（化工过程机械专业论文）高压环境下焊接电弧形态研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t g 4 0 3 学科分类号 5 3 0 3 1 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 0 13 6 3密级 公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王春健学号 2 0 0 8 0 0 13 6 3 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源国家自然基金研究方向焊接 论文题目高压环境下焊接电弧形态研究 关键词干式高压焊接，焊接电弧形态，纵向磁场影响，焊接数值模拟 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 3奉论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 焦向东教授北京石油化工学院焊接 评阅人l周灿丰 教授 北京石油化工学院焊接 评阅人2陈树君教授北京工业大学焊接 评阅人3 评阅人4 评阅人5 懒员糊王奎升教授 北京化工大学机电一体化 答辩委员1车俊铁教授 北京石油化工学院机械设计及理论 答辩委员2俞建荣 教授北京石油化工学院焊接自动化 答辩委员3 刘录教授北京石油化工学院流体密封技术 答辩委员4曹建树副教授 北京石油化工学院机电一体化 答辩委员5 注：一 四 论文类型：1 基础研究 2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 f i l l 高压环境下焊接电弧形态研究 摘要 随着全球陆地资源的不断消耗，海洋成为人们获取能源的新渠道，而 海洋油气的开采则显得尤为重要。近些年我国海洋结构快速增加，对深水 结构物修复技术的需求也越来越大。熔焊法因其应用范围广泛成为了近些 年最常用的水下焊接技术，大多数的研究都是围绕熔焊法进行。 而水下高压环境会对焊接电弧和焊接过程造成影响，要获得可以工业 应用的焊接工艺，就必须对高压焊接电弧有深入的了解和研究。 本文利用已有的高压焊接实验舱和己搭建好的焊接过程多信息同步 采集系统以及高速摄像系统，对高压环境下的t i g 焊和脉冲m i g 焊电弧 形态进行了深入的研究和对比分析，对纵向磁场作用下的t i g 焊和m i g 焊电弧形态进行了理论及实验分析，讨论了环境压力和纵向磁场对高压焊 接过程的影响。 实验研究表明：( 1 ) 随着环境压力升高，t i g 和m i g 电弧都收缩， 稳定性变差。m i g 电弧还会出现弧长变短的问题，这个问题可以通过适 当增加焊接电压来改善。这个方法在常压和高压情况下都是成立的，但在 较高压力如o 7 m p a 下，其作用变得不明显。( 2 ) 常压环境下施加纵向磁 场后，t i g 电弧由钟罩状过渡为对称的圆锥状，且随着磁场强度的增大， 电弧锥角增大，电弧阳极区中心亮度减小；高压环境下施加纵向磁场后， 电弧做螺旋运动，稳定性提高。( 3 ) 高压环境下提高磁场强度会使m i g - - i 电弧弧长增加，起到和提高电压类似的效果；磁场作用会使高压m i g 焊 接过程中频繁出现熄弧，对焊接过程造成严重影响。因此不建议把纵向磁 场应用在高压脉冲m i g 焊中。 还根据有限元分析软件，总结前人经验，建立了新的数学模型，并分 别就环境压力对t i g 电弧的影响、纵向磁场对常压t i g 电弧和高压t i g 电弧的影响进行了分析研究，以求对试验结果进行验证，并指导试验方向。 二者对电弧的影响包括电弧温度和电子温度、电弧等离子流速、电子密度 和弧压等方面的变化情况。 本文对1 0 m p a 以下不同压力情况下的t i g 电弧进行了详尽的仿真计 算，这在国内尚属首次，从而为干式高压焊接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。 关键词：干式高压焊接，焊接电弧形态，纵向磁场影响，焊接数值模拟 - j l 北京化丁人学硕f ：学位论文 r e s e a r c ho nt h ea r cs h a p eu n d e rh i g ha i r a m b i e n tp r e s s u r e a b s t r a c t w i t ht h eg l o b a lc o n t i n u e dc o n s u m p t i o no fl a r l dr e s o u r c e s ，i th a sb e c o m e t h ea l t e m a t i v eo fe x p l o r i n gt h eo c e a n i nr e c e n ty e a r sc h i n a f s r 印a i r i n g d e m a n do fd e 印w a t e rs t m c t u r ei n c r e a s ew i t ht h er a 枷dg r o w i n go fm a r i n e s t m c t l l r e s p u d d l ew e l d i n gb e c o m e st