基于PIC/MCC方法的水下湿法焊接电弧放电等离子体介质击穿机制研究
发布时间：2021-07-13 13:52
水下湿法焊接因其成本低、操作便捷、可适应不同水深的环境要求等优势逐渐成为海洋设施建设及修补工程中必不可少的技术,但在实际焊接过程中,受深水环境的高压与水分解产生的活性粒子成分的影响,焊接电弧极易出现断弧、灭弧以及焊缝质量差等现象,这些现象本质上是由于湿法焊接电弧的击穿机制与陆地干法以及水下干法、局部干法焊接不同,其在水下进行的是一种由液体、气体和杂质组成的复合导电介质下的液体击穿现象,击穿过程涉及多种复杂微粒子态物理化学反应,难以采用常规检测手段探究其击穿特性,相关研究仍处于探索阶段。因此本文采用实验与模拟相结合的方法,从微观粒子学角度深入开展湿法焊接电弧击穿机制的研究,对水下湿法焊接技术的发展具有重要意义。首先,本文基于实验平台进行了水下0.3m,35V、水下0.3m,40V和水下20m,35V条件的湿法焊接电弧击穿实验,采集击穿过程中的光谱以及气泡演化图像,通过分析气泡与电弧的演化过程,探究湿法焊接电弧的产生机理以及电弧等离子体介质击穿的本质,并对比分析调升电压和压力对击穿演化的影响;通过对实验光谱的分析,获取相应三种条件的电弧粒子主成分,并根据玻尔兹曼方程以及Stark展宽法分别...
【文章来源】：华东交通大学江西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
湿法、局部干法和干法焊接方式
稍差，有少量粘渣。通过调整焊条药皮成分制造出的新焊条虽然具有飞溅少，工艺性能好，可连续使用，可极大提高焊缝接头稳定性等优点，但其制造工艺比较复杂，且焊条外表皮容易锈蚀,粉剂易吸潮,因此保存要求严格，难以得到大范围的推广应用。为了提高湿法焊接电弧的稳定性，改善焊接质量，研究人员同样开展了外加设备辅助湿法焊接工艺方法的研究。哈尔滨工业大学的代翔宇[19]采用感应加热辅助湿法焊接工艺，减小焊缝位置的冷却速率，避免焊缝因极冷效应产生淬硬组织，从而改善焊接质量，感应加热辅助水下湿法焊接示意图如图1-2所示。图1-2感应加热辅助水下湿法焊接示意图Fig.1-2PrincipleofInduction-assistedUnderwaterWetWelding
第一章绪论5656.2793)内,其信号相似度为90%,水下信号中存在的顶点656.2793对应的正是氢元素,两组光谱信号里都包含了Fe,Ni,Ti,Cr,F,Si,Mn,N2,N,Ca,CO,CO+和H2O等成分。图1-3空气以及常压水下湿法焊接电弧光谱Fig.1-3ArcWeldingSpectrumofWetWeldinginAirandAtmosphericWater1.2.3液体介质击穿理论研究现状湿法焊接技术的操作环境完全处于水下条件，其击穿机制不同于陆地焊接和水下干法焊接的击穿机制，而是采用液体介质击穿机理，但是由于水下的特殊环境影响，难以采用常规检测手段探究其击穿特性，因此关于液体介质击穿理论的研究并不像气体和固体击穿理论那样成熟。到目前为止，液体介质击穿理论主要有以下三种：一是电子理论，即在极间的强电场作用下，阴极发射的电子能够在短时间内获得较高的动能，并与背景粒子成分发生剧烈的电离碰撞，而由于强电场的存在，导致碰撞后逃逸的电子以及入射电子能够得到比它们之间非弹性碰撞损失的更多的能量，从而迅速达到背景分子或原子的电离阈值，形成持续电离效应，电子倍增速率不断加快，形成击穿领域内的大范围电子崩现象，最终导致液体击穿[31]。电子的发射方式可分为热发射、场致发射、光电发射、二次发射等[32-35]，在湿法焊接中，阴极焊丝的热发射是电弧电子的主要来源。二是气泡击穿理论[36]，即阴极的微尖端处由于欧姆加热效应形成对外热辐射，从而将周围液体组分蒸发成气态，形成低密度气泡区域包裹阴极头部，电子在气泡内能够拥有较长的自由程来进行电场加速，在短时间内使电子动能达到气态背景成分的电离阈值，发生电离碰撞，形成电子崩效应，电子崩不仅能维持气泡区域的高电导率，同时还与端部分子反应，扩展通道并引发新电子崩，循环往复该过程，直至通道连通两电极，实现液体?
