不同水下环境介质对水下焊接电弧等离子体成分及温度的影响分析

文中通过对水下焊接电弧光谱的采集和分析,研究了清水、硼酸溶液、LiOH溶液、硼酸+LiOH混合溶液等不同介质的水环境对水下焊接电弧等离子体成分以及温度的影响,并对陆上焊接和水下焊接的电弧等离子体成分和温度进行对比分析.结果表明;不同的水下环境介质对水下焊接电弧等离子体成分以及温度几乎无影响.但水下焊接与陆上焊接相比,其电弧等离子体成分比陆上焊接明显增加了H和O元素.此外水下焊接过程中,由于水环境的影响,使水下焊接电弧温度低于陆上焊接.     

高压干法水下焊接技术发展现状

随着海洋石油和天然气工业的发展，海洋工程日益向深海挺进，发展水下焊接技术刻不容缓。高压干法水下焊接以其焊接质量高、接头性能好等优点越来越受到重视。概括介绍了国内外高压干法水下焊接模拟实验装置和高压干法水下焊接维修作业系统的发展现状，重点论述了高压下对电弧行为的研究情况，包括环境压力对焊接电弧形态、稳定性、电弧电压特性、电弧电流密度、电弧温度的影响及变化规律。指出了高压干法水下焊接技术的发展方向及我国研究高压干法水下焊接技术的必要性。     

高压干法水下焊接装备与技术的发展

介绍了国内外高压干法水下焊接模拟实验装置和高压干法水下焊接维修作业装备系统的发展现状,重点论述了高压下对焊接电孤行为的研究情况,包括环境压力对焊接电弧形态、稳定性、电弧电压特性、电弧电流密度、电弧温度场等的影响及变化规律.指出了高压干法水下焊接技术的发展方向及我国研究高压干法水下焊接技术的必要性.     

预涂水玻璃对水下湿法焊接过程影响规律及其机理

水下湿法焊接时受到水体的压缩和急冷等多重作用,其焊接工艺窗口狭窄,电弧稳定性差,操作要求苛刻。提高其电弧稳定性和焊接接头质量是水下湿法焊接研究和应用的热点、难点之一。水玻璃由于含有丰富的钾、钠等低电离元素,是一种重要的焊接电弧稳定剂和表面活性物质。结果表明,在水下湿法焊接中,预先在工件焊接坡口内涂覆水玻璃,可以在水下电弧附近产生高离子密度和低电离电势的区域,使焊接电弧更加稳定,水下焊接的工艺窗口扩大。     

水环境对水下焊接过程影响研究现状

为研究水环境对水下焊接过程,特别是水下工程中应用广泛的水下湿法焊接过程的影响,从电弧形态、电弧热量、电弧电气特性等不同方面进行研究。首先对目前研究较为深入的高压非熔化极焊接进行调研,总结了压力环境对电弧的影响,进而对水下高压熔化极焊接从电弧、阴极斑点等方面的研究进行总结,最后,结合水环境对湿法焊接的特点,从电弧、气泡、环境介质等不同区域对焊接过程的影响分别进行调查研究。在归纳分析基础上,提出了改善水下焊接过程稳定性的建议。     

水下电弧螺柱焊接关键参数试验

针对水下快速安装、固定等紧固安装作业,在拉弧式螺柱焊接基础上开发了一种水下电弧螺柱焊枪,并基于此开展了水下电弧螺柱焊接工艺试验。通过对焊接电流和焊接时间、提升高度和提升时间及提前送气时间和滞后关气时间等关键参数的试验与分析,焊接质量得到有效提升。试验证明,水下电弧螺柱焊接技术可实现螺柱的水下快速焊接,应用于水下快速固定、安装等海洋工程中。     

水下湿法焊接电弧图像的边缘检测技术

通过复合滤光技术和水下ＣＣＤ摄像系统,采集了药芯焊线水下湿法焊接电弧区域图像,重点论述了边缘检测理论,确定了基于中值滤波和梯度算子的电弧区域图像边缘检测方法,有效地分了弧燃烧区域和电弧气泡区域,从而为水下湿法焊接电弧的机理分析及水下焊接过程控制奠定了基础。     