h em o s tw i d e s p r e a du n d e r w a t e rw e l d i n g t e c h n 0 1 0 9 yf o ri t s w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n ，a n dm o s ts t u d i e sf o c u s e so n p u d d l ew e l d i n g b u tt h eh i g hp r e s s u r eo fu n d e n a t e rw i l l a f r e c tm ew e l d i n ga r ca n d w e l d i n gp r o c e d u r e ，a n di fw ew a n tt oo b t a i nt h ew e l d i n gp r o c e s sw h i c hc a nb e u s e di ni n d u s t r i a lp r a c t i c e ，w em u s tl ( 1 1 0 wm o r ea b o u t h y p e r b 撕cw e l d i n ga r c t h e p 印e rh a ss m d i e dt h ea r cs h 印eo f h y p e r b a r i ct i gw e l d i n g ，h y p e r b 撕c p u l s e dm i gw e l d i n ga n dm a g n e t i cw e l d i n gi n d 印t hw i t ht h eh e l po f h y p e r b a r i cw e l d i n gr e s e a r c ht e s t i n gc h a m b e r ，s y n c h r o n o u sm u l t i i n f o m a t i o n a c q u i s i t i o ns y s t e ma n dh i g h s p e e dc a m e r as y s t e mw h i c hw e r eb u i l tp r e v i o u s l y ， t h ep 印e ra l s od i s c u s s e dm ee f r e c to fp r e s s u r ea n d 1 0 n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d f o rm eh y p e r b 撕cw e l d i n gp r o c e d l l r e e x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a t ： i i i 一0 i r 一 摘要 ( 1 ) 、m t ht h ei n c r e a s eo f 锄b i e n tp r e s s u r e ，t i gw e l d i n ga r c a n dm i g w e l d i n ga r cb o t h 印p e a rap h e n o m e n o no fs h r i n k a g ea n dg e tu n s t a b l e t h e m i gw e l d i n ga r ca l s op r e s e n ta n 印p e a r a n c et h a ta r cl e n g t ht u m ss h o r tw h i c h c a nb es o l v e db yi n c r e a s i n gt h ew e l d i n gv 0 1 t a g e t h o u g ht h i ss o l u t i o ni s f e a s i b l ea td i 腩r e mp r e s s u r e ， i t se f f e c tb e c o m e su n c o n s p i c u o u sa tl a 曙e r p r e s s u r es u c ha so 7 m p a ( 2 ) t i gw e l d i n ga r cs h a p et r a n s f o m s 舶m ab e l lt oac o n eo nm ee 髓c to f l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d t h et a p e ra n g l ei n c r e a s e sa n d t h el i g h t e n e s so fa r c a n o d ec e n t e rd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s m go tm a g n e t l c t l e l d m t e n s l t y - ，1 o a p p l y i n gl o n g i t l l d i n a lm a g n e t i c f i e l da th y p e r b a r i