先進焊接與連接技術1項目1：水下焊接技術先進焊接與連接技術2項目1水下焊接技術【項目導入】海洋蘊藏著豐富的油氣資源,隨著我國原油對外依存度的逐年攀高,加快海洋石油開發(fā)的需求愈發(fā)迫切,大力發(fā)展海洋石油勘探開發(fā)技術,并不斷向海洋的深度和廣度進軍,對我國經(jīng)濟發(fā)展和能源安全具有非常重要的戰(zhàn)略意義。隨著海洋油氣資源大開發(fā)時代的到來,大量的海洋工程建設和維護工作需要先進的水下焊接技術作為支撐。水下焊接技術已成為采油平臺、輸油管道和海底倉庫等大型海洋結構物組裝、維護及維修的關鍵所在?！緦W習目標】1.了解水下焊接技術發(fā)展與研究現(xiàn)狀。2.理解水下焊接技術的基本原理。3.熟悉水下焊接的主要方法和焊接材料并能合理進行選擇。4.熟悉水下焊接的主要設備。5.根據(jù)典型鋼材的水下焊接試驗掌握水下焊接工藝過程。先進焊接與連接技術3任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接任務解析通過完成本任務，使學生能夠了解水下焊接技術的的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，并能闡述水下焊接技術的應用及其重要性；通過原理分析，能夠明晰水下焊接的基本原理和焊接要素，熟悉水下焊接的主要設備及各部分主要功能，掌握水下焊接方法的主要種類，并能夠選擇合理的水下焊接方法和焊接材料，了解典型鋼材的水下焊接工藝試驗過程，達到能夠制定水下焊接工藝的能力。必備知識一、水下焊接的特點水下環(huán)境使得水下焊接過程比陸上焊接過程復雜得多，除焊接技術外，還涉及到潛水作業(yè)技術等諸多因素，水下焊接的特點是：先進焊接與連接技術4任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接1.可見度差水對光的吸收、反射和折射等作用比空氣強得多，因此，光在水中傳播時減弱得很快。另外,焊接時電弧周圍產(chǎn)生大量氣泡和煙霧，使水下電弧的可見度非常低。在淤泥的海底和夾帶泥沙的海域中進行水下焊，水中可見度就更差了。長期以來，這種水下焊接基本屬于盲焊,嚴重地影響了潛水焊工操作技術的發(fā)揮，這是造成水下焊接容易出現(xiàn)缺陷,焊接接頭質(zhì)量不高的重要原因之一。2.焊縫含氫量高氫是焊接的大敵，如果焊接中氫含量超過允許值，很容易引起裂紋，甚至導致結構的破壞。水下電弧會使其周圍水產(chǎn)生熱分解，導致溶解到焊縫中的氫增加，一般焊接中擴散氫含量27～36Lg?g,為陸地酸性焊條焊接時的好幾倍。水下焊條電弧焊的焊接接頭質(zhì)量差與氫含量高是分不開的。先進焊接與連接技術5任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接3.冷卻速度快水下焊接時，海水的熱傳導系數(shù)較高，是空氣的20倍左右。即使是淡水，其熱傳導系數(shù)也為空氣的十幾倍。若采用濕法或局部干法水下焊接時，被焊工件直接處于水中，水對焊縫的急冷效果明顯，容易產(chǎn)生高硬度的淬硬組織。因此，只有采用干法焊接時，才能避免冷效應。4.電弧電壓高隨著壓力增加(水深每增加10m，壓力增加0.1MPa)。電弧弧柱變細嗎，焊道寬度變窄，焊縫高度增加，同時導電介質(zhì)密度增加，從而增加了電離難度，電弧電壓隨之升高，電弧穩(wěn)定性降低，飛濺和煙塵也增多。5.焊縫不連續(xù)由于受水下環(huán)境的影響與限制,連續(xù)作業(yè)難以實現(xiàn)，許多情況下不得不采用焊一段停一段的方法進行，因而產(chǎn)生焊縫不連續(xù)的現(xiàn)象。先進焊接與連接技術6任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接二、水下焊接方法分類目前，水下焊接一般依據(jù)焊接所處的環(huán)境大體上分為三類：濕法水下焊接、干法水下焊接和局部干法水下焊接。但隨著水下焊接技術的發(fā)展,又出現(xiàn)了一些新的水下焊接方法：水下螺柱焊接、水下爆炸焊接、水下電子束焊接和水下鋁熱劑焊接等。1.濕法水下焊接技術濕法水下焊接是潛水員在水環(huán)境中進行的焊接，如圖1-1所示。水下能見度差，潛水焊工看不清焊接情況，會出現(xiàn)“盲焊”的現(xiàn)象，難以保證水下焊接質(zhì)量，尤其水密性更難以保證。因此采用這類方法難以獲得質(zhì)量良好的焊接接頭，尤其是焊接結構應用在較為重要的情況下，焊接的質(zhì)量難以令人滿意。但由于濕法水下焊接具有先進焊接與連接技術7任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接設備簡單、成本低廉、操作靈活、適應性較強等優(yōu)點，所以，近年來各國對這種方法仍在繼續(xù)進行研究，特別是涂藥焊條和手工電焊，在今后的一段時期還會得到進一步的應用。圖1-1濕法水下焊接示意圖先進焊接與連接技術8任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

