超声复合水下湿法焊接耦合能场物理特性及熔滴过渡行为研究

The underwater welding technology has been widely applied in many industries like marine resources, marine salvage, marine construction, etc. However it's difficult to guarantee efficiency and quality in conventional underwater wet welding because of human Factors. Ultrasound-assisted underwater welding with flux-cored wire method is brought in this paper. Flat welding for common hull material CCS E40 with the maximum thickness 40mm was studied. Welding wire is fed through a through-hole co-axial of the ultrasonic vibration system, which makes ultrasonic vibration impose above the arc. The key control theory is that with the effect of acoustic streaming and cavitation, gasbags burst in suppression, droplet transfer is under control, molten pool solidifies in the vibration, welding wetting is forced, defects such as hardened structure and joint internal porosities can be prevented. Based on the developed hybrid underwater welding torch and preliminary experiments before, this paper made a thorough study on the droplet transfer behavior and the coupling field physical properties of ultrasonic-assisted underwater wet welding, to analyze the rule of ultrasound parameters on the control of welding arc and droplet and reveal the relationship between weld quality, environmental parameters and complicated sound field. At last a relationship model of underwater welding arc, cored droplet, weld pool and acoustic parameters was built to achieve the controllable technology of weld shape and properties with ultrasound-assisted underwater welding.

水下焊接作业在海洋能源、救助打捞、水下施工等行业有着广泛的应用，采用常规的水下湿法焊接，效率和质量过于依赖人为因素而难以保证。本课题提出了采用超声复合药芯焊丝水下焊接方法。针对最大厚度40mm常用船体材料CCS E40，将焊丝穿过超声振动系统轴线送入，平焊位置时超声振动施加在水下电弧正上方，实现超声复合下水下湿法焊接。其核心和关键是声流效应和空化效应作用下的气囊抑制破裂、熔滴受控过渡、熔池受振凝固、焊缝受迫润湿的控制策略，防止出现焊缝淬硬组织、接头内部气孔等缺陷。为此，本课题拟在先前开发的复合水下焊枪及前期初步实验基础上，通过对超声复合水下湿法焊接的熔滴过渡和能场物理特性进行深入研究，分析超声参数对电弧及熔滴的控制规律，揭示焊缝质量和环境参数与复合声场之间的关系，建立水下电弧、药芯熔滴、焊接熔池和声学参数关系模型，实现超声复合水下焊接的控形控性技术。

水下湿法焊接以其操作简单、成本低廉、适用能力强等优点在水下海洋结构件维修中获得了广泛应用。但电弧气泡周期性破裂会使得焊接稳定性急剧下降，目前研究如何改善电弧气泡的动态行为是水下湿法焊接稳定施焊的重中之重。本文结合常规水下湿法焊接与超声复合焊接的相关特点，提出超声辅助水下湿法焊接（U-FCAW）方法。通过在水下湿法焊接过程中施加超声，改善焊接过程电弧稳定性，细化焊缝组织，提高焊缝力学性能。通过模拟与实验探讨了超声辅助水下湿法焊接电弧气囊稳定性，解释了超声辅助水下湿法焊接电弧稳定性的机制，分析了超声作用对焊接接头微观组织及力学性能的影响，为进一步实现可控的电弧气泡研究提供试验依据和理论基础。.通过本项目的研究，初步获得下述研究结论：.[1]首先建立了平面声场模型，计算了不同辐射端高度下焊接空间声场分布，分析了超声辐射力的变化。电弧气囊改变了焊接空间超声声场分布，在电弧气囊上方产生一个方向向下的超声辐射力，电弧气囊内不受超声辐射力作用。采用声压测量装置对超声声场分布进行测量，测量结果与模拟结果吻合。.[2]超声作用改变了电弧气囊的受力情况，在电弧气囊上方产生了方向向下的超声辐射力，降低电弧气泡上浮速率，减弱气泡破裂、短路过渡过程对湿法焊接过程电弧的不利干扰，提高了焊接电弧的稳定性。.[3]研究了超声辅助水下湿法焊接的电弧稳定性。结果表明超声辅助水下湿法焊接U-I图存在熄弧区、稳定燃弧区和短路过渡区；超声作用可减小短路过渡频率，提高焊接电弧稳定性。对熔滴受力分析表明超声作用没有改变熔滴的受力种类而改变了受力大小，超声作用使表面张力减小，熔滴过渡更容易，因此短路过渡次数及时间减少。.[4]分析了超声作用对焊接接头组织及力学性能的影响。与FCAW焊接相比，U-FCAW焊接焊缝中心微观组织马氏体和上贝氏体含量减少，针状铁素体和下贝氏体含量增加；焊缝接头拉伸件断裂位置由焊缝热影响区转变为母材，上层拉伸件和下层拉伸件的抗拉强度由338MPa和267Mpa提高到495MPa和395MPa；弯曲试验试样最大弯曲角度由22°增大到84°。在FCAW焊接中施加超声可细化焊缝微观组织，提高焊缝力学性能。.总的来说，本项目确定了超声振动与熔滴过渡的作用机制，改善了焊接过程稳定性，最终提高了焊接接头质量，进一步推广水下湿法焊接的应用。