大水深水下切割药芯割丝电弧冶金反应机理研究

Continuity of cutting performance and absence of additional gas supply into arc zone are important peculiarities of the underwater arc cutting technique with self-shielded flux-cored wire, and the components of flux-cored wire must contain strong oxidizer and arc stabilizer. Based on the principle of oxidation and fusion cutting, peroxide is used as the oxidizing gas supply source in flux-cored wire in this project, thermal decomposition mechanism of peroxide, and its hydrolysis product H2O2, is researched. The lead-free multi-component catalysts for H2O2 decomposition are explored, and the synergistic effect between the multi-component catalysts is studied for establishing the dynamic model of the catalytic reaction, which will provide theoretical basis for high activity, non-toxic, and environmentally friendly underwater catalytic reaction. In order to achieve the best shielding, thermal decomposition kinetics of carbonate is researched to obtain the main controlling factors of gas-forming component decomposition. The effect of water pressure on arc shape is analyzed by means of high speed camera. In order to improve the arc stability, compound containing Cs or Rb is used as the arc stabilizer, and the mathematical model will be established between the components of flux as well as their interactions and the arc stability. The result of this project will achieve the optimal components of self-shielded flux-cored wire, and provide the theoretical guidance for underwater environmentally friendly cutting.

药芯割丝水下电弧切割技术可实现自动化连续切割且无需额外提供气体，但药芯供氧效率不高、水下电弧不够稳定等问题制约了该技术在大水深场合的应用。本项目基于氧化-熔化切割原理提出以过氧化物作为药芯中氧化气体供给源的思想，研究其受热分解机理及其水解产物H2O2的分解供氧机理，探讨在高压条件下无铅多元组分催化H2O2分解的科学方法及协同作用机理，建立催化反应的动力学模型，为实现水下高活性、无毒害、环保催化打下理论基础。通过研究获得水下高压状态下碳酸盐分解反应的动力学规律，阐明造气剂分解的主控因素，探索造气剂持续分解从而达到最佳保护效果。借助高速摄像分析电弧形态随水压的变化情况，研究添加含Cs及Rb化合物作为稳弧剂时的冶金反应机理，探索改善大水深切割电弧燃烧稳定性的途径，在不同水压条件下得到稳定的切割效果，揭示割丝药芯中各成分之间的交互作用机理，为水下绿色切割技术的研究和发展提供理论指导。

随着海洋工程与核电工程的迅速发展，对水下切割的需求也越来越多。水下药芯割丝电弧切割具有设备简单、无需额外供氧及气体保护等优点，可实现连续切割，具有广阔应用前景。我国在该技术方面鲜见报道，切割用药芯割丝完全受制于国外，并且国外药芯割丝使用了有害物质将污染水环境，本项目研制了环保型药芯割丝用于水下切割。.依据水下药芯割丝电弧切割的基本原理，试制了不同成份的药芯割丝，进行切割试验。在切割过程中采集电弧的电流电压，通过频率分布图来比较分析电弧的稳定性。通过比较确定了适用于不同水深切割的药芯割丝将其进行工艺性能试验，比较不同的电弧电压，电流和切割速度对于割口上口宽度、下口宽度预计割缝直线度的影响，找到比较好的工艺参数，并分析了冶金反应过程。为了进一步分析其冶金反应的原理，使用有限元数值模拟软件ANSYS分析了水下切割过程的温度场，与此同时通过热电偶试验测量切割过程的热循环与数值模拟结果进行对比，验证数值分析结果的准确性。再通过数值模拟分析药芯焊丝水下切割过程的传热特点。得出以下主要结论：.（1）以过氧化物为主要制氧成份的药芯割丝切割效果比较好，在切割过程中过氧化物产生了氧气，有助于电弧燃烧，同时伴随着持续气流的喷出，可以减少割口的搭桥和金属的挂渣。在大水深切割场合，药芯设计中须添加CeO2，CeO2提高了水下电弧的稳定性影响切割能力，持续的电弧燃烧给母材输入了持续的热量，可以充分熔化金属。.（2）药芯割丝水下电弧切割过程是一个循环进行的过程，在切割过程中电弧长度、割丝干伸长在不停的变化。随切割电压的增大，割口上下宽度都有所增大，当电压为40V时候上下宽度最接近，割口最平直。随切割电流增大，割口下口宽度比下口增加的快。随切割速度的增大，割口下口宽度逐渐变小，并小于上口，切割速度过大将导致割不透。切割后的割口热影响区分为过热区、晶粒长大区、完全再结晶区与不完全再结晶区。.（3）建立了水下电弧切割热过程和温度场的数值分析模型，采用双椭球体热源，热源同时包含电弧热与化学热。有限元数值计算的温度随时间的变化趋势与实验所测结果有良好的一致性。依据实验与数值计算的结果分析了水下切割温度场的变化规律和传热的特点，表明水下切割温度下降速率要比水下焊接与陆地切割都要快。数值计算的数据对于进一步研究切割机理提供了基础，并为切割后机加工余量以及进一步优化切割参数起到指导作用。