水下电弧切割机理研究researchonunderwaterarccuttingmechanism(附件)【字数：139
摘 要摘 要占据地球70.8%的大海拥有的资源对于许多国家做梦都想拥有的，由国家国务院制定的《国家中长期科学和技术发展规划刚要》重点强调了能源和海洋资源的开发利用。其中提到的开发核能，建立海洋监测平台，研究天然气水合物的钻探开采技术等。预示着海洋工程等各种水下作业的兴起，因此对水下焊接与切割技术的质量要求越来越高。具有设备简单、操作安全、综合成本低等优点的药芯割丝电弧切割技术，是一种有广泛应用前景的水下切割技术。江苏科技大学从巴顿研究所引进了这一技术以后进行了切割工艺实验，并取得了良好的切割效果，为了彻底使药芯割丝电弧切割这一水下热切割技术拥有高质量的机械化，自动化，我们需要了解它的切割机理，从源头上摸清他是怎样工作的。本文的工作即是通过几种传感设备获得对切割过程的实时监控数据，从而对该方法切割机理展开研究。水下切割因为割丝产生的气体会使水发生流动，观察起来相对较困难，所以本文主要是使用高速摄像法对空气中的切割过程进行监测，分析药芯割丝的切割过程。之后利用控制变量法对影响切割质量的参数做改变，同时利用霍尔电流和电压传感器所获得的数据以及配合利用高速摄像获得的图片进行分析。实验发现，在比较合适的参数下如500A，30V电弧可以稳定燃烧。然后改变切割速度，发现切割速度对割口的质量影响比较大。同时发现，只有把电压和电流相匹配，才能保持电弧长度。在此基础上进行了水下切割试验，从数据分析，认为药芯割丝在水下和空气中并无差别。关键词水下热切割；药芯割丝电弧切割；切割机理
目录
第一章 绪论 1
1.1 本课题研究的背景及意义 1
1.2 水下切割技术在国内外的研究现状 1
1.3电弧焊接与切割过程机理及传感研究现状 5
1.3.1 熔滴过渡与电弧行为高速摄影 5
1.3.2 国内外焊接过程传感研究现状 6
1.3.3 总结 9
1.4 本课题研究目的及内容 10
1.4.1 研究目的 10
1.4.2 研究内容 10
第二章 切割用设备及传感系统 11
2.1 药芯割丝种类及切割原理 11
2.2药芯割丝切割用设备 11
2.2.1 切割电源与送丝机 11< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
br /> 2.2.2行走机构及切割系统构成 13
2.2.3 水下割炬 13
2.3 切割过程高速相机系统 14
2.4 霍尔电流、电压传感器 15
2.5 本章小结 17
第三章 药芯割丝电弧切割机理研究 18
3.1实验方案 18
3.2割炬行走速度对切割过程的影响 18
3.2.1边缘切割法 18
3.2.2常规切割法切割过程 22
3.3电弧电压对切割过程的影响 26
3.3.1低电弧电压切割过程 26
3.3.2高电弧电压切割过程 29
3.3.3高低电弧电压切割过程对比 32
3.4切割电流对切割过程的影响 33
3.4.1中等电流高电弧电压切割过程 33
3.4.2大电流高电弧电压切割过程 34
3.5水下切割实验 36
3.6本章小结 38
结论 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
为了应对水下建筑、跨江大桥的水下钢结构等金属结构，因为各种外在因素影响逐步磨损、腐蚀或者损坏。需要完成许多不同的水下工作，包括分割金属的一部分，或者把钢结构全部拆毁。除此，随着人们对海洋的开发与探索日益增多，海洋工程得到了较快的发展，因此水下切割成为了当今水下工程中不可或缺的重要方式。水下切割技术常被用于海洋能源开发、海上救援打捞、海洋矿物开采等海洋工程与大型水下设施的施工过程之中。此外，海上石油平台的建设、海底输油管道的修理、船舶及潜艇的维修和核潜艇的水下维护等工作也都离不开水下切割技术。水下切割技术的开发和利用海洋工程海洋资源、发展起到了巨大的促进作用，所以越来越多的人参与了水下焊接和切割实验。药芯割丝电弧水下切割技术具有设备简单、操作安全、综合成本低等优点，是一种有广泛应用前景的水下切割技术。江苏科技大学从巴顿研究所引进了这一技术并进行了切割工艺实验，取得了良好的切割效果，但目前对该方法切割机理并不清楚[1]。本课题在已有的熔化极药芯割丝电弧切割工艺研究的基础上，通过几种传感设备获得对切割过程的实时监控数据，对该方法切割机理进行研究。以及明白怎样可以达到理想的切割，为使药芯割丝电弧切割这一水下热切割技术拥有高质量的机械化，自动化打下基础。