對濕法水下焊接設計最有指導作用的文件是美國焊接學會的AWS標準（AWSD3.6）。現(xiàn)在濕法水下焊接中最常用的方法為焊條電弧焊和藥芯焊絲電弧焊。在焊接時，潛水焊工要使用帶防水涂料的焊條和為水下焊接專門設計或改制的焊鉗。盡管濕法水下焊接已經(jīng)取得了較大的進展，但到目前為止，應該說水深超過100m的濕法水下焊接仍難得到較好的焊接接頭，因此還不能用于焊接重要的海洋工程結構。應用實例：1）1991年首次在北海對一個非主要結構桿件進行了濕法水下焊接，現(xiàn)在濕法水下焊接已在北海平臺輔助構件的下修理中得到成功的應用。另外，濕法水下焊接技術也廣泛用于海洋條件好的淺水區(qū)以及不要求承受高應力構件的焊接。2）國際上應用濕法水下焊條以及濕法水下焊接技術最廣的是墨西哥灣。墨西哥灣核反應堆供水起泡管的修復、AmocoTrinidad石油公司的石油平臺78m深的水下焊補都采用了水下濕法焊接技術。該技術的研究對于我國渤海灣和遼東灣今后的海底管道修復、如犧牲陽極的更換等具有非常重要的現(xiàn)實意義。先進焊接與連接技術9任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接濕法水下焊接的電弧實際上是在電弧氣泡中燃燒的。水下焊接時電弧周圍能否成一定大小、穩(wěn)定的電弧氣泡是水下焊接成功的首要條件。電弧氣泡中的氣體主要是由水蒸汽高溫解離形成的氫和氧，焊條藥皮中燃燒分解的CO和CO2所組成。普通酸性及堿性焊條用于水下焊時形成的電弧氣泡成份如表1-1所示。表1-1普通焊條電弧氣泡氣體構成（體積百分數(shù)）1.濕法水下焊接技術先進焊接與連接技術10任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

