振动技术在焊接领域的应用

王　志，胡芳友，刘浩东

振动技术在焊接领域的应用

王志，胡芳友，刘浩东

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

根据振动频率和振动引入焊接的时间对振动技术在焊接领域的综合应用进行分类，主要分为低频振动随焊处理工艺、低频振动焊后处理工艺、高频振动随焊处理工艺、高频振动焊后处理工艺、超声振动随焊处理工艺以及超声振动焊后处理工艺。介绍了每一类处理工艺中各种技术的原理、特点及研究现状，概述了研究该综合应用的重要意义。

振动技术；焊接技术；分类；研究现状；综述

0　前言

频率是表征振动的一个重要参数。振动按照频率高低分为低频振动、高频振动和超声振动。一般将低于200 Hz的振动归为低频振动，高于200 Hz的归为高频振动，超声振动的频率一般高于20kHz（人耳感知的最高频率）。

将振动技术引入焊接中，是为了改良焊接技术本身无法避免的缺陷而发展起来的一种综合应用。通常是把振动技术引入到焊接过程当中或者焊接的后处理。因此，根据振动频率高低和振动引入焊接的时间先后，将该综合应用分为低频振动随焊处理工艺、低频振动焊后处理工艺、高频振动随焊处理工艺、高频振动焊后处理工艺、超声振动随焊处理工艺以及超声振动焊后处理工艺。

1　低频振动在焊接领域的应用

1.1低频振动随焊处理工艺

1.1.1振动焊接技术

振动焊接技术是指在焊接过程中通过对焊件施加低频机械振动来改善焊缝性能的焊接工艺[1-2]。振动焊接技术由振动时效和振动凝固发展而来，对于改善焊缝性能、降低残余应力、减少焊接缺陷具有积极意义。同时该技术还具有节能环保、生产效率高、降低生产成本的优势，目前已在工程实践中得到广泛应用。典型振动焊接系统示意如图1所示。

在国内，大连理工大学、抚顺石油学院以及上海交通大学做了大量研究[3-9]。主要探究振动频率、振动加速度对焊缝质量（拉伸性能、断裂韧性、疲劳寿命、金相组织、残余应力、焊接裂纹）的影响，并深入分析影响机理。国外，Thomas Hebel发现在堆焊中辅以机械振动可以有效降低产生焊缝裂纹的几率；Kou和Le[10]以2014铝合金为研究对象探究了低频振动对焊接质量的影响；Tewari[11]研究得出轴向振动能够明显提高焊缝力学性能的结论。

目前，与振动技术综合应用的焊接方法大多是氩弧焊、埋弧自动焊、电渣焊等普通焊接方法，很少涉及激光焊、电子束焊等先进焊接方法；所研究的材料也大多是高强钢、铝合金等常用材料，较少涉及钛合金、复合材料等高性能材料。

1—工件平台；2—被焊试件；3—焊枪；4—橡胶垫圈；5—加速度传感器；6—激振器；7—热电偶；8—测温仪；9—PC机；10—放大滤波电路；11—加速度显示；12—调速机构；13—转速显示；14—打印机。图1　振动焊接系统示意[9]

1.1.2振动摩擦焊接

在焊接过程中应用振动技术的另一种焊接方法是振动摩擦焊接，主要应用于塑料和金属材料的焊接。目前大多数工业用塑料振动摩擦焊接所使用的振动频率在100～240 Hz之间[12]，且针对金属线性摩擦焊接所采用的振动频率也大多低于200Hz[18-19]，因此本研究把振动摩擦焊接归于低频振动随焊处理工艺范围。与振动焊接的原理不同，振动摩擦焊接所需要的热量来自于机械振动的能量，焊件在压力作用下直接利用相对运动摩擦产生的热量连接在一起[13-14]。

在塑料焊接领域，目前针对振动摩擦焊接的研究主要集中在两个方面。一方面是振动系统的研究：李勇[15-16]设计了一种新型的电磁式振动头并通过实验研究了该振动头的驱动控制方法和可行性；聂子青[17]设计了循轨式电磁振动头，利用仿真软件进行仿真研究。另一方面是振动摩擦焊接工艺的研究：研究不同焊接参数（振动频率、振动时间、振幅、压力）对焊缝质量的影响和不同材料的焊接性。

