药芯焊丝水下湿法焊接过程电弧形态与熔滴过渡行为的研究

复杂水下环境中各种因素对药芯焊丝水下湿法焊接熔滴过渡和电弧形态都有着显著影响，直接关系到焊接过程稳定性、焊缝成形和焊缝质量。通过研究水下电弧燃烧空间与水介质之间复杂多变曲面导致产生界面反射、折射及平面屈光度效应的规律、分析水下光线传播特性并设计搭建光路，基于水下高速摄像技术建立视觉传感系统；通过视觉传感研究水下湿法焊接电弧燃烧空间环境对电弧形态的影响以及电弧形态与熔滴过渡行为的相关性，揭示水下电弧燃烧空间环境对电弧形态变化的影响规律及机理，从理论上分析研究电弧形态变化时熔滴受力变化情况及影响熔滴过渡行为规律的作用机制，揭示电弧形态及熔滴过渡行为规律与焊接工艺相关性；通过分析研究药芯焊丝水下湿法焊接过程稳定机制确定其主要影响因素。项目的研究揭示了药芯焊丝水下湿法焊接过程稳定机制，为焊接过程的自动控制奠定坚实的基础，对于促进药芯焊丝水下湿法焊接技术在海洋工程制造领域的广泛应用具有重要意义。

项目组研究了水下复杂环境对药芯焊丝水下湿法焊接熔滴过渡及电弧等离子体的实际影响。搭建了一套水下湿法焊接试验平台和视觉/电信号同步采集系统，对水下手弧焊接过程进行了研究，获得了清晰的水下电弧图像，测量得到实际电弧长度，结合电信号获得水下湿法手弧焊静特性曲线，与空气中手弧焊接工艺对比对水下焊接电弧的特性进行了深入分析；采用统计分析的方法，利用电信号对水下手弧焊接过程稳定性进行定性和定量评价。.开展了水下湿法焊接电弧等离子体光谱分析工作。分别设计空气中和水环境下的药芯焊丝焊接工艺试验，利用光谱仪和专用分析软件采集并分析焊接过程中电弧等离子体辐射光谱曲线,获得了水下湿法电弧等离子体的成分等信息。实验结果表明，除紫外波段以外的两种环境下的电弧等离子体辐射谱线存在高度的相似性，由此推测该型药芯焊丝在空气中和浅水环境中（0.4m水深）其焊接电弧等离子体实际成分主要由焊丝本身药芯分解及金属蒸汽等组成，其总体成分受到环境的影响较小。除了两种环境下电弧等离子体光谱辐射中Fe, Ni, Ti, Cr和 F四种元素同时具有原子或离子多种辐射以外，发现水下湿法焊接过程中特有的谱线（波长为656.2793nm），而空气中的电弧辐射没有该峰，首次验证了水下湿法焊接电弧等离子体中包含H原子。.课题组基于高速摄像技术，克服来自焊接电弧区域的强弧光干扰、焊接烟尘、气泡剧烈变化以及水流扰动等因素，首次获得了药芯焊丝水下湿法焊接过程清晰的熔滴过渡和电弧形态图像。确定其熔滴过渡形式为大滴排斥过渡，并确定熔滴实际几何尺寸，以及熔滴过渡周期及频率。发现焊接电弧受到水下特殊环境的影响，在焊接过程中存在阴极斑点剧烈漂移的现象。水下焊接取得的焊缝宽度仅为空气中焊缝的2/3，证明水下焊接电弧受到水环境的严重压缩，电弧直径减小。.此外，项目组研发设计了一款“潜水员水下焊接切割过程监控系统”设备，已顺利通过30米珠海海试和100米模拟水深压力罐测试。