【参考文献】：
期刊论文
[1]建设海洋生态文明 助力实现美丽中国[J]. 李庆瑞. 中国生态文明. 2019(04)
[2]中国海洋资源开发现状与海洋综合管理策略[J]. 崔晓菁. 管理观察. 2019(17)
[3]光电阴极光电子发射特性的蒙特卡罗方法研究[J]. 顾礼,李翔,周军兰,杨勤劳,郭宝平. 量子电子学报. 2018(05)
[4]水下湿法焊接技术研究进展[J]. 马云鹤,李志尊,孙立明,韩凤起. 热加工工艺. 2018(17)
[5]基于电弧气泡调控的水下湿法焊接稳定性研究[J]. 王建峰,孙清洁,张顺,刘一搏,冯吉才. 机械工程学报. 2018(14)
[6]海洋石油设备及管道自动焊技术现状及发展前景[J]. 熊月潮. 化工管理. 2017(21)
[7]TiO2对水下湿法焊接熔渣形貌及微观组织的影响[J]. 李海新,杨振林,殷子强,张琳琳. 焊接学报. 2017(04)
[8]奥氏体焊条水下湿法焊接CCSE40钢在海水中的腐蚀电化学行为研究[J]. 白强,邹妍,孔祥峰,高杨,刘岩,董胜. 中国腐蚀与防护学报. 2016(05)
[9]水下焊接技术研究[J]. 曾檑,胡淋翔,苏迎. 山东工业技术. 2016(12)
[10]水下自蔓延焊接技术[J]. 尹玉军,潘传增,苏珊. 焊接学报. 2014(10)
博士论文
[1]电弧等离子体全域数值模拟[D]. 孙强.中国科学技术大学 2019
[2]水中气泡放电的时间分辨影像研究[D]. 涂亚龙.华中科技大学 2017
[3]场致发射阴极微波电子枪模拟与实验研究[D]. 李相坤.清华大学 2015
[4]大气压纳秒脉冲放电等离子体数值模拟与实验研究[D]. 杨晨光.华中科技大学 2013
[5]焊接电弧引燃过程的机理分析[D]. 石里男.北京工业大学 2011
[6]基于旋转电弧传感的水下焊缝成形及自动跟踪的研究[D]. 杜健辉.华南理工大学 2011
[7]射频容性耦合等离子体的两维隐格式PIC/MC模拟[D]. 姜巍.大连理工大学 2010
[8]等离子体喷束及其光谱诊断的研究[D]. 孙殿平.华东师范大学 2008
[9]混粉电火花加工放电机理及工艺研究[D]. 王辉.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]水下湿法药芯焊丝焊接熔滴过渡过程的数值模拟[D]. 邢长健.山东大学 2019
[2]水中气泡放电及产物浓度控制机理研究[D]. 闫利钦.哈尔滨工业大学 2018
[3]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[D]. 张勇.山东大学 2018
[4]纳秒脉冲下液体介质放电特性研究[D]. 张士江.哈尔滨理工大学 2017
[5]GMAW电弧等离子体电流密度及温度场分布测量[D]. 孙鼎昌.哈尔滨工业大学 2017
[6]超声辅助水下湿法焊接电弧稳定性及焊接工艺研究[D]. 程文倩.哈尔滨工业大学 2016
[7]水中脉冲火花放电发射光谱时空演化特性研究[D]. 牛志文.大连理工大学 2016
[8]水中放电等离子体特性及应用研究[D]. 夏华磊.华中科技大学 2016
[9]大气压微尺度流注放电演化的三维粒子模拟研究[D]. 辛璇.山东大学 2016
[10]流速对绝缘油中金属微粒放电的影响机制[D]. 张明君.重庆大学 2016
本文编号：3282182
【文章来源】：华东交通大学江西省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
湿法、局部干法和干法焊接方式
稍差，有少量粘渣。通过调整焊条药皮成分制造出的新焊条虽然具有飞溅少，工艺性能好，可连续使用，可极大提高焊缝接头稳定性等优点，但其制造工艺比较复杂，且焊条外表皮容易锈蚀,粉剂易吸潮,因此保存要求严格，难以得到大范围的推广应用。为了提高湿法焊接电弧的稳定性，改善焊接质量，研究人员同样开展了外加设备辅助湿法焊接工艺方法的研究。哈尔滨工业大学的代翔宇[19]采用感应加热辅助湿法焊接工艺，减小焊缝位置的冷却速率，避免焊缝因极冷效应产生淬硬组织，从而改善焊接质量，感应加热辅助水下湿法焊接示意图如图1-2所示。图1-2感应加热辅助水下湿法焊接示意图Fig.1-2PrincipleofInduction-assistedUnderwaterWetWelding
第一章绪论5656.2793)内,其信号相似度为90%,水下信号中存在的顶点656.2793对应的正是氢元素,两组光谱信号里都包含了Fe,Ni,Ti,Cr,F,Si,Mn,N2,N,Ca,CO,CO+和H2O等成分。图1-3空气以及常压水下湿法焊接电弧光谱Fig.1-3ArcWeldingSpectrumofWetWeldinginAirandAtmosphericWater1.2.3液体介质击穿理论研究现状湿法焊接技术的操作环境完全处于水下条件，其击穿机制不同于陆地焊接和水下干法焊接的击穿机制，而是采用液体介质击穿机理，但是由于水下的特殊环境影响，难以采用常规检测手段探究其击穿特性，因此关于液体介质击穿理论的研究并不像气体和固体击穿理论那样成熟。到目前为止，液体介质击穿理论主要有以下三种：一是电子理论，即在极间的强电场作用下，阴极发射的电子能够在短时间内获得较高的动能，并与背景粒子成分发生剧烈的电离碰撞，而由于强电场的存在，导致碰撞后逃逸的电子以及入射电子能够得到比它们之间非弹性碰撞损失的更多的能量，从而迅速达到背景分子或原子的电离阈值，形成持续电离效应，电子倍增速率不断加快，形成击穿领域内的大范围电子崩现象，最终导致液体击穿[31]。电子的发射方式可分为热发射、场致发射、光电发射、二次发射等[32-35]，在湿法焊接中，阴极焊丝的热发射是电弧电子的主要来源。二是气泡击穿理论[36]，即阴极的微尖端处由于欧姆加热效应形成对外热辐射，从而将周围液体组分蒸发成气态，形成低密度气泡区域包裹阴极头部，电子在气泡内能够拥有较长的自由程来进行电场加速，在短时间内使电子动能达到气态背景成分的电离阈值，发生电离碰撞，形成电子崩效应，电子崩不仅能维持气泡区域的高电导率，同时还与端部分子反应，扩展通道并引发新电子崩，循环往复该过程，直至通道连通两电极，实现液体?
