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。

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。