ce n v i r o n m e n t ，t h ea r c m o v i n gs p i r a l l ya n d i t ss t a b i l i t yi n c r e a s e s ( 3 ) i n c r e a s i n gt h em a g n e t i cf i e l di n t e n s i t ya th y p e r b 撕ce n v i r o n m e n t w i l l i n c r e a s e st h em i gw e l d i n ga r cl e n g t hw h i c hi ss i m i l a rw i t ht h es i m a t i o no f i n c r e a s i n gt h ew e l d i n gv o l t a g e b u t i ta l s oc 锄a r o s e sa r cb l o w o u tw h i c h f m s t r a t et h ew e l d i n gp r o c e s s s om el o n g i t u d i n a lm a g n e t i c f i e l di sn o t r e c o n l m e n d e dt oa p p l yi nh y p e r b a r i cp u l s el i gw e l d i n g t h ep a p e ra l s oe s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i cm o d e lo f a r cb ym e a n so ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i su n d e rt h eb a s eo ft h ee x p 嘶e n c e so fp r e d e c e s s o r s ，a 1 1 d a n a l y z e dt h ee 虢c to fp r e s s u r et h a ti m p o s e d o nt i g a r c ，l o n g i t l l d i n a lm a g n e t i c f i e l di m p o s e do nb a r o m e t r i cp r e s s u r et i g a r ca n dh y p e r b a r i ct i ga r c ，w h i c h f o rt e s t i n gt h ee x p e r i m e n tr e s u l t t h e s ee n e c t sc o m a i n st e m p e r a t u r ef i e l do f a r c ，n o wv e l o c i t yo fa p l a s m aa n d o t h e r a s p e c t s _ j 1 北京化t 大学硕一f ：学位论义 t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ef i r s td e t a i l e ds i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o no ft i g w e l d i n g a r ca td i f r e r e n tp r e s s u r e st h a tb e l o w1o m p ai nc h i n a ，w h i c hb e c o m e s t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e 印p l i c a t i o no f h y p e r b 撕cm i g w e l d i n gi n d o m e s t i co f i f s h o r eo i la n do t h e ra r e a s k e y w o r d s ：h y p e r b 撕cw e l d i n g ，w e l d i n ga r cs h a p e ，t h ee 能c to ft h e l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d ，w e l d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 鲥l 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 课题研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 高压焊接研究现状2 1 2 2t i g 焊、脉冲m i g 焊以及磁控焊接的基本原理6 1 2 3 高压焊接电弧研究现状9 1 3 本文的主要研究内容1 2 第二章高压焊接试验系统1 4 2 1 高压焊接试验舱1 4 2 2 焊接试验平台15 2 2 1 焊接电源l5 2 2 2 平板焊接平台15 2 3 高速图像采集系统1 6 2 4 焊接过程多信息同步采集系统1 9 2 5 本章小结2 0 第三章高压环境下焊接电弧形态研究。