高频脉冲焊接电弧等离子体对钛合金熔化行为及组织性能的影响机理

The physical behavior of arc plasma, including heat flux, force and so on, was novel with high frequency pulsed current, which had significant effect on molten and crystallization process. The aim of the project is to study such molten behavior and processes with high frequency pulsed arc plasma. The model of molten fluent in the pool will be established with the heat flux and force during high frequency pulsed arc plasma, in which electromagnetic force and plasma jet force will be recognized as the main factors. The verifying tests will be carried out for dynamic monitor and particle tracing, from which the dynamic changing will be captured and the flowing characteristic can be proved. Integrated the experimental and simulated results, more analyzes will be produced with heat flux & current distribution, surface deformation and fluent status, such as dynamic deformation and electromagnetic stirring. The correlation between pulsed arc plasma and microstructure, mechanical properties will be concluded. And the mechanism of high frequency pulsed arc plasma will be obtained with non-ferromagnetic, low thermal conductivity materials. The achievements of the project will be benefit for the research on arc plasma, fluid in molten pool and crystallization process. Simultaneously, it will support the arc welding process, industrial application of titanium alloys with pulsed arc plasma. Furthermore, the research work will be significant for the security of structural component and failure warning in the aircraft.

高频脉冲电弧等离子体受脉冲电流影响，其热流、力作用、形态等物理行为呈现独特的变化规律，这样的动态过程将对金属熔化、凝固、结晶等产生显著作用。本项目拟研究高频脉冲电弧等离子体自身物理行为及其对钛合金材料熔化行为、结晶过程的影响。在高频脉冲电弧等离子体热力作用下，建立钛合金熔化金属流动行为模型，并设计动态监测、粒子示踪等验证试验，在此基础上，综合分析脉冲电弧对高温液态金属热流/电流分布、表面变形、流动状态等因素的影响，在此基础上研究凝固组织形貌形成原因、力学性能及其与金属熔化行为、脉冲电弧的关系，揭示高频脉冲电弧对非铁磁性、低热导率材料熔化行为的作用机理，从而建立高频脉冲电弧等离子体与钛合金熔化-结晶过程的理论构架。项目研究成果对认识高频脉冲电弧等离子体、钛合金凝固结晶具有重要价值，同时对推广高频脉冲电弧焊接技术、保障钛合金典型结构件安全使用寿命及提供结构件失效预警等均具有重要的工程意义。

钛合金受焊接电弧热影响，晶粒长大严重，结构性能降低。高频脉冲电弧等离子体具有独特的热、电、磁、力特性，可优化钛合金属熔化、流动、凝固、结晶等物理冶金过程，保障接头力学性能。本项目以高频脉冲电弧等离子体物理行为为核心，分析了电弧形态、力、能量及其影响下的钛合金熔化、流动、组织形貌及力学性能。通过电弧形态图像识别发现，脉冲电弧高能量区域增加，能量密度提高。同时，高频脉冲电弧力大幅增长，在其基础上建立了电弧-熔化金属界面动态模型，对电弧等离子流冲击下的高温液态金属表面变形进行了理论探讨及仿真分析，进而对钛合金熔化凝固过程进行模拟。计算结果表明，高频脉冲电弧作用下，钛合金熔池深宽比增大，流体流动性提高，高温流体分布更均匀，气孔敏感性随之降低。通过讨论不同脉冲频率时的钛合金电弧-熔池发现，10kHz-40kHz电弧行为、流动行为均有显著优化，当脉冲频率>50kHz时，电弧力、能量密度及其影响下的熔池均出现较剧烈波动，金属流动最大速度进一步提高，熔池内部环流间相互影响增强，在交汇区域出现冲击。相应的，针对钛合金焊缝组织及接头力学性能的工艺研究发现，脉冲频率10kHz-40kHz条件下，尤其在20%占空比时，晶粒细化、网篮组织分布、延伸率、断面收缩率、疲劳强度等均有优化，其中晶粒尺寸最大减小了32%，塑性提高了3倍以上，600MPa定载荷疲劳循环周次提高了4倍以上；当脉冲频率提高至50kHz以上后，各项指标出现不同程度的降低。综上，本项目研究首先对高频脉冲电弧行为及其对熔化金属的影响进行了基础研究，然后将结果与多参数钛合金焊缝组织性能结合，研究成果为认识高频脉冲电弧放电过程中的电、磁、热、力行为提供了参考，同时对推广高频脉冲电弧焊接技术、保障钛合金典型结构件安全使用寿命及提供结构件失效预警等均具有重要的工程意义。