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高压环境焊接电弧特性及熔滴过渡行为研究

作　者: 赵华夏
导　师: 焦向东
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 高压环境焊接电弧熔滴过渡数值模拟纵向磁场焊接过程信息
分类号: TG444
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

进入新世纪以来,我国海洋石油发展迅猛,而海洋石油平台的水下部分、海底管道等水下结构物的修复需要广泛地使用水下焊接技术。熔焊法对于深水输油管线的安装以及修复都具有潜在的优势。焊接工艺特性决定了其是结构物修复和水下操作的最佳选择。而水下高压环境对焊接电弧及熔滴过渡行为将产生重要影响。要实现高压环境下熔焊工艺的可靠实施,则必须对高压环境下的电弧及熔滴过渡行为进行深入研究。本文利用已有的高压焊接实验舱,自主搭建焊接过程多信息同步采集系统,对高压环境下的脉冲MIG焊接电弧及熔滴过渡行为进行了深入研究,对外加纵向磁场作用下的TIG及MIG焊接过程进行了理论及实验分析,论证了外加纵向磁场对于改善高压环境焊接过程的可行性。具体的研究工作如下：1、设计制作了高速摄像机保护装置,成功实现了高速摄像机在高压环境下的图像采集,并且实现了高速图像数据的稳定穿舱传输。利用高压环境焊接过程多信息同步采集系统,实现了高压环境下焊接过程高速图像、电弧电压及焊接电流的真正意义上的同步分析。编写了高压环境焊接过程多信息同步显示、采集、分析程序。通过一定的算法,实现了对采集到的电信号和高速图像信号的自动同步显示,大大简化了实验数据分析过程,提高了实验效率。2、利用有限元分析软件,对高压环境下焊接电弧物理特性进行有限元分析,研究环境压力的升高对于焊接电弧温度、电子密度、等离子流速等物理参数的影响。并首次将焊接电弧看作等离子体,分析电弧弧柱区氩离子密度的分布情况。3、对高压环境下的MIG焊接过程进行研究,利用高压环境高速摄像系统对高压环境下脉冲MIG焊接熔滴过渡行为进行研究,从而更加直观的了解高压环境下MIG焊接工艺的可行性及改进措施。研究表明,高压环境下脉冲MIG焊接过程中电弧形态受到高压气氛的冷却压缩作用,这一方面使得熔滴过渡时机提前,另一方面降低了维弧阶段电弧的稳定性,这增加了脉冲再燃弧的难度,从而使得脉冲起弧失败率提高,甚至导致维护阶段的熄弧现象发生。4、开展高压环境MIG焊接过程中,反向等离子流现象对于焊接过程的影响研究。研究发现,反向等离子流的强度随着焊接电流强度的增大而减弱,0.3MPa压力环境下,当焊接电流大于300A时,反向等离子流就已经被湮没,从而可以实现熔滴的稳定过渡。研究还发现阳极射流与阴极射流往往并不同轴,这种不同轴现象对于稳定焊接过程来说是一种有利行为。因为这将有效避免反向等离子流对于熔滴过渡的阻碍作用。对高压环境下反向等离子流的研究为将来在国内开展干式高压MIG焊接建立了重要的理论基础。5、利用高速摄像系统对外加纵向磁场下的直流TIG焊接电弧进行研究,进一步揭示外加纵向磁场对电弧行为的影响方式。研究发现常压环境下直流TIG纵向磁控电弧为封闭的空心圆锥体,而高压环境下由于环境气氛冷却效果的加强,纵向磁控电弧难以形成封闭的空心圆锥体,其形态为螺旋曲线。电压波形主要表现为电弧旋转产生的波动,这种波动表现为周期性,而不再是普通高压环境下TIG焊接电弧电信号的无规律波动。这使得TIG焊接电弧的运动行为变得更加可控,提高了电弧的稳定性,而电弧运动行为的稳定一方面降低了对焊接电源的性能要求,另一方面改善了焊缝成形。因此,在高压环境TIG焊接过程中施加纵向磁场是降低焊接成本,提高焊接质量的有效方法。6、利用高速摄像系统对外加纵向磁场下的脉冲MIG焊接过程进行研究。研究证明外加纵向磁场对于高压环境脉冲MIG焊接峰值阶段的阴极等离子射流具有一定的抑制作用。本文通过有限元分析以及实验研究等手段对高压环境下的焊接过程进行了深入研究,为干式高压MIG焊接将来在国内海洋石油及其它领域的应用奠定了重要的理论基础。

