题目：超高频脉冲GTAW电弧行为及接头组织性能研究

超高频脉冲钨极氩弧焊（UHFP-GTAW, ultra high frequency pulse-GTAW）是近年来快速发展的一种新型焊接技术，具有降低焊缝气孔敏感性、提升能量密度、细化晶粒、提高接头力学性能等优势。 为研究该新型技术对焊缝组织及接头性能的作用效果及影响规律，本文以Ti-6Al-4V钛合金等金属材料为母材，开展UHFP-GTAW电弧行为、焊缝显微组织、接头力学性能试验研究，研究了UHFP-GTAW电弧行为特点及其随脉冲电流参数的变化规律，基于试验结果建立了UHFP-GTAW电磁力、等离子流力模型，以此分析电弧行为对熔池流动的影响，进而研究UHFP-GTAW焊缝组织及接头力学性能。 电弧行为试验结果显示，UHFP-GTAW电弧收缩显著，电弧根部尺寸与脉冲频率存在函数关系。由于电弧收缩效应，电弧稳定性及能量密度提高，穿透性增强，焊缝熔深增加，熔宽减小，故UHFP-GTAW电弧将有利于形成“深而窄”的焊缝成形。同时，电弧力增长显著，与常规GTAW相比，其增幅在2~20倍之间，随着脉冲频率的增加，UHFP-GTAW电弧力基本呈现增长趋势，随着占空比的增大，脉冲频率对电弧力的影响减小。 基于物理学原理，分别建立了电磁力、等离子流力模型。研究了宏观电磁力、电弧内部电磁力及其随电弧形态的变化规律，结果表明，径向电磁力是电弧收缩的动力源，可通过电磁力衰减系数来衡量其径向收缩的动力。随电弧收缩，收缩动力降低，径向收缩力逐渐减小，压缩电弧直至稳态；同时，压缩的电弧挺度增加，能量密度提高，在电弧等离子体内部形成能量集中区域，该区域内的径向、轴向电磁力均具有较大绝对值，另外，随着电弧收缩，电弧轴向宏观电磁压力将随之增大。进一步研究电弧等离子流力平均值并建立其分布模型，采用积分逼近法处理分布函数发现，UHFP-GTAW焊接过程中，其曲线分布集中系数 a 将随脉冲频率而改变，随着频率的增大，a值不断减小，分布函数波动性降低，等离子流力呈现趋于稳定的趋势。研究表明，等离子流力是UHFP-GTAW电弧力变化的重要原因。 基于UHFP-GTAW电弧力的作用，建立了熔池流动模型，模拟了UHFP-GTAW熔池流动状态，结果表明，电磁力与表面张力是熔池流动的主要驱动力。UHFP-GTAW电弧行为作用下，电磁力驱动环流的强度显著增加，因此焊缝熔深增大；与常规直流GTAW熔池流动相比，表面张力所驱动的马兰哥尼（Marangoni）对流平均流速提高了2倍，UHFP-GTAW熔池流动性增强。 开展了Ti-6Al-4V钛合金UHFP-GTAW焊缝组织及接头性能特点的研究，结果表明，与常规直流GTAW相比，UHFP-GTAW可有效降低Ti-6Al-4V钛合金焊缝的气孔敏感性，减小焊缝组织晶粒尺寸，熔融区晶粒最大减小了28.6%，显微硬度梯度变化相对平缓。特别地，脉冲频率f=40kHz时，焊缝区域内显微硬度梯度最大波动幅度减小了50%以上，焊缝组织均匀性显著增强，网篮组织显著增加；在30~40kHz频率段，粗晶区出现网篮组织与短针状马氏体、大密度板条/长针状马氏体交错分布的形貌，抗裂纹扩展能力提高，接头延伸率与断面收缩率均提高了30%以上；在30~40kHz频率段，接头定载荷低周疲劳寿命最大提高了4倍以上，接头塑性显著增强，断面收缩率及疲劳寿命均随焊接热输入的减小而增加。