水下湿法焊接液体击穿机理研究

The early study of underwater wet weldin with rotating arc sensor found that the underwater wet welding is always a difficulty to overcome.The reason for it is people knew little about the breakdown mechanism of the underwater wet welding. Based on the spectral analysis, X-ray photography , pressure signal and the electrical signal waveform during the arc starting and metastable arc process, the project aims to underway the theory and experimental analysis of the main ionized elements transform of each stage ,and to obtain the main particle component and number density of the plasma during the arc starting and metastable arc process; The liguid breakdown model of underwater wet flux cored welding is also to be built combined with the three liquid breakdown theories, namely the electron theory, gas discharge theory and impurity breakdown theory. Especailly for the gas dischage theory,the bubble water dynamics model is to be built and solved to obtain the pressure,the particle number density,the temperature etc. in the bubble and the radius of the underwater bubble during the its growth and discharge period at different depth; And then, different from the traditional magnetic fluid dynamics method, based on electrostatics and particle physics method , the project is to establish a new simulation method of welding arc in liquid medium which will study the underwater arc charged particle behavior from a new point of view. The project is expected to build the underwater wet welding breakdown model and provide a theoretical basis for underwater wet welding technology.

前期在对水下湿法旋转电弧焊接研究的基础上发现，水下焊接中水下湿法焊接一直是有待攻克的难题，原因在于人们对水下焊接击穿机理知之甚少。本项目拟在对水下湿法药芯焊接引弧、亚稳弧过程中的光谱分析、X射线摄像、压力信号和电信号波形分析的基础上，对各阶段 主体电离元素的变换进行理论和实验分析，获得引弧和亚稳弧阶段中水中电弧等离子体主要粒 子成分和数密度；结合液体击穿的三种理论，即电子理论、气泡放电理论和杂质击穿理论建立水下湿法药芯焊液体击穿模型；特别针对气泡放电理论，建立气泡水动力学模型并求解不同水深下气泡成长到放电阶段气泡内压力、粒子数密度、温度、半径等随时间变化过程；在此基础上，区别于传统磁流体动力学方法，基于静电学和粒子物理学方法，建立一种液体介质中的焊 接电弧仿真方法，从全新视角对水下电弧带电粒子物理行为进行研究。项目预期建立水下湿法 焊接击穿模型，为水下湿法焊接奠定理论基础。

水下焊接中水下湿法药芯焊丝焊接一直是有待攻克的难题，原因在于人们对水下焊接击穿机理知之甚少。本项目搭建了水下湿法药芯焊接同步信号采集系统，在对焊接引弧、亚稳弧过程中的电信号、电弧光谱信号、电弧气泡高速摄像信号、气泡声脉冲信号同步采集基础上，对各阶段主体电离元素的变换进行了理论和实验分析。基于Bolzmann图示法对水下湿法焊接电弧等离子体在引弧至亚稳弧不同时刻的温度进行了计算，基于Stark展宽理论通过谱线引弧至亚稳弧不同时刻的电子数密度进行了计算，结合光谱诊断结果，在亚稳弧局部热力学平衡条件下，对水下湿法焊接电弧等离子体的组分进行了分析，计算了粒子的配分函数，采用谱线发射率方程、波尔兹曼分布方程、电荷准中性条件、气体分压定律、质量平衡方程、saha 方程组成的方程组，获得引弧和亚稳弧阶段中水中电弧等离子体主要粒子成分和数密度，为日后的水下电弧热力学属性计算打下了基础；在水下湿法焊接研究中首次引入气泡声压信号，对采集到的气泡声脉冲信号进行了降噪处理，研究了焊接电流、电弧电压和气泡声压信号的时域、频域特征，通过统计分析的方法对气泡声压信号与电弧稳定性进行了相关性分析，在气泡声信号与气泡图像对应基础上，分析了不同焊接状态下动态生长的气泡在声压信号上的反映以及水深压力对气泡演变及电弧稳定性之间的相互影响；结合液体击穿的气泡放电理论，建立水下湿法药芯焊液体击穿模型，将水下湿法焊接液体一次击穿过程分为电子发射阶段、极板介质击穿阶段以及稳定阶段，三个阶段差异性主要体现在模型演化中的电势场、电场强度、相空间速度、粒子数目以及电子数密度、粒子动态分布、相态演化以及电弧温度变化情况；区别于传统磁流体动力学方法，基于静电学和粒子物理学方法，建立了一种液体介质中的焊接电弧仿真方法，从全新视角对水下电弧带电粒子物理行为进行研究。本项目深入研究了电弧等离子体的击穿过程及机理，为日后改善水下湿法药芯焊丝焊接奠定了理论基础。