Page 99 - 结构装备施工技术分析与研究

» 第三章 焊接热处理技术

Z=+1mm），随变幅杆压力的增大，焊缝的正面熔宽先减小后增大，背面熔宽先增大
后减小。正面熔宽由 3.3mm 减小到 2.7mm，而背面熔宽由 1mm 增加到 2.6mm，背面
熔宽对变幅杆压力的变化更为敏感。当变幅杆压力过小时，变幅杆与试件接触不良，
超声波传入效率很低。随着变幅杆压力增大，超声波的声流作用在熔池中产生的层间
压力促进熔融金属向下流动，增大背部熔宽。当变幅杆压力为 100.5N 时，背宽比达

到最大值。但随着压力持续增大，变幅杆的振动受阻，试件对超声反射作用增强，超
声的传入效率降低，焊缝背部熔宽减小。同时，振动头在工件表面的行走阻力增大，
振动头左右晃动，致使填丝过程不稳定。
（2）接头力学性能

变幅杆的压力对焊缝力学性能的影响，其中变幅杆压力分别为 0，31.4N、
62.9N、100.5N、125.7N、188.6N、251.4N。为变幅杆压力对接头抗拉强度 Rm 和
延伸率 δ 的影响，为变幅杆压力对焊缝中心区域硬度的影响 . 母材的室温抗拉强度

为 315.5MPa，延伸率为 15.2%。未施加超声时，焊接接头的抗拉强度为 258.3MPa，
延伸率为 11.2%，焊缝中心区域硬度为 89HV. 施加超声辅助后，焊接接头的抗拉强
度、延伸率、焊缝中心区域硬度分别提高到 293.1MPa，13.1%，109HV，分别提高了

13.5%，16.9%，22.5%。当变幅杆压力过小时，变幅杆与工件之间的接触不良，超声
波传递到介质的界面处反射严重，造成大量的能量损失，只有少部分的超声通过界面
传递到工件中，超声传入效率很低，焊缝的力学性能仅略有改善。当变幅杆压力较大时，
虽然变幅杆端部与工件表面接触良好，但工件对变幅杆的反作用力也较大，导致变幅
杆在产生超声振动时受阻，同样会有较大的超声能量损失，造成超声波的传入效率降

低。但施加超声对焊接接头软化有很好的改善作用，这与超声振动促进了熔池流动，
使焊缝中元素分布更加均匀有关。
（3）微观组织

未施加超声波辅助时，焊缝熔合线附近为柱状晶带，生长方向指向焊缝中心。由
于垂直于熔合线方向的温度梯度最大，熔池冷却时晶粒在该方向生长最快，形成粗大
的树枝晶主干。施加超声后焊缝熔合线附近的柱状晶区基本消失，该区域主要为细小
的等轴晶，只有极个别的晶粒呈现柱状。未施加超声时，焊缝中心区域等轴晶较粗大。

施加超声后，整个熔池的温度更为均匀，焊缝中心区域的等轴晶较未施加超声时明显
细化。使用粒度分析工具 Nano Measurer 对焊缝中心区域的等轴晶尺寸进行分析，可
知未施加超声时，焊缝中心区域等轴晶尺寸集中在 97~117μm。施加超声后，焊缝中
心区域等轴晶尺寸集中在 66~79μm。

超声振动对于焊缝组织的影响，主要是由于超声的空化效应、声流效应和机械搅
拌效应。一方面，超声振动改变了熔池中的温度分布，改变晶粒生长方向。焊接熔池

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