Analysis of the electrical conductivity of plasma during underwater wet welding

The electrical conductivity is indispensable for the underwater wet welding arc simulation. In order to get this parameter, the composition of the underwater arc is analyzed, and the electron content is obtained. Then the current formation mechanism in the arc and the effective collision cross-sectional area between the electron and ions is discussed. The calculation methods and results analysis are presented in this paper.

不同水深水下湿法焊接电弧等离子体数密度研究

水下湿法焊接技术应用日益广泛,由于特殊的焊接条件,导致深水下其焊接质量亟待改善。通过搭建水下湿法焊接实验平台,压力罐调节气压分别模拟0.3,20和40 m水深,界定焊接引弧阶段,分别采集三个水深环境条件下焊接引弧阶段的光谱信息及电压电流数据,采集光谱信息时利用光谱仪的延时触发功能,分别采集引弧5,10,15,20和25 ms时刻的光谱数据,对采集到的电弧光谱数据整理后进行诊断分析。诊断分析时结合NIST原子光谱数据库以及特征谱线的相关数据,得到各元素粒子的识别结果。对于高价态的元素离子态,因为其电离能比较大,激发电离程度会受到电弧温度变化的影响,不能仅靠光谱图进行识别诊断,还需要进一步对其组分进行数密度计算。结合水下湿法焊接电弧光谱诊断的信息和水下湿法焊接反应过程,确定出计算中要考虑的电弧等离子组分的18种粒子,求解由沙哈方程、解离电离方程、准中性方程、气体压力平衡方程等组成的方程组,采用牛顿迭代法对方程组进行联立求解,对于求解非线性方程组,采取分段赋值的方法,得到等离子体组分在三个水深环境下的数密度,并对其变化规律进行分析,探究不同水深环境对焊接电弧等离子体数密度影响及因素。研究表明各个粒子数密度在不同水深条件下的变化是非线性的,随着水深加大电弧数密度变化幅度也快速增大。随着水深的增加,电弧会受到压缩,但电弧不能无限制被压缩;粒子的电离受温度的影响,温度越大电离作用越强烈,但当温度升高到一定程度时,各个电离作用有其电离极限,粒子数密度也不会无限增大。通过不同水深条件下焊接电弧引弧阶段数密度的计算,对水下焊接电弧引弧阶段粒子产生的机理进行了研究,为提高水下焊接电弧稳定性及电弧模拟仿真计算等提供了理论依据。

不同水深下水下湿法焊接电弧引弧温度计算

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但目前对水下湿法焊接引弧过程的物理本质的研究很少。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,同步采集不同水深条件下焊接过程中的电流、电压及光谱信号,对不同水深条件下水下湿法焊接引弧阶段进行界定,高速摄像机拍摄水下湿法焊接引弧过程以更直观观察引弧过程中电弧、气泡等水下动态变化。在此基础上,设置光谱仪延时,分别采集了引弧5,10,15,20及25 ms的光谱信号;改变水深条件,得到不同水深条件下引弧不同时刻的电弧光谱图。根据谱线选取原则综合分析,选取Fe元素作为计算水下湿法焊接引弧电弧温度的特征元素。引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据做平均化处理,以保证计算结果的准确性和可靠性。从Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线作为计算水下湿法焊接引弧过程电弧温度的目标谱线,再利用玻尔兹曼图示法分别计算了不同水深条件下引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度。结果表明:在相同水深条件下,引弧过程中电弧等离子体温度是随着引弧时间的不断增加而不断变化的,但其变化趋势并不是简单的线性增加,而是分别在引弧的不同时刻出现峰值;随着水深的增加,水下湿法焊接电弧等离子体的温度也随着上升,但其电弧温度的上升趋势开始变缓慢,40 m水深相对于20 m水深的电弧温度上升量要低于20 m水深条件下相对0.3 m水深条件下的电弧温度上升量。伴随着水深的增加,水下环境压力增大造成电弧进一步压缩,但压缩量有限。由于电弧被压缩,弧光的强度也增大。通过光谱分析的方法,从电弧物理的角度获悉水下湿法焊接引弧过程的物理本质,对认识电弧建立过程中微观击穿机理及实际生产中进一步提升引弧过程的稳定性提供了重要参考。