水下湿法焊接直流电弧放电的仿真研究

水下湿法焊接电弧是在液体电介质中产生的电弧,与陆地气体环境电弧存在很大差异。从静电学和粒子物理学的角度建立了水下湿法焊接的电弧模型。该模型将水下介质分为电离气泡、过渡层和液体层。考虑采用Sommerfeld公式描述的饱和电流密度下的热发射,对水下焊接直流电弧放电进行了仿真分析。分析结果得出由电子束所形成电弧的形状及其电弧速度图,并且考虑了在水下湿法焊接过程所伴随的高能量和高电流密度作用下,电弧自身磁场对电子束轨迹的影响,电弧轨迹形状将收缩为"铃形"。     

水下湿法焊条电弧焊接过程稳定性评价

焊接电参数(电弧电压、焊接电流)包含着丰富的焊接过程信息.针对水下湿法焊条电弧焊工艺,在不同焊接工艺条件(不同水深、不同焊条)时在线采集焊接电弧电压瞬时值,然后对其进行统计处理.利用电弧电压标准差σU以及电弧电压瞬时值与电弧电压平均值差值H的频率对比和焊接过程稳定性指数W相结合的方式,对水下湿法焊条电弧焊接过程的稳定性进行直观分析和定量评价.结果表明,利用W可以很好地识别不同焊接过程的稳定性,为水下焊接工艺稳定控制提供了新的方法,具有重要的理论意义.     

局部干法水下焊接电弧预热技术

针对局部干法水下焊接接头硬度过高等问题,根据固定式排水罩的特点,提出利用电弧进行预热的方法来改善局部干法水下焊接质量,阐明了预热垫板的设计安装和水下电弧预热的操作方式,并对水下电弧预热的可行性进行了试验验证. 通过焊接接头的工艺试验,对比焊前预热和未预热条件下所得焊接接头的综合力学性能. 结果表明,增加水下焊接预热功能后,焊接接头热影响区的最大硬度明显降低,冲击吸收功明显增加,有效改善了水下焊接接头的综合力学性能.     

超声辅助水下湿法焊接工艺

水下湿法焊接过程电弧不稳定,常存在熄弧、焊缝成形不均匀等问题.针对这一问题,提出了超声辅助水下湿法焊接方法,其原理是将功率超声振动与常规水下湿法焊接相结合,通过超声振动作用改善焊接电弧稳定性、焊缝成形,进而提高水下焊接接头质量.超声辅助水下湿法焊接堆焊对比试验结果表明,超声辅助水下湿法焊接显著改善了焊缝成形,能够获得尺寸均一连续的焊缝;焊接过程稳定性提高,熄弧率明显减小,熔深增大,余高减小,焊缝中心区域的显微硬度减小.     

Vision based seam tracking system for underwater flux cored arc welding

Abstract

Manual underwater welding is usually time consuming, expensive and hard to perform because of the rigorous underwater environment. Automatic underwater welding can be performed faster at less cost and with higher quality. An automatic seam tracking system for underwater flux cored arc welding has been developed. It consists of a vision sensing module, a seam recognition module, a fuzzy controller (FC) and an X–Y travel platform. The vision sensing module can capture clear seam images during welding, successfully resolving the problem of welding arc interference during underwater flux cored arc welding. The seam recognition module filters, enhances and thresholds the seam images and then recognises the seam deviation angle with a three layer back propagation neural network. The FC outputs the control parameters according to the seam deviation angle and then controls the X–Y platform to drive the torch to the centre of the seam. In this study, three different welds were considered: a straight line, a kinked straight line and an S curved line. These welds were tracked real timely during underwater flux cored arc welding. The results show that this seam tracking system can meet the requirements of the automatic underwater flux cored arc welding.     