全文目录

学位论文数据集  3-4
摘要  4-7
ABSTRACT  7-18
第一章绪论  18-41
  1.1 课题研究目的及意义  18-19
  1.2 高压环境焊接过程的特点  19-21
    1.2.1 稳定性  19-20
    1.2.2 极性  20-21
    1.2.3 工艺操作  21
  1.3 国外研究现状  21-40
    1.3.1 国外在深水高压环境材料连接领域的探索  21-25
    1.3.2 国外在高压环境焊接工艺的研究进展  25-32
    1.3.3 高压环境下的焊接电弧研究  32-36
    1.3.4 高压环境焊接电弧及熔池的观测  36-40
  1.4 本文的主要研究内容  40-41
第二章高压环境焊接过程实验系统  41-55
  2.1 高压环境焊接过程实验系统总体设计  41-42
  2.2 焊接实验平台的搭建  42-43
    2.2.1 实验用焊接电源的选择  42
    2.2.2 平板焊接实验平台  42-43
  2.3 高速图像采集系统的搭建  43-48
    2.3.1 图像采集光路的搭建  43-45
    2.3.2 高速摄像机保护装置的设计  45-48
  2.4 焊接过程多信息同步采集系统的搭建  48-52
  2.5 实验软件系统的开发  52-54
  2.6 本章小结  54-55
第三章高压环境焊接电弧行为的仿真研究  55-75
  3.1 电弧等离子体数学模型的建立  55-59
    3.1.1 基本假设  55
    3.1.2 控制方程  55-57
    3.1.3 氩元素等离子体的物理参数  57
    3.1.4 电弧等离子体模型网格的划分  57-59
    3.1.5 有限元仿真软件的选择  59
  3.2 高压环境TIG电弧模拟分析结果  59-72
    3.2.1 环境压力对电弧等离子流速度分布的影响  59-61
    3.2.2 环境压力对电弧内部压力分布的影响  61
    3.2.3 环境压力对电弧温度场分布的影响  61-63
    3.2.4 环境压力对电弧电子温度的影响  63-67
    3.2.5 环境压力对电弧电子密度的影响  67-68
    3.2.6 环境压力对电弧电压分布的影响  68-70
    3.2.7 环境压力对电弧区氩原子、氩离子密度分布的影响  70-72
  3.3 本章小结  72-75
第四章高压环境脉冲MIG焊接过程研究  75-129
  4.1 实验用脉冲MIG焊接电源在0.1MPa(常压)压力环境下的工作特性分析  75-91
    4.1.1 实验用脉冲MIG焊接电源波形及熔滴过渡行为分析  75-78
    4.1.2 脉冲MIG焊接过程不稳定性分析  78-91
  4.2 高压环境下的脉冲MIG焊接行为研究  91-121
    4.2.1 0.3MPa压力环境下脉冲MIG焊接行为研究  92-97
    4.2.2 0.3MPa压力环境下反向等离子流现象  97-100
    4.2.3 脉冲结束阶段反向等离子流对熔滴过渡的危害  100-103
    4.2.4 0.5MPa压力环境下脉冲MIG焊接行为研究  103-112
    4.2.5 0.7MPa压力环境下脉冲MIG焊接行为研究  112-121
  4.3 不同压力环境下脉冲MIG焊接性能对比  121-127
  4.4 本章小结  127-129
第五章外加纵向磁场对高压环境焊接电弧作用的实验研究  129-156
  5.1 外加纵向磁场发生装置的设计  130-132
    5.1.1 励磁线圈的设计  130
    5.1.2 励磁电源的选择  130-131
    5.1.3 磁场检测装置  131-132
  5.2 外加纵向磁场作用下的焊接电弧行为数值分析  132-138
    5.2.1 数学模型的建立  132-135
    5.2.2 计算结果与分析  135-138
  5.3 常压环境纵向磁场作用下电弧形态的实验研究  138-139
  5.4 常压环境纵向磁场作用下的电弧电特性研究  139-142
  5.5 环境压力对直流TIG焊接电弧行为的影响  142-144
  5.6 0.7MPa高压环境下纵向磁场对电弧行为的影响  144-146
    5.6.1 电弧形态  144-145
    5.6.2 电弧电压特性  145-146
  5.7 纵向磁场对直流TIG焊接行为影响的结果讨论  146-150
  5.8 外加纵向磁场对高压MIG焊接行为的影响  150-154
  5.9 本章小结  154-156
第六章结论  156-158
参考文献  158-165
致谢  165-166
研究成果及发表的学术论文  166-167
作者和导师简介  167-168
北京化工大学博士研究生学位论文答辩委员会决议书  168-169

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