基于电弧光谱诊断的水下湿法焊接电弧等离子体组分计算

水下湿法焊接技术近年来得到了越来越广泛的应用,提高水下湿法焊接的焊接质量是很多研究的重点。水下湿法焊接电弧等离子体组分直接影响焊接稳定性和焊接质量,但对水下湿法焊接电弧等离子体组分的相关研究一直很少,更缺乏从光谱层面对水下湿法焊接电弧等离子体组分进行诊断研究。首先通过对水下湿法焊接的过程进行研究,搭建了水下湿法焊接实验平台,通过电弧光谱诊断系统,对得到的电弧光谱进行诊断分析,确定了计算电弧等离子体组分所考虑的主要元素。在光谱诊断结果的基础上,进一步对水下湿法焊接电弧气泡成分的解离和电离过程进行分析,确定了计算水下湿法焊接电弧等离子体组分所需考虑的18种粒子,在计算得出配分函数的基础上,通过牛顿迭代法求解由Saha方程、电荷准中性和方程原子守恒方程组成的方程组,得出了各个粒子的数密度,绘制了各个粒子的数密度随温度变化的曲线。计算结果表明,在不同温度区间,水下湿法焊接电弧等离子体中发生的反应不同,生成的主要粒子不同,在温度较低时,水下湿法焊接电弧等离子体主要是由没有电离的分子、原子及电离能较低的低价态离子组成,随着温度的升高,解离反应和电离反应持续进行,高价态的离子不断被电离出来;不同粒子随温度变化的趋势也不同,有的粒子数密度随温度持续升高,有的不断降低;计算的结果显示各粒子在不同温度区间变化的趋势与光谱诊断结果相符合,验证了计算结果的正确性。等离子体组分的确定为从机理层面对水下湿法的电弧进行研究奠定了基础,也为进一步对水下湿法焊接电弧热力学属性及辐射属性等参数的研究提供了理论依据。

水下湿法焊接引弧过程等离子体温度及电子数密度研究

水下湿法焊接技术近年来得到了广泛应用,但缺乏对其机理方面的研究,利用光谱分析的方法对水下湿法焊接引弧过程的电弧等离子体温度和电子数密度进行了研究。首先搭建了水下湿法焊接电弧光谱诊断平台,对焊接过程中的电流电压及光谱信号进行了同步采集,根据电流电压信号的数据对水下湿法焊接引弧过程进行了界定。在此基础上,通过光谱仪的延时功能分别采集了引弧5, 10, 15, 20及25 ms的光谱信号,对采集的光谱信号进行分析,标定了计算等离子体温度及电子数密度所需要的Fe元素谱线和H元素谱线,为了保证计算结果的准确性和可靠性,引弧不同时刻均选取了五组数据,运用统计分析的方法对五组数据作平均化处理,在标定的Fe元素谱线中选取了五条合适的谱线,利用玻尔兹曼图示法分别计算了引弧不同时刻的水下湿法焊接电弧等离子体温度,同时,根据光谱仪检测到的氢元素的α谱线,结合等离子体发射光谱的斯塔克谱线展宽理论,计算了水下湿法焊接引弧不同时刻的电子数密度。计算结果表明:在引弧的不同时刻,水下湿法焊接电弧等离子体温度变化呈现不同的特点,在引弧5和20 ms温度值分别出现峰值,到最后稳弧时刻温度值达到4 414 K;电子数密度在引弧不同时刻也不同,同样在引弧5和20 ms出现峰值,在出现峰值点的时刻,电流同样出现峰值。电弧等离子体温度和电子数密度在引弧不同时刻的变化趋势,验证了电弧的形成伴随着空间间隙被击穿的过程,其计算结果可以为进一步从电弧物理的角度探寻水下湿法焊接引弧过程的物理本质,引导并寻求更有效的引弧方法提供重要参考。

不锈钢水下等离子湿法焊接工艺分析

试验采用5 mm的304不锈钢板材,利用等离子电弧进行水下湿法焊接工艺试验.通过观察焊缝外观形貌和金相显微镜宏观组织,并借助超景深光学显微镜,评价了接头界面微观组织特征,最后通过拉伸试验对焊接接头的力学性能进行了测试.结果表明,水下等离子湿法焊接可以获得稳定电弧和优质焊缝,满足焊接性能要求.焊缝晶粒以均匀但略微粗化的平行树枝状晶为主,其间存在有较为致密、均匀的树枝状等轴晶.焊缝抗拉强度达到母材的77.56%.断口形态为典型的韧性断裂,但其表面存在的气孔,影响了焊缝力学性能.

光谱诊断辅助水下湿法焊接等离子体成分计算

对水下湿法焊接等离子体成分的计算一直很少,文中通过搭建水下湿法焊接试验平台,对电弧光谱信息进行采集分析,根据诊断的结果及气泡成分的研究,确定了计算中所考虑的粒子.在此基础上,通过对水下湿法焊接电弧等离子体的平衡方程的分析,基于质量作用定律,选择五种基本粒子,将其它粒子用这五种基本粒子表示,代入守恒方程组,在特定的压力和温度下计算了各个粒子的数密度,这种方法和传统的通过求解Saha方程等守恒方程组得到等离子体粒子数密度不同.结果表明,不同温度区占据主要成分的粒子不同,对电弧等离子体产生的影响也不同,既可以为进一步研究水下湿法焊接电弧稳定性及焊接质量提供理论依据及基础,也可以和光谱信息结合进行温度计算及主要温度区间的粒子确定.