细化。熔合区的魏氏组织是焊接结构中的薄弱环节,存在较高的内应力,缺陷容易在该区域长大,熔合线附近组织的细化有利于强度的提高。图2为电弧超声作用后熔合线附近组织的金相对照图片,可以看出过热区宽度变窄、晶粒变细,这说明超声的引入使得接头对于热输入的敏感性降低,在堆焊轧棍等大型构件时可适当增加热输入提高生产效率。
对石油化工压力容器中广泛应用的09MnNiDR堆焊不锈钢,过渡层的焊条采用4mm的E309-16,面层的焊条采用4mm的E308-16,焊接电流为150A。对堆焊接头进行侧弯试验观察,结果如图3所示,发现常规工艺下的堆焊接头经侧弯后出现长达4mm的裂纹,而引入电弧超声的堆焊层并无开裂现象。侧弯试验的结果说明,电弧超声的引入降低了堆焊层柱晶之间的组织应力和内应力。
为对照实际容器纵缝的修复过程,进行了09MnNiDR常规埋弧堆焊和引入电弧超声的埋弧堆焊的试验。采用14mm厚的板材,焊接电流为550A,电压为32V,焊丝为4mm的H09MnNiDR,焊剂为SJ208DR,小车速度为50~54cm/min。由于焊接速度较快,过热区组织长大不明显,未观察到类似图2所示那样明显的熔合区细化的现象。按照焊接热影响区最高硬度的测试方法对熔合线附近的显微硬度进行测试,发现在电弧超声作用下其硬度值有一定幅度降低,对于09MnNiDR这种低温服役的钢种,堆焊层的硬度降低表示其组织应力和内应力的降低,有利于其低温冲击性能的提高。图4显示在30kHz和60kHz的电弧超声作用下,其熔合线附近的最高硬度均有一定幅度下降,说明接头应力集中程度下降,冷裂倾向减小。硬度测试的条件是:载荷为1·96N,加载速度为50mm/s,测试点间距为0·5mm,图中的横坐标0点对应熔合线的最低点。值得指出的是,此处测量的是熔敷金属与母材结合部的硬度,而一般堆焊的熔敷金属希望获得较高的硬度,引入的电弧超声并未降低堆焊层的硬度。因为电弧超声作用于熔敷金属的凝固过程,其改善传热的作用使得堆焊层中柱状晶内的针状铁素体比例有所增加,针状铁素体的硬度要明显高于先共析铁素体和侧板条铁素体。
堆焊过程引入电弧超声能够细化熔合区组织的晶粒,减小熔合区的组织应力和内应力,减小其开裂倾向,熔合线附近的硬度峰值的降低有利于保证堆焊修复部分的冲击韧性。表1为未经热处理的堆焊接头的拉伸性能和-70℃的堆焊层金属的冲击吸收功(括号中数据分别为前面三个冲击吸收功的平均值),拉伸试样均断裂于热影响区的回火脆化区,这取决于堆焊过程的热输入,电弧超声对该区域的抗拉强度没有明显影响。而堆焊层金属的冲击吸收功,从常规焊条件下的17J提高到60kHz电弧超声作用下的33J,冲击吸收功较大幅度的提高取决于电弧超声对堆焊层组织的改善作用。
1.2 电弧超声热喷涂试验
由于电弧超声的产生不受具体电弧形态的限制,焊接过程产生的电弧超声可以拓展到热喷涂领域。在喷涂过程中,电弧或等离子弧周围形成的超声场能够有效作用于熔滴的雾化过程。选择在航空发动机涡轮叶片中具有广泛应用的热障涂层进行试验研究。涂层选用粒度为200~320目的ZrO2陶瓷粉末,结合层选用140~320目的NiCoCrAlY2O3的合金粉末。喷涂试验在METCO-7M型等离子喷涂设备上完成,工作气体为Ar和H2的混合气体。气流量为0·8 L/s,电压为70V,电流为550A,喷涂距离为80mm,喷涂角度为75°。金相试验的基体选用1Cr18Ni9Ti,热震试验基材选用GH3128,试样均为长方形薄片,尺寸为40mm×20mm×1·5mm。涂层的金相观察表明,ZrO2陶瓷涂层的气孔的均匀性得到改善,气孔的大小、数量和分布发生了改变,图5所示涂层中的弥散的黑色区域为涂层中的气孔。
涂层中进一步弥散分布的气孔有利于涂层性能的提高。抗热震性能是热障涂层质量的一项重要指标。对于应用在航空发动机涡轮叶片等热端部件的热障涂层,热震试验较好地吻合了涂层的实际工作环境。同组参数选用三个试样,将试样加热温至1000℃,冷却方式采用水冷,在每次冷却后,用放大镜观察涂层表面的裂纹及脱落情况。常规喷涂条件下的涂层平均经历15次热震试验,涂层开始脱落,经超声处理后经过26次热震试验涂层才开始脱落,说明电弧超声作用下的涂层热震性能得到显著提高。
2 分析讨论
功率超声在媒质中传播时会产生一系列效应,如力学效应、热效应、化学效应和生物效应等。力学效应如搅拌、分散、除气、喷雾、凝聚和冲击破碎等作用。超声产生这些效应的基本作用[7]是线性的交变振动作用,即超声波在介质中传播时,必然使介质粒子作交变振动,并引起介质中的应力或声压的周期性变化,从而引起一系列次级效应;超声波在液体介质中传播时还可以导致一系列非线性效应,如空化和声流,这对结晶过程有很大影响。
由于电弧存在鉔箍效应,高频激励电流作用于电弧体,会使电弧体产生高频脉动,作用于周围的介质,而沿电弧轴向方向存在较强的等离子流力,等离子流力在高频电流激励下同样产生高频作用力,进而在电弧周围形成指向性较强的超声场。对于喷涂过程,主要是电弧体受激产生的超声波作用于线材或粉末的熔滴雾化过程,改善其雾化效果,提高涂层结合强度。焊接过程中电弧超声的产生与传播较喷涂过程要复杂一些。因为焊接过程电弧直接作用于熔池,一方面,电弧体的高频收缩膨胀作用于周围介质会产生超声,另一方面,电弧的极性斑点力、轴向等离子流力均处于高频时变状态,且直接作用于熔池,电弧超声对焊缝结晶过程的影响源于熔体对于超声波的吸收进而产生一些如空化、声流等现象。经过熔合线附近固液界面的反射和折射后,部分超声波传导进入母材,因而在母材中同样能接收到与激励信号同频率的超声波信号,所以电弧超声对焊接过程的热影响区同样能够产生显著影响[8]。
3 结论
对焊接电弧和热喷涂电弧或等离子弧进行高频调制能产生柔性超声波,由于超声波的机械效应、声流效应等,细化了堆焊层熔合线附近的组织,改善柱晶间的应力,提高其低温冲击性能。同时,电弧超声在热喷涂过程中对粉末的熔化和喷射过程产生传质和传热的作用,改善了熔滴的雾化过程,使涂层气孔的大小、数量和分布发生了明显的变化,从而使涂层的抗热震性能得到显著提高。作为一种共性的堆焊和热喷涂技术,电弧超声堆焊和热喷涂技术在表面工程领域有着广泛的应用前景。
参考文献略
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