隨著水下焊接水深的增加，形成電弧氣泡的體積因受到壓縮而逐漸變小，而過少的電弧氣泡導致焊縫金屬氣孔傾向增加。當電弧氣泡變得足夠少時，電弧極易熄滅使焊接過程無法順利進行。電弧氣泡形成后的長大應滿足以下物理條件:pg≥pa+ph+ps式中：pg為氣泡內(nèi)部的壓力；pa為大氣壓力；ph為氣泡周圍的靜水壓力；ps為氣泡表面張力引起的附加壓力。在陸地焊接時，ph近于零；而在水下焊接時，ph隨水深的增加而增大，pa和ps可以看作不受水深的影響。故要使焊接順利進行，只有增大pg。增大pg的途徑之一是增加電弧溫度，這可通過調(diào)整焊接電流來實現(xiàn)，這是由于較高的電弧溫度能解離足夠的氫和氧；二是提高焊條藥皮的造氣功能,使焊條藥皮燃燒時能生成更多CO2、CO氣體。先進焊接與連接技術11任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接電弧氣泡中氫的比例過大將導致二種與氫有關缺陷的生成：一是焊縫中氣孔的傾向增加，二是焊縫金屬及熱影響區(qū)氫致裂紋敏感性增大。因此，在設計配方時既要保證電弧氣泡有足夠的壓力，又要設法降低電弧氣泡中氫的比例。在藥皮中加入適量的CaF2和SiO2可以實現(xiàn)這一目的。SiO2+2CaF2+3[H]=2CaO+SiF+3HF或SiO2+2CaF2=2CaO+SiF4CaF2+H2O(氣)=CaO+2HF化學冶金反應產(chǎn)物CaO、SiF或SiF4與其它反應產(chǎn)物MnO、SiO2及起稀渣作用的TiO2等浮出熔池進入熔渣，HF氣體對焊縫金屬無有害作用并同樣起著增加電弧氣泡壓力的作用。水下焊接氫致裂紋敏感性比陸地焊接要，這是由于水對工件的強烈冷卻作用致使低碳鋼的焊接熱影響區(qū)都能發(fā)生相變而產(chǎn)生馬氏體。當鋼中碳當量超過0.4%時，熱影響區(qū)的維氏硬度可超過400，同時焊接過程中如果氫氣含量高，一旦焊縫吸氫較多，在焊接熱應力和相變應力的作用下容易引起氫致裂紋的產(chǎn)生?？梢娊档碗娀馀葜袣涞谋壤欠浅１匾?。先進焊接與連接技術12任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接2.干法水下焊接技術干法水下焊接是用氣體將焊接部位周圍的水排除，而潛水焊工處于完全干燥或半干燥的條件下進行焊接的方法。進行干法水下焊接時，需要設計和制造復雜的壓力艙或工作室。根據(jù)壓力艙或工作室內(nèi)壓力不同，干法水下焊接又可分為高壓干法水下焊接和常壓干法水下焊接。1）高壓干法水下焊接；如圖1-2所示。隨著海底焊接工程的增多、海底工程深度的加大和對焊接質(zhì)量要求的提高，高壓干法水下焊接以其焊接質(zhì)量高、接頭性能好等優(yōu)點越來越受到重視。由于濕法水下焊接與局部干法水下焊接，一般只用于幾米至幾十米水深非重要結構物修復,實際應用水深通常不超過40m，為了適應海洋工程向深海發(fā)展的形勢，許多國家加大了對高壓干法水下焊接技術的研究與應用。先進焊接與連接技術13任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接圖1-2高壓干法水下焊接示意圖先進焊接與連接技術14任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

（1）挪威：目前國外用于水下維修作業(yè)的，多采用高壓軌道TIG焊系統(tǒng)進行，較為知名的作業(yè)系統(tǒng)有PRS系統(tǒng)和OTTO系統(tǒng)。PRS系統(tǒng)由挪威的Statoil公司組織開發(fā)，該系統(tǒng)設計目標是能從事1000m水深的焊接，在334m水深成功地進行了管道焊接，焊縫-30℃沖擊功達到300J，焊縫的顯微硬度低于245HV。該系統(tǒng)迄今為止已經(jīng)成功完成20多處水下管道維修任務。

（2）英國英國的OOTO系統(tǒng)主要由焊接艙和軌道TIG焊機組成，實驗表明，135m水深的焊縫-l0℃沖擊功達到180J，斷裂強度550MPa。該套系統(tǒng)曾在海底連續(xù)工作過4周，累計完成了18處焊縫，焊接程序和質(zhì)量獲得了挪威勞氏船級社的認證。

（3）國內(nèi)：我國于2002年10月將水下干式高壓焊接技術規(guī)劃為國家863計劃重大專項“渤海大油田勘探開發(fā)關鍵技術”中的一個重要組成部分。該項目由北京石油化工學院負責。目前，已設計并建立了國內(nèi)第一個高壓焊接實驗室，設有高壓焊接試驗艙，可以進行不同壓力等級的焊接試驗和研究。隨后開始按年度計劃進行高壓焊接工藝實驗和工藝評定。先進焊接與連接技術15任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