2 1 3 1 环境压力对直流t i g 焊接电弧的影响2 1 3 2 环境压力对脉冲m i g 焊接电弧的影响2 l 3 2 1o 1 m p a 环境压力( 常压) 对电弧形态的影响2 3 3 2 2o 3 m p a 环境压力对电弧形态的影响2 4 3 2 30 5 m p a 环境压力对电弧形态的影响2 6 3 2 4o 7 m p a 环境压力对电弧形态的影响2 8 3 3 本章小结：。3 0 第四章纵向磁场作用下高压焊接电弧形态的研究3 l 4 1 外加纵向磁场发生装置3 1 4 1 1 励磁线圈31 4 1 2 励磁电源3 2 4 1 3 磁场检测设备3 2 北京化- t 人学硕上学位论文 4 2 常压纵向磁场作用下的直流t i g 焊电弧形态。3 3 4 30 7 m p a 高压环境纵向磁场作用下的直流t i g 焊电弧形态3 4 4 4 常压纵向磁场作用下的脉冲m i g 焊电弧形态3 4 4 5o 7 m p a 高压环境纵向磁场作用下的脉冲m i g 焊电弧形态3 5 4 6 本章小结3 7 第五章高压焊接电弧的仿真3 9 5 1 有限元仿真软件简介及模型的建立3 9 5 1 1 仿真软件的选择及介绍3 9 5 1 2 基本假设4 1 5 1 3 控制方程4 2 5 1 4 主要边界条件4 3 5 1 5 氩元素等离子体的物理参数4 4 5 1 6 网格划分4 5 5 1 7 关于软件的计算及其后处理4 7 5 2 高压环境t i g 电弧模拟分析结果4 8 5 2 1 环境压力对电弧温度场分布的影响4 9 5 2 2 环境压力对电弧等离子体流速分布的影响5 3 5 2 3 环境压力对电弧电子密度、电子温度及电压分布的影响5 5 5 2 4 纵向磁场对电弧温度场分布的影响6 2 5 2 5 纵向磁场对电弧等离子体流速分布的影响6 5 5 2 6 纵向磁场对电弧电子密度、电子温度及电压分布的影响6 6 5 3 本章小结6 9 第六章结论7 1 参考文献7 3 致谢7 7 研究成果及发表的学术论文7 8 作者及导师简介。7 9 v i i 目录 co n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hr e a s o na n ds i 印i f i c a n c ea b o u tt h i ss 1 j b j e c t l 1 2r e s e 鲫ma c t u a l i t yh o m ea i l da b r o a d 2 1 2 1r e s e a r c ha c t u a l i t yo f h y p e r b 嘶cw e l d i n g 2 1 2 2t h e 矗m d a m e n t a lp r i n c i p a l so f t i gw e l d i n g ，m i gw e l d i n ga n dm a g n e t i cw e l d i n g 6 1 2 3r e s e 肿c ha c t u a l i t yo f h y p e r b 撕cw e l d i n ga r c 9 1 3m e a nr e s e a 】c hc o n t e n t s 1 2 c h a p t e r2e x p e r i m e n t a ls y s t e mo fh y p e r b a r i cw e l d i n g 。”1 4 2 1h y p 咖a r i cw e l d i n gt e s t i n gc h 锄b e r 1 4 2 2e x p e r i m e r l t a ld e v i c eo f w e l d i n g 1 5 2 2 1w e l d i n gp o w e r l5 2 2 2e x p e r i m e n t a ld e v i c eo f p l a t ew e l d i n g - 。l5 2 3h i 曲s p e e di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m - 一1 6 2 4s y i l c h r o n o u sm u l t i i n f o m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e m 1 9 2 5s u 瑚m a r v 2 0 c h a p t e r3r e s e a r c ho fh y p e r b a r i cw e l d i n g a r cs h a p e 。2l 3 1i i l n u e n c eo fe i l v i r o i u n e i l tp r e s s u r eo nm ed ct i gw e l d i n ga r c 2 1 3 2i i l n u e n c eo fc i l v i r o n m e n tp r e s s u r eo nt h ep u l s e dm i gw e l d i n ga r c 。