高壓干法GMAW電弧行為及熔滴過渡研究.pdf

1、伴隨著海洋油氣資源的開發(fā)，石油平臺、海底管道等大量的結(jié)構(gòu)件被用于水下。而這些結(jié)構(gòu)件長期工作在海水侵蝕和水流沖擊的環(huán)境中，隨著服役年限的增加，這些結(jié)構(gòu)件的水下焊接修復(fù)工作量將日益增加。高壓干法熔化極氣體保護(hù)焊（高壓干法GMAW）由于其良好的焊縫性能、較深的水深適用范圍，被認(rèn)為是一種具有現(xiàn)實意義的深水焊接方法。本文以高壓干法GMAW實驗為基礎(chǔ)，在環(huán)境壓力小于2MPa，即等效水深為200m的范圍內(nèi)，針對高壓干法GMAW電弧行為、熔滴過渡特性、

2、飛濺產(chǎn)生機(jī)理等問題進(jìn)行了深入研究；從焊接過程的物理本質(zhì)入手，揭示高壓環(huán)境中GMAW工藝特點；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了80m水深條件下X65管線用鋼的對接焊試驗。
　　首先根據(jù)高壓干法焊接過程特點，研制了陸上模擬壓力環(huán)境的焊接實驗裝備，該裝備包含高壓環(huán)境模擬系統(tǒng)和自動焊接試驗系統(tǒng)，能夠滿足環(huán)境壓力5MPa以內(nèi)的自動焊接要求。
　　建立了典型的高壓干法GMAW電弧形態(tài)模型。采用高速攝像機(jī)對電弧形態(tài)進(jìn)行采集，通過分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓力的增加

3、使弧柱區(qū)電場強度增加；壓力環(huán)境中，焊接電流的增加使電極斑點和弧柱區(qū)尺寸擴(kuò)展；焊接電壓與弧長的變化仍近似為線性關(guān)系。直流正接陰極弧根沿焊絲側(cè)面上爬高度隨環(huán)境壓力的增加而減小，當(dāng)環(huán)境壓力高于0.4MPa后，直流正接的電弧穩(wěn)定性有明顯的提升。壓力環(huán)境中，直流正接時，陰極斑點在熔滴下表面始終存在，而熔池表面未見陽極斑點；直流反接時，陽極斑點在熔滴下表面形成，熔池一側(cè)可以形成一至若干個陰極斑點。高壓干法GMAW的電弧靜特性曲線仍為上升特性，且隨環(huán)

4、境壓力的升高而曲線上移；焊絲熔化速度與干伸長仍近似為線性關(guān)系；低于0.4MPa時，直流正接的焊絲熔化效率更高，而超過0.6MPa后直流反接與直流正接的熔化效率區(qū)別不明顯。
　　采用激光背光輔助的高速攝像系統(tǒng)對高壓干法GMAW的熔滴過渡特征進(jìn)行了觀察和分析。直流反接的典型熔滴過渡可分為：大滴排斥過渡、射滴排斥過渡、高壓射流過渡。前兩者主要區(qū)別是熔滴尺寸和過渡頻率，它們的熔滴均偏離焊絲軸線方向過渡，易產(chǎn)生與熔滴尺寸相近的飛濺；高壓射流

5、過渡時，熔滴尺寸很小，電弧弧根包裹著焊絲末端燃燒，熔滴在電弧內(nèi)部完成過渡，幾乎無飛濺產(chǎn)生。壓力環(huán)境中采用直流正接時，根據(jù)焊接電壓的不同，熔滴過渡形式主要有短路過渡和排斥過渡。通過分析發(fā)現(xiàn)陽極弧根沿熔滴一側(cè)上爬是形成直流反接排斥過渡的前提條件。壓力環(huán)境中電弧弧根收縮，弧根不再包裹著熔滴四周，而是在熔滴一側(cè)燃燒，導(dǎo)致了斑點力、電磁力方向發(fā)生改變，對熔滴產(chǎn)生不對稱的側(cè)向力的作用，使熔滴偏離焊絲軸線方向，從而形成排斥過渡。分析了陽極弧根沿熔滴上

6、爬現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。闡述了直流反接時熔滴過渡形式轉(zhuǎn)變的臨界環(huán)境壓力，通過實驗得出了不同焊接參數(shù)下的熔滴過渡形式分布圖。隨環(huán)境壓力的增加，高壓干法GMAW直流反接的熔滴過渡形式最終均轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦膺^渡。
　　分析了高壓干法GMAW焊接飛濺產(chǎn)生機(jī)理，其主要包含兩種飛濺形式：熔滴偏離型飛濺和熔滴反彈型飛濺。前者是排斥過渡過程中形成的，熔滴脫離焊絲端部時具有一定水平速度，其不能落入熔池中從而形成的飛濺，可出現(xiàn)在環(huán)境壓力大于0.2MPa的直流正接

7、與直流反接時，飛濺尺寸與熔滴尺寸接近。后者是熔滴接觸母材后由于向上的電磁力作用反彈至自由空間而形成的飛濺，飛濺尺寸一般小于熔滴尺寸，只出現(xiàn)在環(huán)境壓力大于0.4~0.6MPa的直流反接時。提出形成熔滴反彈型飛濺必須要滿足的兩個基本條件：第一，下落的熔滴接觸到母材后，電弧弧根在其表面燃燒相比在熔池表面更容易；第二，環(huán)境壓力需達(dá)到一定程度，電弧弧根收縮至接觸到母材的熔滴表面燃燒，使流過熔滴的電流達(dá)到一定值。
　　最后，進(jìn)行了等效水深為8