超声辅助水下湿法焊接电弧气泡行为及焊接特性研究
发布时间：2021-10-08 12:19
水下湿法焊接（Underwater wet welding,UWW）因具有成本低、操作简单及适用能力强等优点,在水下海洋结构件建造与维修中获得了广泛应用。在UWW过程中,电弧周围营造的局部气相区,称为电弧气泡。由于电弧气泡与周围水介质的相互作用,其动态行为会影响电弧稳定性,进而将直接决定焊接过程质量,所以如何改善电弧气泡动态行为是UWW稳定施焊的重中之重。鉴于功率超声在焊接领域广泛应用,利用其特有的声学特性来影响焊接过程具有很好的发展潜力。因此,本文从电弧气泡行为研究的角度出发,提出超声辅助水下湿法焊接（Ultrasonic wave-assisted UWW,U-UWW）这一新方法,通过声辐射力控制电弧气泡动态变化来保证焊接过程稳定性。文中依次分析声场作用下气泡演变过程、电弧稳定性及焊缝成形的变化规律,结合空间声场模拟结果,详细地探讨超声的引入对电弧气泡的影响,揭示电弧气泡的改变对电弧稳定性及熔滴过渡行为的影响机制,并从热过程变化的角度,阐明U-UWW接头性能的改善作用。本文的研究不仅为实现声调控气泡技术提供理论基础,还对提升水下焊接质量具有重要意义。分析了常规UWW和U-UWW电弧...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同涂覆材料成分下快速傅里叶变换频谱分析
哈尔滨工业大学工学博士学位论文间的关系，开发了稳定性指数作为新的评价指标。相类似地，华南理永华等人[38]提出电弧电压变异系数的倒数可以用来衡量电弧稳定性，不错的稳定性评价效果。研究结果表明，在浅水中施焊时电弧稳定性电流的增加而变差，而随着电弧电压的增加而呈现增强的趋势。哈尔学郭宁等人[39]则以电流电压变异系数来表征电弧稳定性，研究了电弧化对电流电压变异系数的影响。发现在电弧电压为 32V 时存在电流电数极小值，并从熔滴过渡特点和气泡保护效果两方面阐述了电弧电压电弧稳定性所起到的作用。在此基础上，通过电流电压周期图的方式同硼酸浓度对电弧稳定性的影响。结果如图 1-2 所示，每个周期图中区域，即短路区、熄弧区及电弧稳定燃烧区。随着硼酸浓度的增加，燃烧区域变得更加分散，而短路区和熄弧区工作点的强度显著增强，短路区和熄弧区的比例增加[40]。山东大学胡家琨等人[41]通过将电弧电与其平均值差值的分布频率和焊接过程稳定性指数有机结合，可以很WW 过程的电弧稳定性进行直观比较和定量评价。
需要对熔滴的形状尺寸、演变过程、过渡稳定性等进行更深入的研究。研究 UWW 熔滴过渡过程，首先要解决的是熔滴过渡视觉成像的问题。由于 UWW 的特殊性，很容易在焊接区域产生大量气泡导致周围水环境的扰动，从而使成像系统的背光光路产生折射和反射，若采用陆上高速摄像系统则无法清晰成像；另外，由于熔滴被外部气泡包围并伴随着大量烟尘产生，这也给熔滴图像采集带来了困难。因此，在先前的研究中主要是基于电信号特征对 UWW熔滴过渡行为进行表征，从波形上阐述熔滴过渡过程的部分现象。张琳琳等人[48]通过研究电信号波形的方式考察了预涂水玻璃对 UWW 短路过程的影响。如图 1-3 所示，研究发现在小电流情况下，加入预热水玻璃会增加熔滴过渡的短路次数和时间，并且减小断弧频率。但是增大电流后，短路频率呈现降低的趋势。Mazzaferro 等人[36]采用同样的方式研究了不同成分焊条和焊接水深对焊接过程中短路次数和时间的影响。当焊接水深从 5m 增加到 12.5m时，不同成分的焊条都观察到短路次数明显减少，在水深 12.5m~20m 之间，一些成分的焊条保持了这一趋势，而另一些则显示出短路次数小幅度增加。在这里还可以看到添加 CaCO3的焊条出现了少量的短路过程。
【参考文献】：
期刊论文
[1]固定式排水罩水下局部干法CO2气体保护焊焊接工艺优化及接头性能分析[J]. 张帅锋,程方杰,王东坡,国洪伟,许威. 焊接学报. 2018(09)