2 1 3 2 1i i l n u e i l c eo fe n v i r o n m e l l tp r e s s u r eo fo 1m p ao nt l l ea r cs h a p e 3 2 2h l n u e n c eo fe i l v i r o n m e n tp r e s s u r eo nt l l ep u l s e dm i gw e l d i n ga r c 3 2 3 h l n u e n c eo fe n v i r o n m e l l tp r e s s u r eo fo 5 m p ao nt h ea r cs h a p e 。 3 2 4h l n u e n c eo fe h v i r o i l i ! 【1 e n tp r e s s u r eo fo 7 m p ao nt h ea r cs h 印e 3 3s u l 栅m a r y c h a p t e r4 r e s e a r c ho fh y p e r b a r i ca r c s h a p ew i t h t h ee f 托c t l o n g i t u d i n a lm a g n e t i c f i e l d 。” 4 1l o n 西t u d i n a lm a 印e t i c6 e l dg e i l 训n gd e v i c e 4 1 1e x c i t a t i o nc o i l v i i i - 一 北京化t 大学硕上学位论文 4 1 2e x c i t a t i o np o w e r 3 2 4 1 3m a 擘皿e t i cd e t e c t i o nd e v i c e 3 2 4 2d ct i gw e l d i n ga r cs h 印ea to 1m p aw i mt h ee f f - e c to fl o n 百t u d i n a lm a 鲈e t i cf i e l d 3 3 4 3d ct i g w e l d i n ga r cs h a p ea to 7 m p aw i t ht h ee 毹c t o fl o n g i t l l d i n a lm a 印e t i cf i e l d 3 4 4 4p u l s e dm i gw e l d i n ga r cs h a p ea t0 。1m p aw i t hm ee 雠c to fl o n 西t i l d i n a lm a 印e t i cf i e l d 3 4 4 5p u l s e dm i gw e l d i n ga r cs h 印ea to 7 m p aw i t ht h ee 疏c to f1 0 n 百t l l d i n a lm a 髓e t i cf i e l d 3 5 4 6s l m l m m y 3 7 c h a p t e r 5s i m u l a t i o no fh y p e r b a r i cw e l d i n ga r c 。”3 9 5 1i n t r o d u “o no f 6 n i t ee l e 玎1 e n ta n a l y s i ss o 腑a r ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to f t h em o d e l 3 9 5 1 1i i l t r o d u c t i o no f 矗n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r e 3 9 5 1 2b a s i ca s s 啪p t i o n s 4 1 5 1 3e q u a t i o i l s 4 2 5 1 4m a i nb o u n d a r yc o n d i t i o n s 4 3 5 1 5p h y s i c a lp a r 锄e t e r so f 知9 0 np l a s m a s 4 4 5 1 6m e s h i n g 4 5 5 1 7p r o c e s so f s i m u l a t i o na n dp o s t - p r o c e s s i n g 4 7 5 2r e “to f t h es i m u l a t i o no f h y p e r b a r i ct i gw e l d i n ga r c 4 8 5 2 1i i l f l u e i l c eo f e n v ir o 【l i l l e n tp r e s s u r eo nm e a r ct e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 一4 9 5 2 2h l n u e i l c eo fe i 】v i r o n m e n tp r e s s u r eo nm e a r cp l a s m av e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 5 3 5 2 3m n u e n c