在金属焊接领域，目前研究较多的是线性摩擦焊接。该技术在国外已经成功解决整体叶盘的制造和维修问题[18]。线性摩擦焊接原理如图2所示。针对线性摩擦焊接的研究，主要包括数值模拟研究和焊接工艺研究：Tao[19]、梁荣环[20]分别以TC4为研究对象对线性摩擦焊接进行了数值模拟研究；Vairis[21]、Attallah[22]、马铁军[23]分别研究了不同材料的线性摩擦焊接工艺。

振动摩擦焊接具有环保、节能、高效、焊缝质量高、适用材料广等优点。经过多年发展，振动摩擦焊接技术已经成功应用于汽车工业、航空航天工业、石油天然气工业等领域。但是振动摩擦焊接需要焊件接触面为平面，同时为了保证焊件定位准确需要在焊缝边缘留余量，这些缺陷限制了该技术在精密仪器领域的应用。

图2　线性摩擦焊接示意[17]

1.2低频振动焊后处理工艺（振动时效）

在焊接完成后引入机械振动就是所谓的振动时效技术。该技术通过对焊接件施加周期性激振力来达到消减焊接残余应力的目的[24]。一般情况下，把利用低频振动进行振动时效处理的技术简称为振动时效，而把利用高频振动和超声振动进行的振动时效分别称作高频振动时效和超声振动时效。

与自然时效和热时效相比，振动时效具有生产效率高、生产成本低、消应效果好、环保无污染[25]等优势。因此振动时效技术被广泛应用于工程实践以解决残余应力大、尺寸不稳定的问题。与振动焊接相比，振动时效的消应效果不如振动焊接明显，同时振动时效对焊缝性能的提升作用也有限。

目前针对振动时效技术的研究主要集中在振动设备、作用机理、工艺效果三个方面。传统的低频振动时效装置由电机带动偏心转动机构组成，激振频率不超过200 Hz。典型的振动时效装置如图3所示。目前对于振动时效还没有一个统一的工艺参数标准和公认的学说，激振设备的性能也有待提高，振动时效的研究还需要大量的研究人员投入其中。

图3　典型振动时效设备原理[25]

2　高频振动在焊接领域的应用

2.1高频振动随焊处理工艺

将高频振动引入焊接过程中的研究鲜有报道。分析其原因有三点：

（1）振动设备不能满足需求。传统的激振设备由电机带动偏心转动机构组成，振动频率在2 000～ 10 000 r/min之间，不能满足高频振动的需求。

（2）振动参数除了频率还有激振力，当频率较大时，激振器所能提供的激振力无法满足实验要求。

（3）当激振频率和振幅较大时，会对焊件的疲劳寿命和焊接操作产生不良影响。

2.2高频振动焊后处理工艺（高频振动时效）

高频振动时效和振动时效除了激振频率不同外，在消除焊接残余应力的机理方面也有很大区别。文献[26]认为，每一个晶体都可以简化为一个质量-弹簧系统。当材料内部产生位错时，导致每一个晶体偏离平衡位置，材料内部出现残余应力，同时使系统能量升高。由于晶体在材料内部产生位移需要克服很大的阻力，因此每一个质量-弹簧系统的刚度都很大，所以只有高频振动才能引起质量-弹簧系统共振。系统发生共振后，晶粒经过剧烈的运动回到平衡位置，最终使位错消失，残余应力消除。这也是低频振动时效无法完全消除残余应力的根本原因。

王建武[27]利用稀土超磁致伸缩材料设计了高频激振器，并进行了高频振动时效的实验研究，激振频率6.2 kHz。实验发现经过高频振动时效后，焊件的残余应力下降比例达72％，位错明显减少。任耀新[28]设计了高频激振器的电源系统，并以钢板为研究对象进行了高频振动时效，得到与王建武相近的结果。蒋刚[26]对高频振动时效和低频振动时效进行了仿真分析对比，并通过实验进行验证。结果发现，高频振动有更好的消应效果，并且频率越高效果越好。

