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超声振动辅助穿孔等离子弧焊(U-PAW)工艺,增强了穿孔能力。但前期研究中,采用较薄工件进行了板上堆焊试验,且没有深入研究超声振动对于熔池液体流动和小孔动态行为的影响。本文课题通过视觉检测正面熔池流动和小孔入口,研究熔池和小孔的动态行为,并针对8 mm厚度不锈钢板同时开展堆焊和对接焊试验,对于优化U-PAW工艺参数并拓展其实际应用范围有重要意义。搭建正面熔池视觉检测系统,利用双CCD相机同步视觉检测系统,拍摄了正面熔池和小孔入口的图像,研究了施加超声振动对正面熔池和小孔尺寸的影响。使用示踪粒子技术,追踪了不同焊接工艺条件下熔池表面液态金属的流动状态,据此测定了熔池表面液体向后流动速度。施加超声振动后,电弧剪切力的大部分沿小孔后壁向下作用,促进了熔池液体向下流动,导致正面熔池液体向后流动速度均有不同程度减小。另外,施加超声振动后等离子弧体积进一步收缩。上述两方面原因使得熔池和小孔尺寸有所减小。在8 mm厚度的不锈钢工件上分别以堆焊和对接焊的方式开展了开环受控脉冲穿孔焊接试验。在常规PAW不能完全焊透工件的工艺参数条件下,施加超声振动后,采集到工件背面小孔出口图像,并检测到稳定的尾焰电压信号,证明熔池完全穿孔,得到完全焊透的焊缝。由于超声振动提高了等离子弧的挺度,施加超声振动可以增大背面小孔出口面积,减小小孔出口的后向偏移量;当焊接电流不变时,在提高焊接速度的情况下,施加超声振动仍然可以保持稳定的穿孔焊接模式。在8 mm厚度的不锈钢工件上开展了超声振动辅助受控脉冲穿孔PAW焊接试验,分别采用不同基值电流持续时间和不同峰值电流下降段时间,发现施加超声之后,在焊接速度提高10%-20%的情况下,峰值焊接电流降低了 5%-14%,说明施加超声振动可以使用更低的峰值电流和更快的焊接速度实现一脉一孔的稳定焊接过程,而且焊缝熔宽更窄、深宽比更大。以上结果证明施加超声振动能够降低焊接热输入,提高焊接效率,可扩大穿孔等离子弧焊的应用范围。