高壓干法焊接方法是指：氣室底部是開口的，通入氣壓稍大于工作水深壓力的氣體，把氣室內(nèi)的水從底部開口處排出，焊接是在干的氣室中進行的。一般采用焊條電弧焊或惰性氣體保護電弧焊等方法進行，是當前水下焊接中質(zhì)量最好的方法之一，基本上可達到陸上焊縫的水平，但也存在如下三個問題：

1）氣室往往受到工程結構形狀、尺寸和位置的限制，局限性較大，適應性較??；2）必須配有一套生命維持、濕度調(diào)節(jié)、監(jiān)控、照明、安全保障、通信聯(lián)絡等系統(tǒng)。輔助工作時間長，水面支持隊伍龐大，施工成本較高。3）同樣存在“壓力影響”這個問題。3）同樣存在“壓力影響”這個問題。在深水下進行焊接（如幾十米到幾百米時，隨著電弧周圍氣體壓力的增加，焊接電弧特性、冶金特性及焊接工藝特性都要受到不同程度的影響。先進焊接與連接技術16任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

焊接在密封的壓力艙中進行，壓力艙內(nèi)的壓力與地面的大氣壓相等，與壓力艙外的環(huán)境水壓無關，如圖1-3所示。實際上這種焊接方式既不受水深的影響，也不受水的作用，焊接過程和焊接質(zhì)量與陸上焊接時一樣。但常壓焊接系統(tǒng)在海洋工程中的應用很少，其主要原因是，焊接艙在結構物或者管道上的密封性和焊接艙內(nèi)的壓力很難保證。巴西石油公司曾與Lockheed石油公司聯(lián)合開發(fā)的該類作業(yè)系統(tǒng)在亞馬遜盆地進行了應用。常壓干法焊接設備造價比高壓干法水下焊接還要昂貴，焊接輔助人員也更多，所以一般只用于深水焊接重要結構。此方法的最大優(yōu)點就是可有效地排除水對焊接過程的影響，其施焊條件完全和陸地焊接時的一樣，因此其焊接質(zhì)量也最有保證。先進焊接與連接技術17任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接圖1-3常壓干法水下焊接示意圖先進焊接與連接技術18任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接2）常壓干法水下焊接技術是在淺海水域使用圍堰的方式。波浪、潮汐以及較大的水深變化，使得淺水區(qū)域工作環(huán)境很不穩(wěn)定。有些公司通過采用配備梯子的桶性結構將焊接艙連接到水面，形成常壓工作環(huán)境來解決問題，從而實現(xiàn)常壓焊接，如圖1-4所示。該施工環(huán)境的壓差很小，可以找到有效的密封方法。雖然需要考慮通風和安全程序，但該技術在某些特殊應用中已經(jīng)被證明是實用的，特別適用于灘涂地區(qū)的海洋工程結構的維修。圖1-4圍堰焊接示意圖先進焊接與連接技術19任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接3.局部干法水下焊接技術局部干法水下焊接技術是利用氣體使焊接局部區(qū)域的水人為地被排開，形成一個局部干的氣室進行焊接。焊接時電弧穩(wěn)定，焊接質(zhì)量明顯提高。1）局部排水熔化極氣體保護焊接技術；應用于近海工程鋼結構焊接的方法。干點式水下焊接是由美國首先提出來的，后由美英跨國公司用于生產(chǎn)。它有一個可移動的手提式小型圓筒形氣室，一端封閉，另一端開口能按照焊接區(qū)的幾何形狀加一柔性密封的墊環(huán)。氣保護焊槍固定在柔軟的頸上并且伸入到可移動的圓筒形氣室內(nèi)。氣室壓緊在工件焊接區(qū)上，將具有一定壓力的保護氣體通入氣室內(nèi)起排開水(迫使氣室內(nèi)的水經(jīng)過半密封墊環(huán)排出)和保護焊接的作用。潛水焊工手提帶焊槍的圓筒形氣室沿著焊縫移動進行焊接,這種干氣室裝置可適應水下全位置焊接,接頭強度不低于母材,冷彎角可達180°。據(jù)報道,在水深29m處能焊出合格的焊縫,英國曾在水深27m處進行焊接。先進焊接與連接技術20任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接2）局部干法大型氣罩法水下焊接；其裝置是一個可拆卸的大型透明氣罩,把它安裝或圍繞在被焊的水下鋼結構上,氣罩下部是開口的,惰性保護氣體通入氣罩內(nèi)排開水,保持焊接區(qū)域是干的,潛水焊工把焊槍從下面伸入,在干的環(huán)境里進行MIG焊接,焊接和檢查工作結束后將氣罩拆除,此法主要用實芯焊絲或藥芯焊絲進行氣體保護半自動焊、鎢極氬弧焊等。美國在水深12m處用此法修復采油平臺管徑406mm的立管,焊后經(jīng)水壓試驗,符合要求。水下局部干法MIG焊接作為一種極有發(fā)展前途的水下焊接方法也得到了重視。通過對氣體保護焊的基礎理論進行研究,建立了相應的數(shù)學模型,設計了合適的噴嘴結構和氣流速度,并探討了水壓、保護氣體與工藝行為、電弧行為、熔敷率之間的關系。運用多普勒分速計測試分析了局部空穴的氣流分布和相分布,研究了保護罩與熱傳輸、壓力的關系。在對輻流抽氣機原理認識的基礎上設計了一種新型排水罩,使得罩內(nèi)焊接區(qū)氣壓下降,實驗表明該排水罩形式下的焊縫性能達到了空氣中的水平。先進焊接與連接技術21任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接王國榮等人研究了一種局部干法水下焊接技術。應用流體力學理論對排水罩進行計算和試驗,確定了合理的排水罩結構和尺寸,進行了局部干法焊接試驗。結果表明:該法的焊接冷卻速度、焊接接頭中的擴散氫含量和焊接HAZ最高硬度值均比濕法的要低,得到的焊縫無氣孔、裂紋和夾渣等缺陷;V型坡口焊接接頭的機械性能滿足API1004和ASMEN等標準規(guī)定的要求。