eo fe i l v ir o 帆e n tp r e s s u r eo nt h ee l e c t r o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o i l e l e c t i d n t 锄p 咖e d i s 伍b u t i o na i l dv o l t a g ed i s t 曲u t i o no fa r c 5 5 5 2 4i i l n u e n c eo fl o n 百m d i n a lm a g n e t i c6 e l do nt h ea r ct e l l 叩e r a t u r ed i s t l 洲o n 6 2 5 2 51 1 1 n u e n c eo f l o n 百t l l d i n a lm a g n e t i cf i e l do nt h ea r cp l a s m av e l o c i t yd i s t r i b u t i o n 6 5 5 2 6i i l n u e n c eo fl o n 西砌i n a lm a g n e t i c6 e l do nt h ee l e c t r o nd e n s i t yd i s t r i b “o n ，e l e c t l d n t e n 叩e r 砷蛐ed i s t l 曲u t i o na n dv o l t a g e d i s t r i b u t i o no fa r c ”6 6 5 3s u m m a r y 6 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 7 1 r e f b r e n c e s 。7 3 a c k n o w l e d g e m e n t 7 7 r e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t sa n dp u b l i s h e dp a p e r s 。”7 8 l x “0 目录 a u t h o r sa n dd i r e c t o r sb i o g r a p h y 。7 9 x f ? 北京化t 大学硕十学位论文 符号说明 磁感应强度，啪1 n _ 2 谱线频率，h z 电子电荷，c 电场强度，v 1 n _ 1 k 能级的统计权重 普朗克常量 焊接电流，a 电流密度，a m _ 2 斜率，v i n - 1 弧长，m 粒子质量，k g 气体压力，m p a 时间，s 电弧温度，k 原子的配分函数 径向、轴向速度分量，m s _ 电压，v 轴向、径向坐标，k j m o r l 谱线强度 电子与中性粒子之间的韧致辐射 电子与离子之间的韧致辐射 复合辐射 谱线波长，m 净发射系数 真空磁导率，h 1 1 1 _ 1 圆周率 质量密度，k g l 一 电导率，s 】_ 1 电势，v x i b c e e 戤办，j尼， m p ，r 以 州矿 钇旷驴铷a 肋石 p 盯痧 i k - - 一 t 片 j 1 ， 第一章绪论 盈 1 1 课题研究目的及意义 第一章绪论 2 1 世纪人类迎来海洋开发的新时代。随着海洋资源的开发，水下焊接技术 已经成为海洋工程建设和维护的重要支柱。近些年我国的对海洋的探索逐步走向 深海，“南海深水油气勘探开发关键技术及装备”是“十一五”8 6 3 计划海洋技术领 域重大项目之一，该项目2 0 0 6 年启动的“3 0 0 0 米水深半潜式钻井平台关键技术 研究”等1 0 个课题，涉及水深达3 0 0 0 m ，但是面临的一个迫切问题是部分平台、 管道的使用时间过长，已将要接近其设计寿命，海底设备、管道等的损伤也逐年 增多【2 】。我国之前并不能独立开展浅水结构物的水下湿式焊接或者局部干式焊 接，诸如海底管道等的修复必须依靠国外技术。正是由于上述原因，国家科技部 的“十五”8 6 3 和“十一五”8 6 3 项目对深海结构修复提出了很多要求和目标【3 j 。目前 我国对浅海6 0 m 水深范围内的g 吖州( 钨极惰性气体保护焊) 已经有了比较深 入的研究，但应用于6 0 m 以上甚至1 0 0 m 以上水深范围的焊接技术和焊接方法， 则正处于摸索阶段。虽然取得了一些成果，但形势依然不容乐观，研究的进展跟 不上时代的变化，大力发展水下焊接技术势在必行。 金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊，压焊和钎焊三大类。熔焊法对 于深水输油管线的安装及修复都有着巨大的优势。这就决定了熔焊是水下结构物 修复的最佳选择；而且熔焊技术还有不受管线直径限制的优点，因此在对管道输 送能力要求日益提高的今天，熔焊得到了广泛的应用。 而水下焊接则可分为湿式、干式和局部干式焊接三类。干式焊接因其焊接质 量好、焊件焊后变形小、成形美观、可用于不同焊接方法和不同金属材料的焊接 等优点从而被广泛采用。干式水下焊接需要在配套的高压舱中进行，所以根据高 压舱内压力的不同，把干式水下焊接分为高压和常压两种，高压焊接不需要将管 线提出水面进行修复。随着我国海洋工程逐渐向深海发展，高压干式水下焊接将 会起到不可替代的巨大作用。 