Page 95 - 结构装备施工技术分析与研究

» 第三章 焊接热处理技术

三、超声辅助激光 -MIG 复合焊接系统

（一）概述
基于功率超声独特的物理效应，研究人员将超声振动引入到焊接过程中，进而形

成了超声波辅助焊接技术。近年来主要出现了以下超声辅助焊接技术：超声辅助电弧
焊、超声辅助钎焊以及超声辅助搅拌摩擦焊。由于本课题研究的是超声辅助激光电弧
复合焊接技术，因而重点关注超声辅助电弧焊接技术的研究现状。将超声能引入焊接
熔池可提高焊接效率，减少焊接气孔等缺陷，细化接头组织进而提高接头性能。目前

主要通过母材或焊丝的接触式方式和通过电弧的非接触式方式将超声引入焊接过程。
2002 年中国台湾逢甲大学的学者 DAI 在 7075-T6 铝合金的 TIG 焊接过程中，将
频率为 20kHz，功率为 2kW 的超声振动直接作用于待焊材料上表面。结果发现超声

能显著改善热影响区和焊缝区的微观组织，超声振动可使接头组织细化。与未施加超
声振动时相比，整体晶粒尺寸约减少了 42%，同时，焊缝熔深提高了近 45%。当超声
振动施加的角度改变时，超声对焊接过程的整体作用效果亦呈有规律的变化。
2006 年田纳西大学的 Y.Cui 等人在手工电焊条焊接过程中也采用类似的引入方式

直接将频率为 20kHz，功率为 1.5kW 的超声振动施加在被焊工件的下表面。针对奥氏
体不锈钢 AL-6XN 的焊接过程，对比研究超声振动的作用，结果表明超声振动使得焊
缝中未混合区的宽度明显减小甚至消失，进而焊缝的耐腐蚀性得到提高。

2016 年西南交通大学的朱宗涛等人在采用激光 -MIG 复合热源焊接 A7N01 铝合
金过程中，通过在试板上表面中间距离一侧 50mm 处成功地将频率为 19.1kHz，振幅
为 50μm 的超声振动引入熔池。研究发现堆焊熔覆层气孔数量明显降低，熔合线附近

柱状晶组织宽度减小，并且接头力学性能亦有一定程度的提高。
2009 年日本新潟大学的 WATANABE 等人采用 MAG 焊接方法焊接铁素体不锈钢，
通过焊丝传导方式成功地将频率为 19kHz，功率为 0.6kW 超声引入焊接熔池中。研究

发现，在较小的焊接速度下，晶粒细化明显。随着焊速的提升，晶粒尺寸虽无明显变化，
但是焊缝中心形成了许多等轴晶，接头的抗拉强度和屈服强度明显提高。
上述研究结果表明通过接触方式引入超声振动可以有效细化焊缝晶粒，减少气孔
等缺陷，能获得较优质的焊接接头。但这种方式往往会受到焊接工装的限制，同步性

较差，且超声的有效作用区域难以控制，在一定程度上制约了其进一步应用。而通过
一种非接触式的电弧引入方式可避免这一缺陷。
1999 年清华大学吴敏生等提出了电弧超声方法，通过高频脉冲电流调制的方法，

使电弧在焊接过程中不仅作为热源亦作为声发射源。这种方法不受焊接方法和焊接材
料的限制，且能够细化焊缝晶粒达到改善接头性能的目的。但由于采用电弧作为声源，

• 83 •