清華大學進行了水下局部干法激光焊接的實驗研究。選用304不銹鋼作為母材，ULC308作為填充焊絲，激光器功率為4kW。結果表明:保護氣體流速對焊縫質(zhì)量影響很大,氣體流速低,焊縫氧的含量達800ug/g氣體流速高,焊縫氧的含量降為80ug/g

焊縫金屬的抗拉強度不隨保護氣體流速而改變,塑性則隨保護氣體流速的降低而下降。噴嘴形狀對焊接保護環(huán)境影響很大,適當增加噴嘴直徑尺寸,可以獲得比較穩(wěn)定的氣流空穴,從而獲得滿意的焊接質(zhì)量。先進焊接與連接技術22任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

3）水簾式水下焊接法由日本首先提出，焊槍結構為兩層。高壓水射流從焊槍外層呈圓錐形噴出，形成一個挺度高的水簾，阻擋外面的水入侵。焊槍內(nèi)層通入保護氣體，把焊槍正下方的水排開，使保護氣體能在水簾內(nèi)形成一個穩(wěn)定的局部氣相空腔，焊接電弧在其中不受水的干擾，穩(wěn)定燃燒，如圖1-5所示。水簾有三個作用：一是形成一個保護氣體與外界水隔離的屏蔽；二是利用高速射流的抽吸作用，把焊接區(qū)的水抽出去，形成氣相空腔；三是把逸出的大氣泡破碎成許多小氣泡，使氣腔內(nèi)氣體壓力波動較小，從而保持氣腔的穩(wěn)定性。這種方法的焊接接頭強度不低于母材，焊接接頭面彎和背彎都可達到6708，焊槍輕便，較靈活，但可見度問題沒有解決。保護氣體和煙塵將焊接區(qū)的水攪得混濁而紊亂，焊工基本處于盲焊狀態(tài)。另外，噴嘴離焊件表面的距離和傾斜度要求嚴格，對焊工的操作技術要求較高，再加上鋼板對高壓水的反射作用，這種方法在焊接搭接接頭和角接接頭時效果不好，手工焊十分困難，應向自動化方向發(fā)展。先進焊接與連接技術23任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接圖1-5水簾式焊接示意圖先進焊接與連接技術24任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接4）鋼刷式水下焊接法這是日本發(fā)展的一種方法，是為了克服水簾式的缺點而研制的。此法是用直0.2mm的不銹鋼絲“裙”代替水簾的一種局部排水法，它不僅可進行自動焊，也可進行手工焊。為減小鋼絲間的間隙，增加空腔的穩(wěn)定性，在鋼絲裙上加一圈銅絲網(wǎng)(100-200目)；為避免飛濺粘到鋼絲上，在鋼絲裙內(nèi)側(cè)襯上一圈直徑0.1mm的SiC纖維絲。這種方法曾用于焊修鋼樁被海水腐蝕掉的焊縫，水深是1-6m。5）罩式水下焊接法在焊件上安裝一個透明罩，用氣體將罩內(nèi)的水排出，潛水焊工在水中將焊槍從罩的下方伸進罩內(nèi)的氣相區(qū)進行焊接，焊工通過罩壁觀察焊接情況，這種水下焊接可對不同接頭形式的焊縫進行空間位置焊接，多采用熔化極氣體保護焊，也可采用鎢極氬弧焊及焊條電弧焊。實際應用的最大水深是40m。。先進焊接與連接技術25任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