因此，采用熔焊法修复深水结构物时，电弧处于一个局部干式环境，该干式 环境压力较高，焊接就在这个环境中进行。干式高压t i g 焊是海底输油管道修 复等最常采用的方法，在水深不超过3 0 0 m 范围时，t i g 焊接质量可以得到非常 好的保证，且易实现自动化焊接。 论文计划从环境压力和纵向磁场两方面研究焊接电弧形态。环境压力对焊接 电弧形态、焊接工艺特性以及焊接质量都具有重要影响【4 巧】，随着环境压力的升 北京化- t 人学硕卜学位论文 高，气氛气体的密度变大，弧柱收缩且其电位梯度升高，电弧稳定性明显下降， 飞溅变得剧烈。有研究表明，临界电流随环境压力的增大而增大【6 j 。根据电弧的 能量平衡原理，如果电弧外围能量损失增加，为了平衡这种能量损失，需要增大 输入功率，从而使弧压升高；这时电弧收缩自身，以减小热辐射等能量损失，这 同时与电弧的最小电压原理也相符。环境压力增加会引起电弧等离子体的不稳 定，导致其形成反向等离子流，从而阻碍熔滴过渡，影响焊接质量p j 。 而磁控焊接技术作为近几年发展起来的一种新的焊接技术，应用也同趋广 泛。外加磁场一般采用与电弧轴线平行的纵向磁场，因为纵向磁场具有改变电弧 等离子流分布等电弧内部因素、影响焊件的焊缝成形和焊接质量等优点【7 j 。前人 研究也表明，在焊接过程中施加纵向磁场，可以适当提高焊缝金属的性能，进一 步改善焊接接头的质量【8 j 。 焊接电弧对焊接质量有很大的影响，关于焊接电弧方面的探索与研究一直是 焊接界的必修课题【9 】。最近这些年高速摄像技术的迅猛发展，为研究焊接电弧形 态提供了很大的便利，通过拍摄的电弧照片，我们可以精确掌握焊接电弧形态随 环境压力、纵向磁场变化的规律，从而进一步了解焊接特性和工艺特性，为改善 焊接质量、开发相应的焊接材料和获得良好的焊接接头奠定基础。 从大量的国外研究成果中可以发现：在比较低的环境压力下( 0 1 1 m p a ) ， 焊接过程尤其是焊接电弧的变化最为明显；在相对较高的环境压力下 ( 1 2 5 m p a ) ，其对焊接过程和电弧的影响变弱【l 啦! 2 j 。 基于上述研究背景和技术情况，本文主要研究当环境压力 1 o m p a ( 即 0 o 7 m p a ) 时，环境压力和纵向磁场对焊接过程尤其是电弧形态的影响。研究工 作的开展，无论是在理论研究上或者工程应用中都有着十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高压焊接研究现状 国外对高压焊接的研究还是比较深入的。 一般海底管道所处的水深不会超过2 0 0 m 。在这种情况下，打底焊和填充焊 采用t i g 焊或手工焊就可以满足焊接要求。但是较为普遍的认识是：海底1 0 0 0 m 左右或者在更深的海域存在着大量的油气储备【1 3 】。而要大量开采这些油气资源， 目前被广泛应用的水下焊接技术则显得有点落后，必须进行适当的调整与更新以 适应更高的制造与维护需求。 而要在5 0 0 m 以下水深进行焊接工作，则必须要考虑以下两个问题；第一、 水深超过2 5 0 m 时，会对潜水员身体产生影响，统称为高压神经综合症( h p n s ) 。 2 一1 ， 第一章绪论 这种症状的最主要、也是最明显的一个特征就是会导致潜水员注意力下降。焊接 过程需要保持注意力高度集中，因此这种病症会对焊接工作造成重大影响。潜水 员在水下进行操作的极限水深是大概是6 5 0 m ，水深超过7 0 0 m 之后，饱和潜水 几乎无法实现。挪威政府甚至宣布大于l8 0 m 的水下作业为特别危险工俐1 4 】；第 二、从上世纪8 0 年代起，研究者们就发现随着环境压力的升高，t i g 焊接电弧 的稳定性下降。研究者们最后基本确定高压t i g 焊的工作深度大概就是在5 0 0 m 左右，当水深大于5 0 0 m 时，焊接过程会变得极不稳定，而手工t i g 焊虽然引进 了电流脉冲等新技术，但由于其对操作灵活性的高要求且会属沉积率比较低等缺 陷，已经没有太大的发展空间【1 5 】。 因此在水深超过5 0 0 m 的较深海域，水下g 州焊接不再高效实用。虽然固 相焊，机械连接等可以作为电弧焊接的替换技术，但业界普遍认为电弧焊连接效 率高、重量小、应用记录良好，如果其能够可靠实施，那么最好还是采用电弧焊。 国外的许多科研院所都在进行大水深的高压焊接技术的研究，这些机构包括 g k s s 研究中心、u v b ( 德国汉堡联邦国防军大学) 、s i n t e f ( 挪威科技工业研究 院) 、英国c r 肌f i e l d 大学、美国东南研究所等。其共同研究结果表明，等离子弧 焊和m i g 焊可以在1 0 0 b a r 以上压力下操作，可以将它们应用于深水连接作业。 等离子弧焊是t i g 焊的发展，这两种方法都采用非消耗性钨极，它们的差 异体现在焊接过程的不同上。t i g 焊引弧后，其电弧自由燃烧、自由扩展，而等 离子弧焊的电弧受到电极端部距前端几毫米处的一个铜质或碳质喷嘴的限制，从 而把电弧压缩在水冷喷嘴中，如图1 1 所示。这样减少了弧束交叉区域，从而缩 小了电弧横截面积，使电弧温度升高，并使弧束材料导电性增加。 图1 1 等离子弧焊示意图 f i g 1 一ls c h 锄a t i ci l l u s 舰t i o no fp l 姗a 一觚w e l 锄g 等离子弧焊的电弧性能依赖于