高压水下湿法焊接电弧等离子体介质击穿机制

为研究深水湿法焊接电弧等离子体介质击穿机制，建立了高压水下湿法焊接试验平台，获取40 m水深电弧引弧阶段光谱图，基于PIC-MCC方法建立40 m水深湿法焊接电弧击穿放电三维数值模型并对其进行分析，将光谱诊断电弧等离子体温度、电子数密度和数值模型分析得到的结果进行对比，验证了模型的合理性与正确性.根据电弧光谱得到的电弧等离子体的主成分，从微观粒子角度对高压水下湿法焊接电弧等离子体动态演变过程展开研究,获得等离子体动态分布、粒子数目、电弧等离子体温度及电子数密度变化.结果表明，电子与背景成分水分子发生电离碰撞主要生成H⁺,OH⁺和O⁺，且OH⁺数目增长速度最快，H⁺次之，O⁺最后，在粒子数目上OH⁺远远大于H⁺和O⁺数目；电子与背景气体碰撞过程中发生了能量转移，运动到极板介质层的电子动能减小，电子与极板介质层电离碰撞反应弱化，直至达到饱和.     

水下湿法焊接等离子成分计算

水下湿法焊接所产生的电弧是在带电离子气体的气泡中形成的,结合前人对水下湿法焊接气泡成分的测定,分析了水下湿法焊接气泡中气体的主要解离和电离过程,对局部热力学平衡态下的不同水压、不同温度的水下电弧成分采用potapov模型进行了计算,其主要理论依据为Dalton分压定律、质量作用定律、电荷准中性条件和化学计量平衡条件.结果表明,随着水压由0.101 3 MPa变化到1.013 MPa再到10.13 MPa,离子体内H+,O,C,O+,C+的数密度呈现逐渐增加的趋势,同时电子数密度和离子体密度也跟随增加.而离子体总体平均电离度不受水压的影响.为进一步计算水下湿法焊接电弧的输运系数和水下电弧的仿真打下了基础.     

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.     

TIG电弧等离子体双温度数值模拟

基于连续性方程、动量守恒方程、电子能量守恒方程、重粒子能量守恒方程及麦克斯韦方程组,建立了TIG电弧等离子体二维轴对称双温度数学模型. 等离子体的热力学性质及输运系数均为电子温度(T_e)、重粒子温度(T_h)的函数,采用FLUENT软件进行求解得到了TIG电弧等离子体的电子温度场、重粒子温度场、压力场、流场和电势场等,重点比较了等离子体电子温度和重粒子温度的分布规律. 结果表明,TIG电弧的外形为典型的钟罩形,在电弧中心重粒子温度与电子温度几乎处处相等,而在电弧边缘及阳极表面两者差异较大,存在很明显的非平衡现象.     

激光对TIG电弧温度分布影响的数值模拟

在激光-TIG复合焊接过程中,根据激光与电弧等离子体相互作用原理及控制方程,利用有限元数值模拟方法研究激光对TIG焊接电弧等离子体温度分布的影响.在电弧稳定状态下,分别计算了不同焊接电流和激光强度的电弧等离子体温度分布情况,并由此分析激光对电弧等离子体温度分布的影响.结果表明:随着焊接电流的下降,激光对电弧温度的影响作用越来越明显,并且激光光强越大,影响越明显;决定电弧温度分布的主要因素也由焊接电流转变为由激光光强和焊接电流共同作用.本研究为进一步研究焊接质量奠定理论基础.     

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"。     

焊接电弧光谱信息的基本理论和基本方法

电弧光谱信息是继电弧电信息后的一种新兴的信息源 ,对发展焊接过程自动控制技术有重要意义。有关它的基本理论和基本的测控方法对阐明和应用电弧光谱信息技术有重要作用。利用等离子体物理学和光谱学的现有理论 ,组织起包括 12个物理方程的方程组 ,作为电弧光谱信息的基本理论。对基本理论的 12个方程进行分析 ,得出了电弧光谱信息是电弧状态和状态变化的反映 ,它是反映电弧过程的最丰富的信息源的基本观点。从已建立的基本理论还可以得出电弧光谱信息测控的基本原理和基本方法 ,并指出了测试方法的应用方向     

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.     