[2]基于超声搅拌的铝合金焊缝晶粒细化方法[J]. 袁涛,陈树君,罗震,张禹. 焊接学报. 2018(05)
[3]预涂水玻璃对水下湿法焊接过程影响规律及其机理[J]. 张琳琳,殷子强,李海新,杜永鹏,周耀强,黄哲华,马子罡. 焊接. 2018(01)
[4]液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究[J]. 吴文华,翟薇,胡海豹,魏炳波. 物理学报. 2017(19)
[5]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[J]. 郭伟,郭宁,杜永鹏,王甫,冯吉才. 焊接学报. 2016(10)
[6]高压环境下CMT焊接电弧行为及焊缝性能[J]. 黄继强,薛龙,黄军芬,邹勇,牛虎理,唐德渝. 金属学报. 2016(01)
[7]水下湿法焊条电弧焊接过程稳定性评价[J]. 胡家琨,武传松,贾传宝. 焊接学报. 2013(05)
[8]水下湿法药芯焊丝焊接电弧稳定性[J]. 石永华,郑泽培,黄晋. 焊接学报. 2012(10)
[9]水下湿法焊接等离子成分计算[J]. 李志刚,张华,贾剑平. 焊接学报. 2009(04)
[10]干式高压环境对TIG焊接电弧温度的影响[J]. 赵华夏,焦向东. 焊接学报. 2008(11)
博士论文
[1]超声—电弧等离子体作用机制及焊接特性研究[D]. 谢伟峰.哈尔滨工业大学 2016
[2]水中气泡图像处理方法及运动特性研究[D]. 王红一.天津大学 2011
[3]高压环境焊接电弧特性及熔滴过渡行为研究[D]. 赵华夏.北京化工大学 2010
[4]超声—TIG电弧复合焊接方法及电弧行为研究[D]. 孙清洁.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]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
[2]水下药芯焊丝湿法焊接熔滴过渡行为研究[D]. 付云龙.哈尔滨工业大学 2017
[3]超声振动辅助穿孔等离子弧焊工艺及其机理的研究[D]. 赵晨昱.山东大学 2017
[4]硼酸环境对水下湿法焊接过程及质量的影响研究[D]. 郭伟.哈尔滨工业大学 2015
[5]水下焊接电弧温度的光谱诊断研究[D]. 杨乾铭.华南理工大学 1996
本文编号：3424145
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：168 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同涂覆材料成分下快速傅里叶变换频谱分析
哈尔滨工业大学工学博士学位论文间的关系，开发了稳定性指数作为新的评价指标。相类似地，华南理永华等人[38]提出电弧电压变异系数的倒数可以用来衡量电弧稳定性，不错的稳定性评价效果。研究结果表明，在浅水中施焊时电弧稳定性电流的增加而变差，而随着电弧电压的增加而呈现增强的趋势。哈尔学郭宁等人[39]则以电流电压变异系数来表征电弧稳定性，研究了电弧化对电流电压变异系数的影响。发现在电弧电压为 32V 时存在电流电数极小值，并从熔滴过渡特点和气泡保护效果两方面阐述了电弧电压电弧稳定性所起到的作用。在此基础上，通过电流电压周期图的方式同硼酸浓度对电弧稳定性的影响。结果如图 1-2 所示，每个周期图中区域，即短路区、熄弧区及电弧稳定燃烧区。随着硼酸浓度的增加，燃烧区域变得更加分散，而短路区和熄弧区工作点的强度显著增强，短路区和熄弧区的比例增加[40]。山东大学胡家琨等人[41]通过将电弧电与其平均值差值的分布频率和焊接过程稳定性指数有机结合，可以很WW 过程的电弧稳定性进行直观比较和定量评价。
