高温钢焊接构造普遍使用于石油、化工等行业，进步焊接接头的高温韧性是不断是高温钢焊接研讨的热点[1]。应用外加超声场，促进焊接进程中液态金属的运动，控制焊缝结晶进程，是制造高功能焊接构造的重要途径，而目前缺乏导入超声的必要手腕和技术[2]。吴敏生教授提出了以焊接电弧负载作爲超声发射机构的电弧超声技术，经过电弧和工件的自耦合将超声加到焊接熔池，以细化焊缝结晶组织，进步资料的功能。本文将电弧超声技术使用于16MnDR、09MnNiDR的焊接进程中，实验后果标明，电弧超声无效的细化了焊缝区的晶粒，进步了焊接接头的冲击韧性。
1、电弧超声焊接实验零碎
弧焊回路中，电弧可以等效爲静态的阻性负载，在惯例焊接电弧两端施加高频电信号，使自在电弧或等离子电弧遭到高频调制，从而激起出电弧超声，使作爲加工热源的电弧，同时成爲一种可控的超声发射源 。对电弧超声信号特征的剖析标明，以电弧负载作爲超声发射机构，具有宽谱频率呼应特性，且频率等参数实时可控 [3]。
图1电弧超声焊接实验原理图
实验所用的电弧超声焊接实验零碎如图1所示。鼓励电源运用高频功率电子开关逆变技术，可
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以输入频率从音频到500千赫兹的延续鼓励信号。鼓励源经过并联耦合方式与惯例直流电源相衔接，将高频的电信号叠加到电弧回路中，使电弧等离子体遭到高频调制而发生超声振动。应用高灵敏度宽带声发射探头可以接纳经母材传达的声发射信号，同时采用传声器接纳从空气中传达的声发射信号。
图2(a)所示爲TIG电弧未受鼓励的声发射信号，它的高频成分少，且超声频段没有发现规律的声发射信号。图2(b)是距电弧60mm处的传声器接纳到的调制电弧所激起的超声信号。下方的是鼓励脉冲波形，上方是传声器在空气中承受到的信号，可见对电弧的调制可以成功激起出超声波。超声信号滞后于调制脉冲是由于传声器和电弧之间存在一定间隔。
2、实验后果及讨论
电弧超声的发生与焊接资料和焊接办法有关，仅遭到外加鼓励源特性和电弧等离子体高频特性的影响。后期针对碳钢的电弧超声焊接实验标明，电弧超声关于细化焊缝组织，改善焊接接头的机器功能具有比拟分明的作用。[4]
选择高温压力容器中有着普遍使用的16MnDR爲实验对象，停止电弧超声焊接实验，研讨电弧超声对高温钢焊接接头组织功能的影响。焊接实验参数爲：焊丝爲H08MnAf4，HJ431焊剂，单面单道焊，板厚12mm，焊接工艺参数30V×600A，鼓励电流约20A。
图3爲16MnDR焊接接头焊缝区的金相组织。在电弧超声的作用下，焊缝柱状晶的形状发作了一定的变化。惯例焊接时，柱状晶晶粒粗大且不平均；在电弧超声作用下，柱晶晶粒分明细化，并且在沿超声振动方向上晶粒变长。未加超声时，粗大的片状先共析铁素体沿着奥氏体的晶界析出，晶内爲块状散布的铁素体和珠光体。在电弧超声作用下，先共析铁素体的层片变薄，且呈现了较多的针状铁素体。进一步的察看标明，电弧超声作用下，焊接接头的焊缝区和热影响区的组织均失掉了不同水平的细化。由焊缝晶粒的细化和较多针状铁素体的呈现可以预见，焊接进程中引入电弧超声可以进步高温钢的冲击韧性。
依据国度规范GB/T229-1994，采用规范夏氏V型缺口停止冲击实验，试样规格爲55mm×10mm×10mm。 表1爲不同调制频率下的16MnDR焊接接头的冲击韧性。在一定鼓励参数的电弧超声作用下，16MnDR的焊缝区和热影响区在-40℃下的冲击韧性均有50%幅度的进步,但数据存在较大的团圆性。爲了进一步证明电弧超声对高温钢焊缝冲击韧性的影响，选择09MnNiDR钢停止电弧超声焊接实验并在-70℃停止了冲击实验，后果如表2所示。实验参数爲：试板尺寸100mm×300mm×12mm，焊丝爲H08MnAf4，HJ431焊剂，单面V型坡口双面焊，正面33V×500A，反面35V×550A，鼓励电流约15A。
(a) 自在电弧声发射 (b) 脉冲调制电弧声发射
图2 自在电弧与调制电弧声发射波形
(a) 未加电弧超声 (b) 参加电弧超声
图3 16MnDR焊缝区的金相组织
表1 不同调制频率下的16MnDR焊接接头的冲击韧性
鼓励频率(kHz) 无超声鼓励 30 50 80
焊缝区冲击韧性(J/cm2) 9 12 12(11)0 16 12 9(12.3)11.8% 16 18 14(16)45.5% 8 8 5(7)-36.4%
热影响区冲击韧性(J/cm2) 18 28 ( )*(23)0 30 36 ( )*(33)43.5% 43 29 32(34.7)50.9% 15 11 42(22.7)-1.3%
* 试样有裂纹缺陷，未冲击
鼓励频率(kHz) 无超声鼓励 30 50 80 100
焊缝区冲击韧性(J/cm2) 26 25 24(25)0 26 37 25(29.3)17.3% 33 37 40(36.7)46.7% 35 30 33(32.7)30.7% 36 32 34(34)36%
热影响区冲击韧性(J/cm2) 22 25 33(26.7)0 31 32 16(26)-2.6% 48 66 32(48.7)82.3% 19 61 237*(33)23.6% 68 21 30(39.7)48.6%
表2 不同调制频率下的09MnNiDR焊接接头的冲击韧性
图4爲09MnNiDR焊接接头冲击断口的扫描电镜照片，原先未参加超声的断口呈河流状的解理纹，爲典型的脆性断裂，参加电弧超声后断口呈现一定数量的韧窝，具有分明的韧性断裂的特征。阐明试样在断裂前发生了较大的塑性变形，因此接头的冲击韧性得以较大幅度的进步(参见表2)。
在实践焊接进程中，电弧超声的作用次要表现在对固液界面和活动的熔体的扰动，即传质作用[5]。超声在焊接熔池中的无限振幅衰减使熔体内构成一定的声压梯度，从而构成一个流体的喷流。此喷流在整个流体中惹起一个全体环流，影响溶质在熔池中的散布。同时，处于低温形态下的金属熔体，由于固液界面上的晶粒强度十分低，当扰举措用在其四周液体上，可以毁坏正在生长的晶体，并使熔池中的质量和热量重新散布。不同鼓励参数（鼓励电流、鼓励频率等）的电弧超声影响高温钢焊接接头组织功能的详细规律尚待进一步的研讨。
