模拟海水环境的切割工艺研究underwaterarccuttingtechnologyforsimulatingseaw
摘 要摘 要随着我国海洋战略的不断发展，水下药芯割丝电弧切割技术作为一种简单、高效的切割方法，在海洋设备的施工、拆除中有着广阔的应用前景。目前，我国关于该方法的工艺研究大都局限在淡水环境下，而海水环境的研究较少，为了日后的实际工程应用，需解海水环境下药芯割丝电弧切割的特点及机理。在本次课题研究中首先搭建了能够进行海水切割的试验平台，平台主要由切割电源、送丝机、割炬、割丝、水箱、数控精密工作台组成。在水箱中使用了化学药品来配制模拟海水,在试验平台中完成了淡水、海水两种不同水环境下，三个重要的切割参数（切割电流、电弧电压、切割速度）作为变量，总计18组不同工艺参数的水下切割试验。使用电弧传感获取了切割过程的电流、电压数据，并获取了割口形貌的数据。使用Origin软件对收集到的电流波形图进行了平滑处理以凸显其电流变化的趋势。试验结果表明，在海水环境下，三种切割参数对切割结果影响趋势和淡水环境中基本相同。同一参数下，海水环境下的上、下割口宽度普遍大于淡水环境。在切割电流和切割速度的试验中，海水环境减少了挂渣或是减缓了挂渣增加的速度。而在电弧电压的试验中，海水环境使得挂渣略微增多。初步探明了海水会增加熄弧次数，并容易使切割过程中持续出现微小电弧。关键字水下切割；药芯割丝；模拟海水；熔化极电弧切割
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2水下切割分类概述 1
1.3水下熔化极电弧切割应用现状 4
1.4水下熔化极电弧切割原理 7
1.4.1药芯割丝水下熔化极电弧切割定义及特点 7
1.4.2水下熔滴过渡形式 7
1.4.3水下熔化极电弧切割过程 8
1.5 本课题研究内容 9
第二章 水下熔化极电弧切割原理及试验设计 10
2.1水下熔化极电弧切割试验系统搭建 10
2.1.1切割电源 10
2.1.2数控精密工作台 11
2.1.3送丝机、割丝及割炬 11
2.1.4水箱及水下切割工作台 12
2.2海水成分模拟 12
2.3水下切割试验设计 13
2.3.1试验条件 13
2.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
.2试验方案 14
2.3.3试验结果评价方法 15
第二章 两种水环境下切割工艺参数对切割质量的影响 16
3.1切割电流参数试验结果及分析 16
3.2电弧电压参数试验结果及分析 20
3.3切割速度参数试验结果及分析 24
3.4海水对切割结果影响机理的分析 28
3.5本章小结 29
结论 31
致谢 31
参考文献 33
绪论
研究背景
随着陆上的矿物、石油、燃气等不可再生资源被逐渐的开采殆尽，当今各大国已将战略目光投向海洋，海洋经济已然成为新世纪的发展方向，21世纪成为海洋世纪已是可以预见的未来。由此带来了大量的各种船舶和海洋、海岸工程设备设施的建设。当这些设备设施退役或维修时，必然要对其进行拆除、切割，这时就必须应用水下切割技术。因此水下切割技术在整个海洋经济中占有举足轻重的地位。
因此，水下药芯割丝电弧切割作为一种易于实现自动化、高效安全的热切割方法，在水下的应用已经引起了关注。已有许多研究学者进行了水下应用的研究，并创造了一些实际运用的产品。但目前为止大都局限于淡水环境下的研究，对于海水环境下的研究报道较少。随着海洋战略的不断发展，水面及水下工程的施工环境逐渐由淡水转向海水，这使得当前的研究无法完全满足工程上的需要。
为了日后水下电弧切割的实际应用，事先对水下药芯割丝电弧切割的工艺研究是十分必要的。受学校地理位置限制，使用真正的海水来进行相关切割试验还是比较麻烦的，因此本文使用了模拟海水进行了切割试验，研究不同工艺参数对整个施工效果的影响，及其影响机理，这对实际工艺的制定以及后续的研究起着决定性作用。
水下切割分类概述
水下切割经过多年的发展，已出现多种形式、多种切割原理的切割方式。从基本原理上可将其分为两个方向，即水下冷切割方法和水下热切割方法。