需要对熔滴的形状尺寸、演变过程、过渡稳定性等进行更深入的研究。研究 UWW 熔滴过渡过程，首先要解决的是熔滴过渡视觉成像的问题。由于 UWW 的特殊性，很容易在焊接区域产生大量气泡导致周围水环境的扰动，从而使成像系统的背光光路产生折射和反射，若采用陆上高速摄像系统则无法清晰成像；另外，由于熔滴被外部气泡包围并伴随着大量烟尘产生，这也给熔滴图像采集带来了困难。因此，在先前的研究中主要是基于电信号特征对 UWW熔滴过渡行为进行表征，从波形上阐述熔滴过渡过程的部分现象。张琳琳等人[48]通过研究电信号波形的方式考察了预涂水玻璃对 UWW 短路过程的影响。如图 1-3 所示，研究发现在小电流情况下，加入预热水玻璃会增加熔滴过渡的短路次数和时间，并且减小断弧频率。但是增大电流后，短路频率呈现降低的趋势。Mazzaferro 等人[36]采用同样的方式研究了不同成分焊条和焊接水深对焊接过程中短路次数和时间的影响。当焊接水深从 5m 增加到 12.5m时，不同成分的焊条都观察到短路次数明显减少，在水深 12.5m~20m 之间，一些成分的焊条保持了这一趋势，而另一些则显示出短路次数小幅度增加。在这里还可以看到添加 CaCO3的焊条出现了少量的短路过程。
【参考文献】：
期刊论文
[1]固定式排水罩水下局部干法CO2气体保护焊焊接工艺优化及接头性能分析[J]. 张帅锋,程方杰,王东坡,国洪伟,许威. 焊接学报. 2018(09)
[2]基于超声搅拌的铝合金焊缝晶粒细化方法[J]. 袁涛,陈树君,罗震,张禹. 焊接学报. 2018(05)
[3]预涂水玻璃对水下湿法焊接过程影响规律及其机理[J]. 张琳琳,殷子强,李海新,杜永鹏,周耀强,黄哲华,马子罡. 焊接. 2018(01)
[4]液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究[J]. 吴文华,翟薇,胡海豹,魏炳波. 物理学报. 2017(19)
[5]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[J]. 郭伟,郭宁,杜永鹏,王甫,冯吉才. 焊接学报. 2016(10)
[6]高压环境下CMT焊接电弧行为及焊缝性能[J]. 黄继强,薛龙,黄军芬,邹勇,牛虎理,唐德渝. 金属学报. 2016(01)
[7]水下湿法焊条电弧焊接过程稳定性评价[J]. 胡家琨,武传松,贾传宝. 焊接学报. 2013(05)
[8]水下湿法药芯焊丝焊接电弧稳定性[J]. 石永华,郑泽培,黄晋. 焊接学报. 2012(10)
[9]水下湿法焊接等离子成分计算[J]. 李志刚,张华,贾剑平. 焊接学报. 2009(04)
[10]干式高压环境对TIG焊接电弧温度的影响[J]. 赵华夏,焦向东. 焊接学报. 2008(11)
博士论文
[1]超声—电弧等离子体作用机制及焊接特性研究[D]. 谢伟峰.哈尔滨工业大学 2016
[2]水中气泡图像处理方法及运动特性研究[D]. 王红一.天津大学 2011
[3]高压环境焊接电弧特性及熔滴过渡行为研究[D]. 赵华夏.北京化工大学 2010
[4]超声—TIG电弧复合焊接方法及电弧行为研究[D]. 孙清洁.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]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
[2]水下药芯焊丝湿法焊接熔滴过渡行为研究[D]. 付云龙.哈尔滨工业大学 2017
[3]超声振动辅助穿孔等离子弧焊工艺及其机理的研究[D]. 赵晨昱.山东大学 2017
[4]硼酸环境对水下湿法焊接过程及质量的影响研究[D]. 郭伟.哈尔滨工业大学 2015
[5]水下焊接电弧温度的光谱诊断研究[D]. 杨乾铭.华南理工大学 1996
本文编号：3424145
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