這種氣罩式局部干法水下焊接屬于大型局部干法，焊接質(zhì)量比小型局部干法高，但靈活性和適應性稍差。另外，焊接時間過長，罩內(nèi)煙霧變濃，影響潛水焊工視線，應注意排氣，始終保持罩內(nèi)氣體清澈，是該法必須解決的問題(4）可移動氣室式水下焊接法1968年由美國首先提出，后由美英跨國公司應用于生產(chǎn)。它具有一個可移動的一端開口的氣室，通入的氣體既是排水氣體又是保護氣體。這種方法是通過可移動氣室壓在焊接部位上，用氣體將氣室內(nèi)的水排出，氣室內(nèi)呈氣相，電弧在其中燃燒。氣室直徑只有100-130mm，屬于干點式水下焊接法。焊接時，將氣室開口端與被焊部位接觸，在開口端裝有半透密封墊與焊槍柔性密封，焊槍從側(cè)面伸入氣室中，排水氣體將水排出后，便可借助氣室中的照明燈看清坡口位置，而后引弧焊接，焊一段，移動一段氣室，直至焊完整條焊縫。該法可進行全位置焊接。由于氣室內(nèi)的氣相區(qū)較穩(wěn)定，電弧較穩(wěn)定，焊接質(zhì)量較好接頭強度不低于母材，焊縫無夾渣、先進焊接與連接技術26任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接氣孔、咬肉等缺陷，焊接區(qū)硬度也較低。焊接接頭性能滿足美國石油學會規(guī)程的要求，并在最大水深30-40m中應用。但這種水下焊接法也存在一些不足之處：1)不能很好地排除焊接煙霧的影響。2)氣室與潛水面罩之間仍有一層水，在清水中對可見度影響不太大，但在渾水中可見度問題仍未得到解決。

3)焊槍與氣室是柔性連接，焊一段，停一次弧，移動一次氣室，焊縫不連續(xù)，焊道接頭處易產(chǎn)生缺陷。綜上所述，合理采用局部排水措施可有效解決水下焊接的三個主要技術關鍵，從而能提高電弧的穩(wěn)定性，改善焊縫成形，減少焊接缺陷，在水深不超過30-40m的情況下，可以獲得性能良好的焊接接頭，局部干法水下焊接是很有前途的水下焊接方法。但是目前提出的幾種小型局部干法水下焊接方法，除了干點式已初步在實際中應用外，其它尚處于試驗階段。先進焊接與連接技術27任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

