等离子弧焊接（PAW）一次焊透深度大,在中厚板钢结构的焊接中具有广阔的应用前景。然而,在常规PAW焊接过程中,熔池与小孔动态稳定性差,焊接工艺参数窗口较窄。这些问题限制了等离子弧焊接工艺的广泛应用。为了克服传统PAW焊接的这一局限性,本课题组研发了超声振动辅助穿孔等离子弧焊接工艺（U-PAW）。U-PAW将超声单元与钨极联结,通过钨极端部直接将超声振动作用于等离子弧,改变了等离子弧的热-力特性,提升了等离子弧的穿孔和熔透能力。但前期主要开展了 U-PAW新工艺的实验研究,尚未揭示超声振动对等离子弧焊接熔池流动与穿孔能力的影响机制。本文采用数值模拟的方法来定量分析和研究U-PAW焊接熔池温度场-流场-小孔的动态演变过程,这对于优化U-PAW新工艺、促进U-PAW应用,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。超声作用于等离子弧介质上,会产生声辐射力。基于声辐射力与电场力做功,推导出了等离子弧压力与气体剪切力的解析公式,综合考虑了焊接电流、离子气流量、声速、超声频率和振幅等多种因素的影响。超声振动增加了等离子弧压力与气体剪切力。等离子弧压力与气体剪切力均促进熔池穿孔能力,但等离子弧压力占主要因素。为了研究超声振动对阳极表面上等离子弧热-力分布的影响,建立了超声场与等离子弧的双向耦合数学模型,开展了等离子弧电磁场-温度场-流场的数值分析。计算结果表明,超声振动提高了等离子弧的热导率,降低了等离子弧的电导率;等离子弧进一步收缩,使得阳极表面上的电流密度、热流密度、电弧压力与气体剪切力均有所增加。将数值计算得到的阳极表面上的热-力分布结果作为边界条件,建立了 U-PAW熔池-小孔行为的数学模型。数值模拟结果表明,PAW与U-PAW熔池中均存在两个环流,在气体剪切力与Marangoni力的作用下,熔池上表面附近存在顺时针环流;在等离子弧压力与电磁力作用下,熔池下部形成逆时针环流。在U-PAW过程中,超声使得等离子弧收缩,也使得等离子弧压力的增加。这使得熔池中液态金属向熔池底部流动,小孔入口尺寸变小。受控脉冲焊接电流条件下,因等离子弧本身的电磁场-温度场-流场发生瞬时变化,超声振动引起的等离子弧中的声压也随焊接电流发生周期性变化,进而导致阳极表面上等离子弧热流密度、电弧压力与气体剪切力等参量也随焊接电流发生周期性变化。利用所建立的模型,对这些参量的周期性变化过程开展了数值分析。基于受控脉冲电流波形所对应的阳极表面上等离子弧热力特性,建立了随焊接电流动态变化的U-PAW熔池-小孔行为的数学模型。数值模拟了在峰值焊接电流阶段U-PAW熔池内形成贯穿小孔、在基值焊接电流阶段小孔闭合、熔池与小孔形状呈周期性变化的动态过程。超声振动提高了受控脉冲等离子弧的穿孔能力。开展了连续焊接电流和受控脉冲焊接电流条件下,超声辅助等离子弧焊接工艺实验,测试了等离子弧压力和电流密度;拍摄了背面小孔图像,提取了背面小孔中心偏移量与小孔尺寸;测定了焊缝横断面的形状和尺寸。这些实验测量结果与数值模拟结果吻合良好。