高频脉冲电子束焊接热力时空效应及组织性能调控机制研究

High-frequency pulsed electron beam welding is a new type of high-energy beam welding method using pulsed square wave electron beam with a frequency higher than 1kHz. The preliminary experiments show that the method can effectively improve the weld formation and refine the grain size, significantly improve the quality of welding. So, it is a very worthwhile advanced electron beam welding technology to study. Based on the developed 0 ~ 20kHz high-frequency pulsed electron beam welding platform, this project will deeply study the thermal/force space-time effect and the microstructure/property control mechanism of high-frequency pulsed electron beam welding. Through the research on electron beam motion characteristics and the space-time distribution model, Molten pool flow and keyhole evolution behavior, the control mechanism of process parameter matching on the welding microstructure and properties, this project can determine the relationship between pulsed characteristic parameters and heat power density distribution, establish a heat source space-time model suitable for high-frequency pulsed electron beam heat source, clarify the influence of pulse characteristic parameters on the pool flow and keyhole evolution, reveal the optimization mechanism of the welding microstructure and properties. The successful implementation of this project can further enrich the basic research contents of pulsed electron beam welding and promote its practical application in the fields of aerospace, automobile and nuclear industry and has important theoretical significance and application value.

高频脉冲电子束焊接是采用频率高于1kHz的脉冲方波电子束进行焊接的新型高能束焊接方法，初步试验表明该方法可进一步改善焊缝成形、细化组织晶粒，是一种非常值得研究开发的先进电子束焊接技术。本项目基于前期研制的0～20kHz高频脉冲电子束焊接平台，深入开展高频脉冲电子束焊接热力时空效应及组织性能调控机制研究，拟通过对“高频脉冲电子束运动特征及热源时空分布模型”、“高频脉冲束流作用下熔池流动及匙孔演变行为”、“高频脉冲参数匹配对焊缝组织性能的调控机制”等内容的研究，明确高频脉冲参数与热源功率密度分布的关系，建立高频时变电子束热源分布模型，阐明高频脉冲特征参数对熔池流动和匙孔演变的影响规律，揭示高频脉冲电子束焊接焊缝组织性能优化调控机理。该项目的成功实施可进一步丰富脉冲电子束焊接的基础研究内涵，推动其在航空航天、汽车、核工业等领域的实际应用，具有重要的理论意义和应用价值。

高频脉冲电子束焊接是采用频率高于1kHz的脉冲方波电子束进行焊接的新型高能束焊接方法。理论和试验表明该方法可进一步改善焊缝成形、细化组织晶粒，是一种非常值得研究开发的先进电子束焊接技术。本项目基于研制的0～20kHz高频脉冲电子束焊接平台，深入研究了高频脉冲电子束焊接热力时空效应及组织性能调控机制，通过对“高频脉冲电子束运动特征及热源时空分布模型”、“高频脉冲束流作用下熔池流动及匙孔演变行为”、“高频脉冲参数匹配对焊缝组织性能的调控机制”等三项内容的研究，明确了高频脉冲参数与热源功率密度分布的关系，建立了高频时变电子束热源分布模型，揭示了高频脉冲电子束焊接焊缝组织性能优化调控机理。研究结果表明：1）高频脉冲电子束与金属工件作用时，电子束能量密度分布具有高频时变特征，随着焊接进行，能量密度按照一定的频率、占空比变化，因此高频脉冲电子束热源模型与已有的直流电子束热源模型具有本质差异，建模时需考虑束流加载的时间因素，本项目建立了由改进的圆锥体热源和高斯面热源组成的组合热源对焊接过程进行仿真；2）脉冲电子束作用下，熔池驱动力随电子束加载时间的变化而变化，高频电子束激励所造成驱动力的变化可使熔池匙孔处于动态平衡或失衡状态，而匙孔演变行为直接影响焊缝成形过程；高频脉冲状态下，束流在基值和峰值之间停顿时间较短，由于熔池金属的惯性，在基值与峰值切换时间内，熔池金属和“匙孔”的变化较小，使“匙孔”和熔池金属处于一种高度动态平衡状态，改善焊接过程稳定性； 3）5 kHz以上的高频脉冲电子束可改善焊缝不规则成形，消除焊缝正面咬边并减小背面余高，使焊缝表面更加平整光滑，并可在一定程度上减小气孔、细化晶粒等。项目研究成果可直接应用于TC4钛合金焊接领域，并可向航空航天钛合金焊接和钛合金增材领域进行推广。