水下湿法药芯焊丝焊接电弧稳定性

利用焊接电弧电压信号的标准差和差异系数的倒数作为评价电弧稳定性的指标,通过试验研究了不同工艺条件下水下湿法药芯焊丝焊接的电弧稳定性．建立了湿法焊接电弧稳定性的敏感度模型,分析了各工艺参数如焊接电流、电弧电压、焊接速度和水深对湿法药芯焊丝焊接电弧稳定性的影响．结果表明,水深增大时,焊接电弧稳定性变差,特别是在浅水区域,增大水深可显著降低电弧稳定性;焊接速度增大,电弧稳定性变差;焊接电压对电弧稳定性影响很大,适当提高焊接电压可提高电弧的稳定性．     

水下湿法焊缝成形的响应曲面法建模及分析

水下湿法焊缝成形是影响水下焊接接头力学性能的重要因素.与空气中焊接相比,影响水下湿法焊缝成形的因素更复杂.在高压舱内进行不同水深湿法药芯焊丝焊接(FCAW)试验,通过响应曲面法(RSM)分别建立水下湿法焊缝的熔宽和余高与焊接参数之间的数学模型,分析了焊接电流、电弧电压和水深及其交互作用对水下湿法焊缝成形的影响.结果表明,水下湿法焊接时增大焊接电流和电弧电压都可以增大焊缝熔宽.熔宽随着水深的增大而减小,但随着水深的增大,水深对减小熔宽的作用逐渐减小.随着电流的增大,焊缝余高增大,且比电弧电压对余高的作用明显.     

水下湿法焊接浅水环境下FCAW电弧静特性

为了研究水下湿法焊接浅水环境下FCAW电弧特性,在自制的能够模拟不同水深的高压舱焊接系统内进行了一系列试验.并用编写的Lab View程序在采集到的电弧电压和焊接电流数据中选取焊接时较稳定的数据绘制电弧静特性曲线,对比分析了在相同的焊接工艺参数下常压空气中平板工件焊接和在浅水环境下水下湿法FCAW的电弧静特性,同时研究...     

水深环境下湿法焊接声压替代图像信号可行性分析

水深环境下水下湿法药芯焊丝焊接(FCAW)受周围电弧气泡生长的影响,其状态需要通过信号采集. 文中首先搭建水下湿法焊接试验平台,进行湿法药芯焊丝焊接试验,对焊接过程中的气泡声压信号、高速摄像信号、电弧电流电压信号,进行同步采集;然后对比了引弧阶段下浅水和20 m水深的气泡动态演变图像及其声压信号,结合20 m水深稳弧阶段信号,发现气泡脉冲声信号与气泡图像在气泡大小、爆破周期等演变细节上有着很好的对应关系,但随着水深增加,烟尘导致图像信号更加模糊. 最后对水下20,40 m的环境中获取到的电弧从引弧到稳弧阶段的声电信号,进行对照分析. 结果表明,气泡声压信号可以清晰地反映出气泡的变化状态,深水下声压信号替代高速摄像具有可行性.     

光谱诊断辅助水下湿法焊接等离子体成分计算

对水下湿法焊接等离子体成分的计算一直很少，文中通过搭建水下湿法焊接试验平台，对电弧光谱信息进行采集分析，根据诊断的结果及气泡成分的研究，确定了计算中所考虑的粒子. 在此基础上，通过对水下湿法焊接电弧等离子体的平衡方程的分析，基于质量作用定律，选择五种基本粒子，将其它粒子用这五种基本粒子表示，代入守恒方程组，在特定的压力和温度下计算了各个粒子的数密度，这种方法和传统的通过求解Saha方程等守恒方程组得到等离子体粒子数密度不同. 结果表明，不同温度区占据主要成分的粒子不同，对电弧等离子体产生的影响也不同，既可以为进一步研究水下湿法焊接电弧稳定性及焊接质量提供理论依据及基础，也可以和光谱信息结合进行温度计算及主要温度区间的粒子确定.