水下冷切割方法多是借用某种机械装置或是产生某种高能量，在材料不熔化的情况下，直接将分子间的结合破坏，进而形成割口，最终使材料分离的切割方法。例如: 金刚石绳锯法[1]、爆炸切割法[2,3]、高压水射流法[4]、机械切割法[5]等。
水下热切割方法是利用某种热源使金属熔化，或使其在纯氧中燃烧；并且通过某种措施如：气体、自重、水流，将熔化金属或熔渣剥离切口，进而到达分离材料的目的。下文对几种重要的热切割方法做了介绍。
各种水下切割方法的具体分类见表11[6]。
表11 水下切割方法的分类
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水下氧火焰切割
1895年，氧乙炔火焰被研发出来，5年后，氧乙炔割炬出现，标志着该方法开始用于陆地上的切割作业[7]。1908年，氧乙炔割炬第一次被用于水下了切割作业，但施工结果不理想。直到1925年，一种使用压缩空气的氧氢割炬被研制出来，才在实际应用中获得了较好的切割效果[8]。
水下氧火焰切割的基本原理是，首先通过气体火焰将切割材料加热到燃点温度，然后将高压氧气射向预热后的材料，使得材料和氧气发生氧化生成氧化物，并将氧化物及熔融材料吹离工件，最终形成割口[9]。图11为氧火焰切割原理示意图。
水下电弧氧切割
19世纪伊始，电弧就已经被证实可以在水下连续燃烧，并由此想到了利用电弧热来进行水下切割。但直到20世纪10年代，利用氧气辅助的水下电弧切割方式才被正式的推广使用[10]。
当代的水下电弧氧切割和氧火焰切割类似，主要的不同点是，氧火焰切割的切割能量来源是化学热，而电弧氧切割的来源是电弧热。其原理如图12所示[8]。/
图12 水下电弧氧切割示意图
水下等离子弧切割
该方法最早于1960年被首次报道[11]，美国和意大利两国最先将等离子弧割炬应用于水下[12]。而后，前西德、前苏联和英国相继对该方法的切割工艺进行了研究，并且研发一系列的水下等离子弧切割设备[1315]。20世纪90年代，哈尔滨焊接研究所结合大水深实践作业中所遇到的问题，研发了改进后的水下等离子切割设备，主要的改进方向是为割炬添加防水、排水功能 [16,17]。
该方法和陆上等离子弧焊的原理、设备相比较并没有根本性的差别，不相同的是水下切割时应用的气流和电流都比较大。水下等离子弧切割的核心原理是：首先切割工件被高温等离子弧加热至熔融状态，而后借用高速运动的等离子体吹除熔融物质。水下等离子弧切割法原理如图13所示。
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图13 水下等离子弧切割原理图
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2水下切割分类概述 1
1.3水下熔化极电弧切割应用现状 4
1.4水下熔化极电弧切割原理 7
1.4.1药芯割丝水下熔化极电弧切割定义及特点 7
1.4.2水下熔滴过渡形式 7
1.4.3水下熔化极电弧切割过程 8
1.5 本课题研究内容 9
第二章 水下熔化极电弧切割原理及试验设计 10
2.1水下熔化极电弧切割试验系统搭建 10
2.1.1切割电源 10
2.1.2数控精密工作台 11
2.1.3送丝机、割丝及割炬 11
2.1.4水箱及水下切割工作台 12
2.2海水成分模拟 12
2.3水下切割试验设计 13
2.3.1试验条件 13
2.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
.2试验方案 14
2.3.3试验结果评价方法 15
第二章 两种水环境下切割工艺参数对切割质量的影响 16
3.1切割电流参数试验结果及分析 16
3.2电弧电压参数试验结果及分析 20
3.3切割速度参数试验结果及分析 24
3.4海水对切割结果影响机理的分析 28
3.5本章小结 29
结论 31
致谢 31
参考文献 33
绪论
研究背景