【参考文献】：
期刊论文
[1]建设海洋生态文明 助力实现美丽中国[J]. 李庆瑞. 中国生态文明. 2019(04)
[2]中国海洋资源开发现状与海洋综合管理策略[J]. 崔晓菁. 管理观察. 2019(17)
[3]光电阴极光电子发射特性的蒙特卡罗方法研究[J]. 顾礼,李翔,周军兰,杨勤劳,郭宝平. 量子电子学报. 2018(05)
[4]水下湿法焊接技术研究进展[J]. 马云鹤,李志尊,孙立明,韩凤起. 热加工工艺. 2018(17)
[5]基于电弧气泡调控的水下湿法焊接稳定性研究[J]. 王建峰,孙清洁,张顺,刘一搏,冯吉才. 机械工程学报. 2018(14)
[6]海洋石油设备及管道自动焊技术现状及发展前景[J]. 熊月潮. 化工管理. 2017(21)
[7]TiO2对水下湿法焊接熔渣形貌及微观组织的影响[J]. 李海新,杨振林,殷子强,张琳琳. 焊接学报. 2017(04)
[8]奥氏体焊条水下湿法焊接CCSE40钢在海水中的腐蚀电化学行为研究[J]. 白强,邹妍,孔祥峰,高杨,刘岩,董胜. 中国腐蚀与防护学报. 2016(05)
[9]水下焊接技术研究[J]. 曾檑,胡淋翔,苏迎. 山东工业技术. 2016(12)
[10]水下自蔓延焊接技术[J]. 尹玉军,潘传增,苏珊. 焊接学报. 2014(10)
博士论文
[1]电弧等离子体全域数值模拟[D]. 孙强.中国科学技术大学 2019
[2]水中气泡放电的时间分辨影像研究[D]. 涂亚龙.华中科技大学 2017
[3]场致发射阴极微波电子枪模拟与实验研究[D]. 李相坤.清华大学 2015
[4]大气压纳秒脉冲放电等离子体数值模拟与实验研究[D]. 杨晨光.华中科技大学 2013
[5]焊接电弧引燃过程的机理分析[D]. 石里男.北京工业大学 2011
[6]基于旋转电弧传感的水下焊缝成形及自动跟踪的研究[D]. 杜健辉.华南理工大学 2011
[7]射频容性耦合等离子体的两维隐格式PIC/MC模拟[D]. 姜巍.大连理工大学 2010
[8]等离子体喷束及其光谱诊断的研究[D]. 孙殿平.华东师范大学 2008
[9]混粉电火花加工放电机理及工艺研究[D]. 王辉.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]水下湿法药芯焊丝焊接熔滴过渡过程的数值模拟[D]. 邢长健.山东大学 2019
[2]水中气泡放电及产物浓度控制机理研究[D]. 闫利钦.哈尔滨工业大学 2018
[3]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[D]. 张勇.山东大学 2018
[4]纳秒脉冲下液体介质放电特性研究[D]. 张士江.哈尔滨理工大学 2017
[5]GMAW电弧等离子体电流密度及温度场分布测量[D]. 孙鼎昌.哈尔滨工业大学 2017
[6]超声辅助水下湿法焊接电弧稳定性及焊接工艺研究[D]. 程文倩.哈尔滨工业大学 2016
[7]水中脉冲火花放电发射光谱时空演化特性研究[D]. 牛志文.大连理工大学 2016
[8]水中放电等离子体特性及应用研究[D]. 夏华磊.华中科技大学 2016
[9]大气压微尺度流注放电演化的三维粒子模拟研究[D]. 辛璇.山东大学 2016
[10]流速对绝缘油中金属微粒放电的影响机制[D]. 张明君.重庆大学 2016
本文编号：3282182
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