1.2 水下切割技术在国内外的研究现状
水下切割方法分为两大类：水下热切割方法和水下冷切割方法。所谓的水下热切割方法就是利用热源对金属进行加热，使金属熔化，并采取某种方法将熔化金属或熔渣去除而形成切口的切割方法。热切割方法又可分为氧化切割法、熔化切割法及熔化氧化切割法。冷切割法是利用某种器具或某种高能量，使处于固态的金属直接被破坏分子间的结合而形成切口的切割方法，如水下机械切割和水下高压水切割等。
(1) 水下氧火焰切割
水下氧火焰切割的机理是采用气体火焰把钢板预热到燃点温度，然后用高速氧气射流喷向已经预热的金属，使得钢板发生氧化反应同时放出热量，氧气射流把氧化物及熔融金属吹掉形成切口。氧火焰切割所使用的气体主要包括乙炔、碳氢化合物、氢和液体燃料圈。图1.1为氧火焰切割原理示意图[2]。
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图1.1 氧火焰切割原理示意图
（2）水下电弧切割
最早由美国学者汉弗莱戴维在1802年提出，但是水下电弧氧切割被人们在实际工作中正式使用却要追溯到1915年[3]。其基本原理与水下氧火焰切割一样，只是用电弧代替火焰，氧气通过空心电极喷出，而电弧则在空心电极的端部产生，其原理示意图如图1.2所示。
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图 1.2 水下电弧氧切割原理示意图
水下电弧氧切割适用于能导电的金属材料，但主要是用来切割易氧化的低碳钢和低合金高强钢。其使用水深已超过150 m，可能切割的厚度也在继续增加。但水下电弧氧切割由于割缝质量低，多用于水下破坏性切割，单纯以切断材料为目的。
（3） 熔化极水喷射水下切割
这种方法是利用电弧产生的热量将金属熔化，并用高压水射流将被熔化的金属及熔渣吹掉，从而形成清洁的切口表面。熔化极水喷射切割示意图如图1.3所示[4]。
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图1.3 熔化极水射流切割示意图
（4）水下等离子弧切割
水下等离子弧切割是利用高能量密度和高速的等离子气流将熔化金属从割口处吹除，形成连续割口的切割方法[56]。
（5）水下爆炸切割
水下爆炸切割的原理是：将炸药包放置于需要被切割钢结构的旁边，然后引燃炸药，炸药瞬时将倒V形药包装在金属外壳破坏，同时伴随的高温高速的金属粒子流集中冲向被切割工件上，把工件炸开从而形成割缝[7]。
与一般炸药爆炸相比，成形药包爆炸切割具有以下优点：
目录
第一章 绪论 1
1.1 本课题研究的背景及意义 1
1.2 水下切割技术在国内外的研究现状 1
1.3电弧焊接与切割过程机理及传感研究现状 5
1.3.1 熔滴过渡与电弧行为高速摄影 5
1.3.2 国内外焊接过程传感研究现状 6
1.3.3 总结 9
1.4 本课题研究目的及内容 10
1.4.1 研究目的 10
1.4.2 研究内容 10
第二章 切割用设备及传感系统 11
2.1 药芯割丝种类及切割原理 11
2.2药芯割丝切割用设备 11
2.2.1 切割电源与送丝机 11< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
br /> 2.2.2行走机构及切割系统构成 13
2.2.3 水下割炬 13
2.3 切割过程高速相机系统 14
2.4 霍尔电流、电压传感器 15
2.5 本章小结 17
第三章 药芯割丝电弧切割机理研究 18
3.1实验方案 18
3.2割炬行走速度对切割过程的影响 18
3.2.1边缘切割法 18
3.2.2常规切割法切割过程 22
3.3电弧电压对切割过程的影响 26
3.3.1低电弧电压切割过程 26
3.3.2高电弧电压切割过程 29
3.3.3高低电弧电压切割过程对比 32
3.4切割电流对切割过程的影响 33
