环境压力对TIG焊接过程的影响研究

摘要

随着海洋油气资源开发的深入，海底管道施工与维修工程逐年增多，水下管道焊接维修法已成为各国研究的重点。其中干式高压TIG焊接是海底管道修复中最常用的焊接方法。随着维修深度的增加，环境压力对TIG焊接过程影响愈加显著，为了改进焊接工艺，提高焊接质量，须对高压TIG焊接过程进行研究。 本文基于高压焊接舱，搭建了一套用于高压环境TIG焊接参数采集的高速摄像系统和电弧光谱采集系统。在0.1MPa-0.5MPa压力环境下进行了TIG焊接实验，采集了焊接过程中的电弧图像与光谱信息。 首先在前人对TIG焊接电弧数值模拟研究基础上，建立了自己的TIG焊接电弧模型。通过FLUENT流体仿真软件，对常压与高压环境下TIG焊接温度场进行了模拟。仿真结果表明:高压环境下TIG焊接电弧最高温度下降明显，但是温度变化梯度减小，阳极区电弧温度有所上升。其次在高速摄像拍摄到的不同压力环境下TIG焊接电弧图像的基础上，深入研究了环境压力对TIG焊接电弧形态的影响。研究表明:高压环境会导致TIG焊接电弧收缩，压力越高影响越显著。通过对不同压力环境下TIG焊接试件的比较，发现随着压力环境增大，焊缝熔宽与熔深尺寸增大。最后基于焊接过程中的电弧光谱信息，通过Boltzmann作图法对不同压力环境下的TIG焊接电弧温度进行计算，计算结果表明随着压力的上升，TIG焊接电弧整体温度逐渐下降。 本文通过模拟仿真与实验验证相结合的方法研究了压力环境对TIG焊接电弧形态和温度场的影响规律，探索了高压环境下TIG焊接电弧的物理特性，为改善高压环境下TIG焊接工艺提供理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 高压TIG焊接研究现状

1．2．2 TIG焊接数值模拟研究现状

1．2．3 电弧等离子体光谱诊断研究现状

1．3 本课题的主要研究内容

第二章 基于FLUENT软件的高压环境TIG焊电弧数值模拟

2．1 焊接数值模拟理论基础

2．1．1 TIG焊电弧的基本特点

2．1．2 基本假设与控制方程

2．1．3 电弧流动状态

2．1．4 数学模型

2．1．5 边界条件

2．1．6 氩元素的物性参数

2．2 基于FLUENT的TIG焊接数学模型计算

2．2．1 仿真软件简介

2．2．2 Gambit前处理

2．2．3 UDF的编写和编译

2．2．4 常压下数值仿真结果

2．2．5 高气压环境下TIG焊接温度场分布

2．3 本章小结

第三章 压力环境对TIG焊接电弧形态及焊缝成形的影响研究

3．1 高压焊接试验系统

3．1．1 高压焊接试验舱

3．1．2 焊接电源与实验平台

3．2 高压环境下TIG焊接电弧形态分析

3．3 压力环境对TIG焊接焊缝成形的影响研究

3．4 本章小结

第四章 高压环境下TIG焊电弧温度测量

4．1 电弧等离子体的基本性质

4．1．1 辐射的基本概念

4．1．2 电弧等离子体的热力学状态

4．1．3 光谱测温原理

4．2 光谱分析系统

4．3 常压TIG焊接光谱分析

4．3．1 光谱仪的线谱标定

4．3．2 特征谱线的选取

4．3．3 电弧温度的计算

4．4 不同压力下电弧温度计算

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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