高频振动使焊件产生的变形量小，不易对焊件造成疲劳损伤，对于拓宽振动时效应用范围具有重要意义。目前制约高频振动时效应用的主要因素是高频激振设备不够完善和高频振动消应理论不够成熟。

3　超声振动在焊接领域的应用

3.1超声振动随焊处理工艺

3.1.1超声振动辅助焊接

超声振动辅助焊接是在焊接过程中将超声振动施加到焊件上来影响焊接行为，并最终达到改善焊缝质量目的的一种焊接技术。引入焊接过程的超声振动是能量和强度较高的功率超声。超声振动辅助焊接综合利用了功率超声在介质中传播产生的力学效应、空化效应、热学效应、化学效应、声流效应等各种效应[29]。由于作用机理非常复杂，所以针对功率超声在焊接过程中的影响机理尚无统一的理论。超声振动源加载的位置主要分为焊件上表面、下表面和侧面，三种加载方式对比如图4所示。按照振动源是否移动又可以分为静止振动源和随动振动源。影响焊接质量的振动参数主要有频率、功率、加载位置等。

图4　超声振动源位置对比

付鹏飞[30]在激光焊接中将超声振动装置静止置于焊件下进行实验探索。结果表明超声振动可以细化晶粒，同时降低焊件的残余变形。韩波[31]在电渣焊中将超声振动装置静止置于焊件上表面与未施加超声振动进行对比试验，探究超声振动对金相和焊缝力学性能的影响。江余东[32]在铝合金氩弧焊中施加横向超声振动进行了有限元分析和实验研究，结果发现超声振动对减少焊接热裂纹具有明显作用。戴文龙[33]研究了铝合金7075-T6堆焊中超声波以不同路径传播到熔池的影响，研究表明焊缝的熔深、显微硬度和晶粒度与超声振动的传入路径有直接联系。

超声振动辅助焊接技术的发展得益于超声振动设备的发展，同时对改善焊接缺陷、推动焊接技术发展具有重要意义。目前针对该技术的研究仅限于实验室阶段，加速该技术的发展、尽快使该技术应用于实际工程需要每一位科研工作者的努力。

3.1.2超声振动复合焊接

超声振动复合焊接与超声振动辅助焊接原理不同：后者是将超声振动直接作用于焊件上利用超声波的特殊效应来辅助焊接；前者是将超声振动与其他焊接方法融合在一起形成一种新的焊接方法。超声振动复合焊接将超声波直接作用于焊缝熔池，解决了超声振动辅助焊接中超声波难以耦合的问题[34]。目前该技术主要有两个研究方向：超声-电极复合焊接和电弧超声焊接。

（1）超声-电极复合焊接。

超声-电极复合焊接是将超声振动发生装置与焊枪结合在一起使电极做超声频振动，通过电弧将超声振动直接作用于焊缝熔池来达到超声影响焊接行为目的的一种焊接方法[35]，主要包括超声-TIG复合焊接和超声-MIG复合焊接。典型的超声-TIG复合焊接系统原理如图5所示。

图5　超声-TIG复合焊接系统原理示意[35]

（2）电弧超声焊接。

电弧超声焊接由吴敏生教授首次提出。该技术是利用电弧超声激励源通过焊接电源将超声波和电弧融合在一起发出电弧超声，并利用电弧超声进行焊接的一种焊接方法，此时电弧超声既是焊接热源，又是超声振动源。影响焊接质量的参数主要是激励电流和激励频率，并且实时调控。典型的电弧超声焊接装置如图6所示。

图6　电弧超声焊接装置示意[36]

大量研究表明[37-39]，电弧超声能够明显改善焊接接头的综合性能。与超声振动辅助焊接相比，电弧超声焊接对超声波的能量具有更高的利用率。目前该技术尚处于实验室研究阶段，且没有完善的理论体系，但是根据该技术的特殊优势可以预见，电弧超声焊接技术具有良好的发展前景。

3.1.3超声焊接

超声焊接又称为超声波摩擦焊、直接超声波焊接、超声冷焊，与振动摩擦焊接同属固相连接方法，其原理如图7所示[40]。在超声振动装置和焊头压力装置的共同作用下焊件之间发生高频摩擦，焊件利用高频摩擦产生的热量连接在一起实现焊接。

