高压环境对直流正接GMAW电弧作用机理研究

With the gradual depletion of oil and gas resources of the land，deep sea exploration and mining has become an inevitable trend. This project is based on the background of welding repairing of Ocean Engineering (deeper than 100 meters); the X65 pipe steel is selected as the experimental materials. In order to solve the arc instability and spatter problem of dry hyperbaric GMAW process, the mechanism of DCEN GMA under high pressure is investigated. From the viewpoint of the GMA characteristics and metal transfer under high pressure environment, the pressure, the polarity of the power source is also considered. Then try to reveal the mechanism of the pressure influences on DCEN GMAW process. According to the arc shape, metal transfer mode and the weld formation, an evaluation function is selected to describe the process stability. Through the physical experiments or numerical simulation, the analytical or numerical relationship between the evaluation function and the pressure is obtained. On the base of understanding the mechanism, the welding experiments is carried out to achieved the influence laws of the welding parameters. An rule is given to fit the parameters, and provided the theoretical support to the application of dry hyperbaric GMAW process.

随着陆地油气资源的日渐枯竭，资源开发向深海进军已成为必然趋势。本项目以深水（>100米）海洋工程焊接修复为背景，以X65管线钢为试验材料，针对水下高压干法GMAW焊接工艺存在的电弧不稳定、飞溅多等问题，开展高压环境对直流正接GMAW电弧影响机理研究。从高压环境GMAW焊接电弧行为、熔滴过渡特性等角度，对比分析不同环境压力、不同极性接法GMAW电弧的特点，揭示高压环境对直流正接GMAW焊接过程的影响机制。根据电弧形态、熔滴过渡形式、焊接焊缝成形等定义描述焊接过程稳定性的评价函数，通过物理模拟实验或数值模拟，得出环境压力与该评价函数之间的解析关系或数值关系。在掌握直流正接GMAW焊接物理机制的基础上，通过实验建立焊接过程中各个参数对焊接过程稳定性及焊接质量的影响规律，给出该工艺优化参数的选择原则，为高压干法GMAW水下焊接的实际应用提供理论支撑。

本项目以深水海洋工程焊接修复为背景，以X65管线钢为实验材料，针对对水下高压干法GMAW 焊接工艺存在的电弧不稳定、飞溅多等问题，开展高压环境对直流正接 GMAW 电弧影响机理研究。从电弧行为、熔滴过渡特性等角度，对比分析不同环境压力、不同极性接法 GMAW 电弧的特点，揭示了环境压力对直流正接 GMAW 焊接过程的影响机制。根据电弧形态、熔滴过渡形式、焊接焊缝成形等定义描述焊接过程稳定性的评价函数，通过物理模拟实验或数值模拟，得出了环境压力与该评价函数之间的解析关系或数值关系。在掌握直流正接 GMAW 焊接物理机制的基础上，通过实验建立焊接过程中各个参数对焊接过程稳定性及焊接质量的影响规律，给出了该工艺优化参数的选择原则。取得了如下重要结果：.（1）发现了高压干法GMAW直流反接时一种新的飞溅形式——熔滴反弹型飞溅。它是熔滴接触母材后由于向上的电磁力作用反弹至自由空间而形成的飞溅。确定了其产生的必要条件：第一，下落的熔滴接触到母材后，电弧在其表面燃烧相比在熔池表面更容易；第二，环境压力达到一定程度后，电弧弧根能够收缩至接触到母材的熔滴表面燃烧，从而使流过熔滴的电流达到一定值。.（2）揭示了环境压力对直流正接GMAW阴极弧根稳定性的影响机制：由于环境压力的增加，使弧柱区电场强度增加，阴极弧根上爬受到限制，环境压力达到0.4MPa后，几乎不发生上爬现象，使阴极弧根在熔滴表面燃烧。同时，熔滴受到了电弧的强烈加热，其电子发射能力提升，使阴极弧根的稳定性得到提高。.（3）获得了X65管线钢高压干法GMAW工艺规律，规划了第一层打底焊与第二层填充焊采用直流反接、第三层填充焊和第四层盖面焊采用直流正接的工艺方案，试验结果表明，采用该参数可以获得符合强度要求的焊接接头，为实际管线的修复工艺提供了依据。