大水深药芯割丝电弧切割机理及多传感信息融合控制

The underwater flux cored arc cutting is an efficient, safe and simple thermal cutting method. Realizing its continuous efficient cutting by automation is a revolution in China's underwater cutting technology. In this paper, aiming to overcome the shortage that the cutting parameters’ range is narrow and the arc is likely to distinguished, the underwater flux cored arc cutting mechanism is studied, and the new underwater observing and sensing method and multi-sensor information fusing modeling method were adopted. Thus, the arc ignition character, the arc movement, the droplet transfer, cut forming, different parameters’ influence on cutting process, the effective cutting mode, cutting feature extraction, cutting state prediction, and cutting process continuity control were researched as key scientific issues. A set of multi-sensor information based arc cutting mechanism and stability control method were put forward to support theoretical and technical foundation for underwater cutting process automation. The research will raise the overall level of China's underwater arc cutting.

水下药芯割丝电弧切割作为一种高效、安全、设备简单的热切割方法，实现其自动化下的连续高效切割是对我国水下切割技术的一次革命。针对该切割方法中电弧切割机理不够明确，在由半自动化转为自动化的过程中存在切割参数窄、容易熄弧的问题，本项目以水下药芯割丝电弧切割机理、切割过程特征提取及状态预测、切割过程连续性控制为研究对象，以水下切割过程的新型高速摄像观测和传感方法为核心，以多传感信息融合建模为基础，对照陆地切割和水下切割过程的异同，系统研究水下切割过程起弧特性、电弧运动、熔滴过渡、割口成形、材料及工艺参数对切割过程的影响、有效的切割模式、切割特征提取、切割状态预测、切割过程连续性控制等关键科学问题，提出一套基于多传感信息的水下电弧切割机理及过程稳定性控制方法，为从本质上保障水下切割过程自动化提供理论和技术支撑，最终达到全面提升我国水下电弧切割水平的目的。

随着海洋强国战略的实施，对水下切割的质量和效率提出了更高的要求。水下药芯割丝电弧切割技术作为一种高效、优质、安全、综合成本低的热切割方法，实现其在自动化下连续高效的切割成为迫切需求，半自动转自动化的关键问题是对水下药芯电弧切割机理的明确。.为了对切割机理进行深入研究，本项目首先针对低碳钢，不锈钢，铝等材料进行了0~150m水深范围内水下湿法切割工艺试验，确定水下电弧割口三种基本成形模式，即上宽下窄，上下等宽和上窄下宽。并对空气中与水下切割电弧起弧特性进行了比较，得出空气与水下电弧切割在起弧过程较为相似，均为接触式引弧，但水下药芯电弧切割过程稳定性较差。为进一步对切割过程进行直接观察，同步构建了水下“电弧-视觉-声音”多传感系统，并设计了一种三明治结构，用于克服水下切割时浑浊物的不利影响。.采用水下“电弧-视觉-声音”多传感系统进行视觉观测，可由高速摄像观察到水下熔滴过渡以细滴过渡为主；切割过程割丝会伸入工件内部自上而下穿孔切割；采用基于红外相机的正反面观测装置对切割表面过程进行监控，建立了三种引弧位置的模型，结果表明当电弧从割口底部引弧时切割效率最低。使用被动视觉在水下割口边缘检测的基础上实现了特征提取，并对水下视觉传感系统进行了标定，验证了割口特征提取的准确性和标定方法的可行性。.根据声音传感得到的超声反射回波开发了对工件切割状态判断程序，可对连续切割过程进行检测与处理，能够较为准确的判断出工件的堆渣、割穿和未割穿状态，根据检测结果所绘制三维图与实际工件割口情况基本一致。.对空气与水下切割过程进行模拟，利用生死单元法建立动态电弧切割运动轨迹模型，其割口形貌及温度场与实际实验吻合。验证了水下切割过程中不同工艺参数的三种切割方式，进一步证实了水下切割和空气切割具有很大的相似性。.本项目对水下药芯割丝电弧切割机理和过程控制的研究，对促进水下药芯割丝电弧切割技术自动化水平发展具有重要意义。