图7　超声焊接原理[40]

超声焊接主要分为超声塑料焊接和超声金属焊接[41]，近几年针对复合材料的超声焊接研究也逐渐兴起[42]。超声焊接无需外部高温热源，也无需焊条焊丝，焊接过程无噪声，可以满足绿色环保节能的要求。超声焊接适用材料广，焊缝性能良好，焊缝美观，可实现自动化控制，因此具有良好的应用前景。但该技术也存在一些不足，例如对大型构件的焊接无法一次性完成，不能适应各种形状构件的焊接，焊接参数对焊接质量的影响较为复杂等。

为了促进超声焊接技术的发展，科研人员做了大量研究。目前针对超声焊接的研究方向主要是超声焊接设备的研制和焊接工艺的探索。虽然超声焊接在汽车制造、电子电器制造、移动通讯、食品包装等领域已经得到广泛应用，但是研究超声焊接机理、完善焊接系统、总结焊接工艺参数、拓展焊接方式仍是研究人员需要努力的方向。

3.2超声振动焊后处理工艺

3.2.1超声振动时效

低频振动时效和高频振动时效无法应用于共振频率非常高的小型构件，因此超声振动时效应运而生。超声振动时效是指采用超声振动通过外部激励引起结构共振用于消除焊件残余应力的技术[43]。尤其是当工作频率高于20kHz时，激振无噪声，可以很好地改善工人的工作环境。超声振动时效对于扩展振动时效的应用范围具有重要意义。

超声振动时效与高频振动时效具有相同的工作机理，都是通过共振向构件内部输入高能量使晶粒恢复到平衡位置最终减小残余应力。不同的是，超声振动时效采用的工作频率更高。目前主要是太原理工大学在进行该技术的实验研究[43-44]，而关于超声振动时效的工业应用则鲜有报道。

3.2.2超声冲击

超声冲击是利用超声冲击设备对焊缝部位进行20 kHz频率以上的冲击，以达到减小焊接残余应力、提高焊缝疲劳性能的焊后处理技术。不同于超声振动时效对结构整体进行施振，超声冲击仅对应力集中的焊缝部位实施冲击。目前比较公认的超声冲击消除残余应力的作用机理是超声频的冲击作用使得焊缝表面产生塑性变形进而使残余应力释放。超声冲击装置如图8所示。

图8　超声冲击装置[41]

超声冲击技术（UIT）始于乌克兰，经过几十年的发展已经成为比较成熟的消除残余应力的焊后处理技术，在国外已经得到高度认可并广泛应用于工程实践，在国内也有应用超声冲击消除残余应力的成功案例。超声冲击可以有效地提高焊缝疲劳寿命并抑制焊接裂纹的产生，并且具有高效、环保、灵活的特点，是目前消除焊接残余应力最好的焊后处理方法之一[45]。

4　结论

综合利用不同技术的优势将两种或多种技术复合进行研究是科学技术的发展趋势。焊接残余应力、焊接裂纹、气孔等常见焊接缺陷会造成巨大的损失，振动技术在弥补焊接技术的自身缺陷中发挥了重要作用。因此研究振动技术在焊接领域的应用具有重大的工程应用价值和社会经济效益。

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Research on the application of vibrotechnique in welding

WANG Zhi，HU Fangyou，LIU Haodong
（Naval Aeronautical EngineeringInstitute QingdaoBranch，Qingdao266041，China）

The integrative application of vibrotechnique in welding were classified by the vibration frequency and the time when vibration was lead into welding，mainly including low-frequency vibration treatment with welding，low-frequency vibration postweld treatment，high-frequency vibration treatment with welding，high-frequency vibration postweld treatment，ultrasonic vibration treatment with welding and ultrasonic vibration postweld treatment.The rationale，characteristic and research status of various technology of each classification were summed up.Finally，the significance that the integrative application of vibrotechnique in welding are studied was indicated.

vibrotechnique；welding technique；classification；research status；summarization

TG441

C

1001－2303（2016）01－0102-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.24

2015-05-30

海军维改预研项目

王志（1991—），男，山东聊城人，硕士，主要从事激光焊接在航空飞行器维修领域的应用研究。