水下湿法药芯焊丝焊接过程熔滴过渡、气泡行为以及焊缝成形的研究

发布时间：2020-06-11 13:45

【摘要】：海洋资源的开发对于缓解能源危机有着重要意义,海上开采工程等建设项目日益增多,这类项目与水下焊接技术紧密联系。水下湿法药芯焊丝焊接(flux-cored arc welding,FCAW)具有方便操作、高效率、低成本等诸多优点,是水下焊接发展的重要发展方向之一。由于水下环境的特殊影响,湿法焊接过程中熔滴过渡主要以低频率、非轴向的大滴排斥过渡和表面张力过渡为主;气泡行为对焊接电弧和熔滴过渡具有重要影响,但其规律尚不明确,这些都对获得稳定焊接过程和良好焊缝成形造成了严重制约。本文通过视觉检测的手段对熔滴过渡、气泡行为以及对焊缝成形的影响规律进行了研究,并提出相应的优化措施,有效改善了水下湿法焊接稳定性和焊缝成形。通过尝试不同光路以及不同的拍摄仪器,设计了一种水下湿法焊接熔滴过渡图像拍摄的方法。根据此方法获得的图片包含了清晰的熔滴、电弧、气泡等信息,结合同步采集的电信号,分析认为表面张力过渡不利于水下湿法焊接的稳定性。并且较全面地分析了水环境条件下的熔滴、电弧、气泡等相互之间的作用。为研究者们更全面,更清晰的认识湿法熔滴过渡提供了依据。由于水下电弧受压缩以及水环境的激冷作用,水下焊道深宽比更大,并且由于熔滴过渡以大滴排斥为主,焊缝不对称且形貌不均匀。水下湿法焊接的熔滴过渡形式促进了飞溅的产生,利用水下飞溅不易粘附母材的特点,计算了水下湿法焊接不同参数条件下的飞溅率。发现突然增加的排斥力和气泡的周期性行为会促进排斥型飞溅的生成,较小气泡内压力的突然增加是产生爆炸式飞溅的主要原因。主气泡周期性的生长、上浮会将脱离气泡的飞溅向内拉或者直接吞并附近刚逃离的飞溅,使得水下湿法焊接飞溅聚集在焊道两侧。飞溅的聚集使得焊道更容易出现焊瘤,凹陷等缺陷,通过选取合适的参数保证焊接过程的稳定以及较大的焊接电流能够有效的降低飞溅的产生量。湿法焊接过程中,气泡的行为对于电弧的燃烧、熔滴的过渡、熔池的冷却有着重要的影响。研究了湿法焊接过程中气泡的形状、分类以及与电参数之间的关系。在选定参数条件下,气泡的最大直径呈正态分布。提升焊接电流能够有效的提升气泡的最大直径,但随着焊接电流的增大,更大的焊接电流带来的气泡体积上的增益效果减小。为解决湿法焊缝普遍存在渣覆盖差,表面不平整的问题,提出采用了气体辅助的方式,将焊接过程中弧柱区域气泡的体积提升为普通湿法焊接的三倍,获得的焊缝渣覆盖和表面平整度都有了明显的提升。由于气泡内特殊受力机制的影响,恒压模式下水下湿法焊接难以获得理想的小尺寸和高频率的熔滴过渡模式。提出利用脉冲焊接电流改变熔滴受力条件的新思路。设计了脉冲焊接电流波形以及弧长控制方案,编译了基于LabVIEW的采集控制程序,该程序实现了预设脉冲焊接电流波形的输出,保证了脉冲水下湿法药芯焊丝焊接过程的稳定性。采集到的电信号和视觉信号表明,脉冲模式下熔滴过渡形式更单一更有利于进一步的优化熔滴过渡,观察到的熔滴尺寸均小于5 mm,小于恒压模式下的熔滴。脉冲模式下短熄弧的频率大大降低,其电弧的稳定性也有了较为明显的提升。
【图文】：

参数范围内（２４Ｖ？４６Ｖ，邋２３７Ａ－４４０Ａ）熔滴的过渡形式进行了分类。认为主要有逡逑四种熔滴过渡形式：大滴排斥过渡，表面张力过渡，爆炸短路过渡以及潜弧过渡，逡逑如图１－３所示。郭宁等人发现熔滴过渡在不同参数下通常是复合的，不稳定的［１６］，逡逑该研宄较为全面的揭示了水下湿法焊接过程中各电参数条件下熔滴的形式，但是逡逑由于其提供的图片缺乏电弧，气泡等信息，针对熔滴相关的分析也没有考虑这些逡逑因素，对于熔滴过渡依然缺乏更加全面、深入的分析。逡逑ＨＨＨＨＨ逡逑ｔ－＾１６４２０邋ｓ逦一邋ｔＨ）．＜＞６１５ｓ逦ｔ：邋．０谈？Ｄ邋ｓ逦１逡逑ｍｍｍ逡逑卜０．７５１５．Ｓ逡逑图１－３邋Ｘ射线背景光源条件下获得的水下湿法焊接过程中大滴排斥过渡（上）和表面张力逡逑过渡（下）的图像［１５］逡逑４逡逑

参数范围内（２４Ｖ？４６Ｖ，邋２３７Ａ－４４０Ａ）熔滴的过渡形式进行了分类。认为主要有逡逑四种熔滴过渡形式：大滴排斥过渡，，表面张力过渡，爆炸短路过渡以及潜弧过渡，逡逑如图１－３所示。郭宁等人发现熔滴过渡在不同参数下通常是复合的，不稳定的［１６］，逡逑该研宄较为全面的揭示了水下湿法焊接过程中各电参数条件下熔滴的形式，但是逡逑由于其提供的图片缺乏电弧，气泡等信息，针对熔滴相关的分析也没有考虑这些逡逑因素，对于熔滴过渡依然缺乏更加全面、深入的分析。逡逑ＨＨＨＨＨ逡逑ｔ－＾１６４２０邋ｓ逦一邋ｔＨ）．＜＞６１５ｓ逦ｔ：邋．０谈？Ｄ邋ｓ逦１逡逑ｍｍｍ逡逑卜０．７５１５．Ｓ逡逑图１－３邋Ｘ射线背景光源条件下获得的水下湿法焊接过程中大滴排斥过渡（上）和表面张力逡逑过渡（下）的图像［１５］逡逑４逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG456.5

【参考文献】

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本文编号：2707994