1成果簡介
電弧超聲的創(chuàng)新點在于實現(xiàn)了將“電弧不僅僅作為產(chǎn)熱機構(gòu)，同時作為超聲發(fā)射機構(gòu)”的構(gòu)想。它的基本原理是利用電弧的變阻性負載特性激勵出電弧超聲。這種方法克服了常規(guī)超聲產(chǎn)生方法耦合困難和參數(shù)不易調(diào)節(jié)的缺點，使功率超聲在工程實踐中的應(yīng)用向自耦合、頻率和能量實時調(diào)節(jié)的方向發(fā)展，利用超聲聲流和空化等多種效應(yīng)對加工質(zhì)量產(chǎn)生改善作用。
目前，已經(jīng)研制成功寬帶大功率的電弧超聲激勵裝置（包括連續(xù)波和脈沖波兩種激勵方式），研究了電弧超聲的激發(fā)和控制特性，并把此項技術(shù)成功應(yīng)用于焊接、噴涂、表面改性等材料加工領(lǐng)域，申請了國家發(fā)明“一種用電弧激發(fā)超聲波的方法”，即將獲得*。
2應(yīng)用說明
●電弧超聲技術(shù)在焊接中的應(yīng)用
在焊接中，焊縫區(qū)晶粒粗大、熱影響區(qū)組織長大、焊縫殘余應(yīng)力較大且有應(yīng)力集中現(xiàn)象、焊縫的沖擊韌性下降等是焊接過程中容易出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象，而且不僅僅局限于某一種或幾種材料和焊接方法。電弧超聲的產(chǎn)生與焊接材料和焊接方法無關(guān)，僅受到外加激勵源特性和電弧等離子體高頻特性的影響。通過對多種材料（a3、45、16mndr、09mnnidr、1cr18niti、tc4等）和多種焊接方法（手工電弧焊、co2氣體保護焊、埋弧自動焊、tig、mig等）的電弧超聲焊接實驗，證明了電弧超聲作為一種通用的方法，不受焊接材料和焊接方法的限制，對于改善焊縫接頭組織的綜合性能有明顯的作用，為提高焊接接頭組織的性能提供了一種全新而且有效的方法。
（1）碳鋼焊接
對多種鋼材的實驗表明，電弧超聲的引入，對于細化焊接接頭組織的晶粒、改善熱影響區(qū)組織、改善焊縫區(qū)應(yīng)力分布等都有明顯的作用，大大提高了焊接接頭組織的綜合性能；同時，還發(fā)現(xiàn)了許多在常規(guī)焊接條件下難以實現(xiàn)的新現(xiàn)象。
對a3鋼交流埋弧自動焊，在電弧超聲作用下，焊接接頭組織的熱影響區(qū)發(fā)生明顯的變化。激勵超聲的頻率升高，“熱影響區(qū)”的寬度增加，并且呈指狀分布。微觀金相分析表明，在電弧超聲作用下，“熱影響區(qū)”的組織不再是晶粒過度長大的薄弱環(huán)節(jié)，而是細小的等軸晶，表現(xiàn)出正火組織的優(yōu)良特性。
對45鋼手工電弧焊，加入50khz的電弧超聲后，焊縫區(qū)組織明顯細化。電弧超聲對焊縫中柱狀晶的生長具有抑制作用，并使焊接接頭組織發(fā)生顯著變化。常規(guī)焊接時焊縫組織為較多的先共析鐵素體和側(cè)板條狀鐵素體；當激勵源的中心頻率約50khz時，粗大的聯(lián)生結(jié)晶組織得到明顯的細化，焊縫金屬形成較多的針狀鐵素體。
（2）低溫鋼焊接
對低溫鋼09mnnidr埋弧自動焊，通過焊接試樣的熔合區(qū)與熱影響區(qū)的形態(tài)分析，觀察到焊縫中柱狀晶生長受到抑制，組織細化而且分布均勻。對試樣進行低溫沖擊韌性試驗，證實焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的沖擊韌性有不同程度的提高，尤其在50khz激勵頻率下，09mnnidr焊縫區(qū)沖擊韌性提高近50%，熱影響區(qū)則提高80%以上。
（3）不銹鋼焊接
對奧氏體不銹鋼1cr18ni9ti，采用手工電弧焊、堆焊的工藝進行試驗，結(jié)果表明電弧超聲的引入對不銹鋼的焊縫區(qū)組織形態(tài)有較大影響，原來的條狀組織變成網(wǎng)狀組織，晶粒度減小，而且隨著頻率的提高，組織彌撒得越均勻?？梢婋娀〕暫附訉Σ讳P鋼焊縫區(qū)組織晶粒的細化具有明顯的作用。
（4）鈦合金焊接
對航天工業(yè)中應(yīng)用的α＋β雙相鈦合金ti-6al-4v（tc4）的交直流/脈沖tig焊進行了系列試驗。加入電弧超聲后，焊縫區(qū)柱狀晶得到了一定程度的細化。在50khz的激勵頻率下，焊縫區(qū)晶粒的形態(tài)出現(xiàn)了明顯的變化，焊縫區(qū)幾乎*是由晶粒細小的等軸晶組成的，各區(qū)域之間的界限很不明顯。這將大大提高鈦合金焊接接頭的性能。
（5）改善焊縫應(yīng)力分布
用a3鋼斜y坡口的焊接規(guī)范，通過電弧直接把超聲能量引入焊接過程，進行了對比實驗，并且用小孔法和磁記憶法兩種方法測量了焊縫及周圍區(qū)域的應(yīng)力分布。未加電弧超聲時，焊縫周圍區(qū)域的應(yīng)力分布極不均勻，應(yīng)力的zui大值也比較高。加入電弧超聲后，應(yīng)力分布明顯改善，在激勵頻率為50khz時，應(yīng)力的平均值減少了約40%，且應(yīng)力值的波動區(qū)域也比較小，同時電弧超聲的引入可以在焊縫上附加壓應(yīng)力，從而提高焊縫接頭的性能。
●電弧超聲技術(shù)在電弧噴涂中的應(yīng)用
在電弧超聲的作用下，采用純鋅進行噴涂，并對試樣進行金相試驗、顯微維氏硬度測定、耐腐蝕測試，證明了電弧超聲的作用使得涂層的顆粒度和孔隙率降低、氧化物減少、顯微維氏硬度降低、在堿性環(huán)境和鹽水環(huán)境中的耐腐蝕性能得到顯著提高，尤其50khz電弧超聲提高耐腐蝕性能的效果*。
通過對在不同超聲頻率和超聲激勵電壓下噴涂的鉻涂層進行拉伸試驗，涂層的粘結(jié)強度有著比較明顯的提高，試樣涂層粘結(jié)強度普遍提高12%以上，證明超聲的引入對提高涂層的結(jié)合強度有顯著作用。隨著超聲頻率和超聲激勵電壓的升高，粘結(jié)強度也隨之升高，充分體現(xiàn)了頻率和能量的對應(yīng)關(guān)系。
3效益分析
作為一種通用的外場方法，電弧超聲具有頻率、功率等參數(shù)實時可控，通過電弧自耦合到工件、耦合效率高等特點。
將電弧超聲引入焊接過程，可以細化焊接接頭組織的晶粒，改善接頭組織的應(yīng)力分布，提高接頭的強度、韌性等，為*焊接接頭組織性能提供了一種全新而有效的焊接方法。
將電弧超聲引入電弧噴涂過程，可以降低涂層的顆粒度和孔隙率，減少氧化物，提高涂層的結(jié)合強度和耐腐蝕性能，為提高涂層性能提供了一種全新而有效的電弧噴涂方法。