随着陆上的矿物、石油、燃气等不可再生资源被逐渐的开采殆尽，当今各大国已将战略目光投向海洋，海洋经济已然成为新世纪的发展方向，21世纪成为海洋世纪已是可以预见的未来。由此带来了大量的各种船舶和海洋、海岸工程设备设施的建设。当这些设备设施退役或维修时，必然要对其进行拆除、切割，这时就必须应用水下切割技术。因此水下切割技术在整个海洋经济中占有举足轻重的地位。
因此，水下药芯割丝电弧切割作为一种易于实现自动化、高效安全的热切割方法，在水下的应用已经引起了关注。已有许多研究学者进行了水下应用的研究，并创造了一些实际运用的产品。但目前为止大都局限于淡水环境下的研究，对于海水环境下的研究报道较少。随着海洋战略的不断发展，水面及水下工程的施工环境逐渐由淡水转向海水，这使得当前的研究无法完全满足工程上的需要。
为了日后水下电弧切割的实际应用，事先对水下药芯割丝电弧切割的工艺研究是十分必要的。受学校地理位置限制，使用真正的海水来进行相关切割试验还是比较麻烦的，因此本文使用了模拟海水进行了切割试验，研究不同工艺参数对整个施工效果的影响，及其影响机理，这对实际工艺的制定以及后续的研究起着决定性作用。
水下切割分类概述
水下切割经过多年的发展，已出现多种形式、多种切割原理的切割方式。从基本原理上可将其分为两个方向，即水下冷切割方法和水下热切割方法。
水下冷切割方法多是借用某种机械装置或是产生某种高能量，在材料不熔化的情况下，直接将分子间的结合破坏，进而形成割口，最终使材料分离的切割方法。例如: 金刚石绳锯法[1]、爆炸切割法[2,3]、高压水射流法[4]、机械切割法[5]等。
水下热切割方法是利用某种热源使金属熔化，或使其在纯氧中燃烧；并且通过某种措施如：气体、自重、水流，将熔化金属或熔渣剥离切口，进而到达分离材料的目的。下文对几种重要的热切割方法做了介绍。
各种水下切割方法的具体分类见表11[6]。
表11 水下切割方法的分类
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水下氧火焰切割
1895年，氧乙炔火焰被研发出来，5年后，氧乙炔割炬出现，标志着该方法开始用于陆地上的切割作业[7]。1908年，氧乙炔割炬第一次被用于水下了切割作业，但施工结果不理想。直到1925年，一种使用压缩空气的氧氢割炬被研制出来，才在实际应用中获得了较好的切割效果[8]。
水下氧火焰切割的基本原理是，首先通过气体火焰将切割材料加热到燃点温度，然后将高压氧气射向预热后的材料，使得材料和氧气发生氧化生成氧化物，并将氧化物及熔融材料吹离工件，最终形成割口[9]。图11为氧火焰切割原理示意图。
水下电弧氧切割
19世纪伊始，电弧就已经被证实可以在水下连续燃烧，并由此想到了利用电弧热来进行水下切割。但直到20世纪10年代，利用氧气辅助的水下电弧切割方式才被正式的推广使用[10]。
当代的水下电弧氧切割和氧火焰切割类似，主要的不同点是，氧火焰切割的切割能量来源是化学热，而电弧氧切割的来源是电弧热。其原理如图12所示[8]。/
图12 水下电弧氧切割示意图
水下等离子弧切割
该方法最早于1960年被首次报道[11]，美国和意大利两国最先将等离子弧割炬应用于水下[12]。而后，前西德、前苏联和英国相继对该方法的切割工艺进行了研究，并且研发一系列的水下等离子弧切割设备[1315]。20世纪90年代，哈尔滨焊接研究所结合大水深实践作业中所遇到的问题，研发了改进后的水下等离子切割设备，主要的改进方向是为割炬添加防水、排水功能 [16,17]。
该方法和陆上等离子弧焊的原理、设备相比较并没有根本性的差别，不相同的是水下切割时应用的气流和电流都比较大。水下等离子弧切割的核心原理是：首先切割工件被高温等离子弧加热至熔融状态，而后借用高速运动的等离子体吹除熔融物质。水下等离子弧切割法原理如图13所示。
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图13 水下等离子弧切割原理图
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