焊接电弧等离子体热学特性测量方法的研究进展

测量焊接电弧等离子体的温度、粒子密度等参数,有助于深入理解和研究焊接电弧等离子体的物理性质,从而为寻找提高焊接质量、改善焊接工艺的新途径提供了基础数据。文中介绍了几种常用的接触法和非接触法的使用原理和工作特点,比如Langmuir探针法、热电偶法、光学干涉法、光谱分析法等,着重介绍了焊接电弧等离子体的光谱理论原理和几种光谱测量方法,主要阐述和分析了计算焊接电弧温度场的三种方法的测量原理和优缺点,如标准温度法、谱线相对强度法(双线法、Boltzmann作图法)和谱线绝对强度法,这三种方法使用的条件和焊接环境各不相同。这些计算方法有助于测量焊接电弧等离子体的温度场分布,有助于在实际研究过程中选择合适的等离子体测量方法和计算手段。     

轴向磁场对非熔化极焊接电弧的影响

利用设计的轴向磁场产生装置,采用理论与试验相结合的思路,将其作用于非熔化极焊接过程,包括等离子焊接和钨极氩弧焊(TIG)两种焊接方法.利用高速摄像装置观察电弧形态变化,获得并对比两种电弧的变化情况.结果表明,由于等离子电弧本身组成的特殊性,导致其与TIG电弧在同样磁场作用下发生变化的程度不同.然后做出运动受力分析,建立了轴向磁场下的粒子运动模型,由于粒子轴向运动速度的差异性,导致轴向磁场下带电粒子的运动阶段的不同,给出了两者在磁场下不同变化的原因.     

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...     

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.     

水深和流速对水下湿法焊接热过程影响的数值模拟

水下电弧在高压和强烈冷却作用的环境下,其弧压、形态和能量密度都发生了改变,工件的换热条件更发生了显著的变化.文中考虑水下压力对电弧的压缩和水环境中工件换热速度的提高,进行一定的参数假设,建立了湿法熔化极气体保护焊接热过程的数值分析模型,得出了不同水深和不同水流速度下的工件热循环曲线、熔池形状等典型数据.模拟结果表明,随水深增加,熔池的深度增加而宽度减小,各等温线的形状也逐步变得狭窄而且更深;随工件表面水流速度增大,熔池变小,等温面所笼罩的体积也显著减小.     

水下湿法药芯焊丝焊接气泡动态演变与其声脉冲分析

水下湿法药芯焊丝焊接(FCAW)以操作适用性好等优点在海洋设施维修中占有重要地位,焊接区域周围动态变化的气泡生长会影响焊接电弧的稳定性. 文中通过搭建水下湿法焊接试验平台,进行了湿法药芯焊丝焊接试验,利用传感器对焊接过程中的电弧电流电压信号,气泡声信号以及气泡高速图像进行了同步采集;研究了气泡声信号与气泡高速图像的对照关系,并对气泡声信号与电弧电流电压信号进行同步分析,获得了不同电弧燃烧状态下的气泡演变行为,以气泡声信号的变化来反映气泡演变对水下湿法焊接电弧燃烧的稳定状态的影响. 结果表明,气泡声信号可以清晰地反映焊接电弧燃烧的各种状态,能对不同气泡演变模式进行分类,并可从中分析其与电弧燃烧特性的对应关系.     

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．     

外加高频纵向磁场作用下的TIG焊电弧数值模拟

基于局部热平衡状态假设,建立外加高频纵向磁场作用下的钨极惰性气体保护焊的电弧稳态三维数值模型.通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程的耦合求解,得到了电弧的温度场、流场和压力场等计算结果.结合法拉第电磁感应定律,考虑时变磁场的电磁感应效应,引入感应电场,解释了高频纵向磁场作用下的电弧收缩现象.结果表明,外加高频纵向磁场感应产生环向电场,形成环向电流,环向电流与外加纵向磁场作用产生径向洛伦兹力,导致电弧收缩.