3.4.1中等电流高电弧电压切割过程 33
3.4.2大电流高电弧电压切割过程 34
3.5水下切割实验 36
3.6本章小结 38
结论 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
为了应对水下建筑、跨江大桥的水下钢结构等金属结构，因为各种外在因素影响逐步磨损、腐蚀或者损坏。需要完成许多不同的水下工作，包括分割金属的一部分，或者把钢结构全部拆毁。除此，随着人们对海洋的开发与探索日益增多，海洋工程得到了较快的发展，因此水下切割成为了当今水下工程中不可或缺的重要方式。水下切割技术常被用于海洋能源开发、海上救援打捞、海洋矿物开采等海洋工程与大型水下设施的施工过程之中。此外，海上石油平台的建设、海底输油管道的修理、船舶及潜艇的维修和核潜艇的水下维护等工作也都离不开水下切割技术。水下切割技术的开发和利用海洋工程海洋资源、发展起到了巨大的促进作用，所以越来越多的人参与了水下焊接和切割实验。药芯割丝电弧水下切割技术具有设备简单、操作安全、综合成本低等优点，是一种有广泛应用前景的水下切割技术。江苏科技大学从巴顿研究所引进了这一技术并进行了切割工艺实验，取得了良好的切割效果，但目前对该方法切割机理并不清楚[1]。本课题在已有的熔化极药芯割丝电弧切割工艺研究的基础上，通过几种传感设备获得对切割过程的实时监控数据，对该方法切割机理进行研究。以及明白怎样可以达到理想的切割，为使药芯割丝电弧切割这一水下热切割技术拥有高质量的机械化，自动化打下基础。
1.2 水下切割技术在国内外的研究现状
水下切割方法分为两大类：水下热切割方法和水下冷切割方法。所谓的水下热切割方法就是利用热源对金属进行加热，使金属熔化，并采取某种方法将熔化金属或熔渣去除而形成切口的切割方法。热切割方法又可分为氧化切割法、熔化切割法及熔化氧化切割法。冷切割法是利用某种器具或某种高能量，使处于固态的金属直接被破坏分子间的结合而形成切口的切割方法，如水下机械切割和水下高压水切割等。
(1) 水下氧火焰切割
水下氧火焰切割的机理是采用气体火焰把钢板预热到燃点温度，然后用高速氧气射流喷向已经预热的金属，使得钢板发生氧化反应同时放出热量，氧气射流把氧化物及熔融金属吹掉形成切口。氧火焰切割所使用的气体主要包括乙炔、碳氢化合物、氢和液体燃料圈。图1.1为氧火焰切割原理示意图[2]。
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图1.1 氧火焰切割原理示意图
（2）水下电弧切割
最早由美国学者汉弗莱戴维在1802年提出，但是水下电弧氧切割被人们在实际工作中正式使用却要追溯到1915年[3]。其基本原理与水下氧火焰切割一样，只是用电弧代替火焰，氧气通过空心电极喷出，而电弧则在空心电极的端部产生，其原理示意图如图1.2所示。
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图 1.2 水下电弧氧切割原理示意图
水下电弧氧切割适用于能导电的金属材料，但主要是用来切割易氧化的低碳钢和低合金高强钢。其使用水深已超过150 m，可能切割的厚度也在继续增加。但水下电弧氧切割由于割缝质量低，多用于水下破坏性切割，单纯以切断材料为目的。
（3） 熔化极水喷射水下切割
这种方法是利用电弧产生的热量将金属熔化，并用高压水射流将被熔化的金属及熔渣吹掉，从而形成清洁的切口表面。熔化极水喷射切割示意图如图1.3所示[4]。
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图1.3 熔化极水射流切割示意图
（4）水下等离子弧切割
水下等离子弧切割是利用高能量密度和高速的等离子气流将熔化金属从割口处吹除，形成连续割口的切割方法[56]。
（5）水下爆炸切割
水下爆炸切割的原理是：将炸药包放置于需要被切割钢结构的旁边，然后引燃炸药，炸药瞬时将倒V形药包装在金属外壳破坏，同时伴随的高温高速的金属粒子流集中冲向被切割工件上，把工件炸开从而形成割缝[7]。
与一般炸药爆炸相比，成形药包爆炸切割具有以下优点：
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