4.水下其他焊接方法(1)水下螺柱焊水下螺柱焊接系統(tǒng)最早是英國焊接研究所（TWI）在上世紀80年代中期開發(fā)的，在焊接之前，用聚合物環(huán)套住螺柱就可以解決海水的冷卻問題。在我國，某船廠對500t下水船排滑行軌道22mm壓緊螺栓進行調(diào)換工作時，首次采用了水下螺柱焊接工藝。由于這種方法作業(yè)深度較淺，受水的影響較小，而且焊接接頭也產(chǎn)生了部分缺陷，焊接工藝參數(shù)及防電保護瓷套等對焊接質(zhì)量的影響也沒有完全解決，所以還需很長的時間研究完善。(2）水下爆炸焊接水下爆炸焊接利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊力使焊接工件發(fā)生碰撞而實現(xiàn)金屬材料連接。水下爆炸焊具有準備工作簡單，不需要預熱、后熱等熱處理過程，不需要焊機，操作方便，技術要求不高等優(yōu)點。日本很早就進行了水下導管的爆炸先進焊接與連接技術28任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接焊接和水下爆炸復合板的工作，并在大阪市港灣局的協(xié)助下進行了海水的實驗。英國在促進北海油田和氣田海底管線鋪設時提供資金讓國際科研及開發(fā)公司（In-tertlonalResearch＆DevelopmentCo．）對水下爆炸焊接進行研究。在上世紀70年代后期，英國水下管道工程公司（BritishUnderwaterPipelineEngineeringCompany，BUPE）根據(jù)與挪威國家石油公司（StatoilofNorway）的合同，研制了一個完整的管道修補系統(tǒng)，其中采用了爆炸焊技術。（3）水下激光焊接水下局部干法激光焊是一種新興研究發(fā)展的水下焊接方法，目前還處于試驗研究階段，我國清華大學對此進行了研究。實驗研究過程中，選用了304不銹鋼作母材，ULC308作為填充焊絲，激光器功率為4kw。結果表明：保護氣體的流速對焊縫質(zhì)量影響很大，焊縫金屬的抗拉強度不隨保護氣體流速而變化，塑性則隨保護氣體流速的降低而下降。先進焊接與連接技術29任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

由于水環(huán)境及水下壓力的存在，水下焊接過程與陸地差別很大。水對焊縫金屬及其熱影響區(qū)的強冷卻作用，深水壓力對電弧弧柱的擠壓作用，以及水經(jīng)高溫汽化分解后產(chǎn)生的富氫環(huán)境都將對水下焊接的電弧形態(tài)、焊縫金屬的冶金特性和接頭力學性能造成極大的影響。除此之外，由于光在水中明顯的衰減作用和焊接時電弧周圍產(chǎn)生的大量氣泡和粉塵，使得水下焊接的可見度非常低。因此，按水下焊接的外部環(huán)境劃分，水下焊接方法主要有水下濕法焊接、干法焊接和局部干法焊接三大類。20世紀60年代后又出現(xiàn)了一些新的水下焊接方法，如水下螺柱焊接、水下爆炸焊接、水下電子束焊接、水下激光焊接和水下鋁熱劑焊接等。先進焊接與連接技術30任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接三、水下焊接技術的研究趨勢1.由于每種焊接方法(濕法、局部干法、干法)都有其各自的優(yōu)點和適應場合，因此，多種水下焊接方法并存的局面會長期存在。2.濕法水下焊接的質(zhì)量主要受水下焊條、水下藥芯焊絲等因素的影響和制約。

3.基于先進技術，對焊接過程進行監(jiān)控的研究已經(jīng)取得某些進展，主要體現(xiàn)在水下干法和局部干法焊接中的自動化和智能化。但是目前的水下焊接機器人系統(tǒng)還存在許多問題，其靈活性、體積、作業(yè)環(huán)境、檢測和監(jiān)控技術以及可靠性等還有待于進一步發(fā)展和提高。先進焊接與連接技術31任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接4.模擬技術的出現(xiàn)及發(fā)展，為焊接生產(chǎn)朝著“理論—數(shù)值模擬—生產(chǎn)”模式的發(fā)展創(chuàng)造了條件，使焊接技術正在發(fā)生著由經(jīng)驗到科學、由定性到定量的飛躍。目前陸上焊接過程的溫度場、流場以及熔池、焊縫應力等的模擬取得了較大進展，焊接電弧的模擬也有一定的研究，但對水下焊接的模擬研究還比較滯后。

5.計算機仿真是一項很有用的技術，它在焊接工藝的制定、焊接設備的研制以及控制系統(tǒng)的改進等方面的研究中都有應用。Dag.Espedalen等人對高壓干法水下焊接進行了仿真技術研究，首先利用SolidEdge建立焊接艙和焊接機器人的3D模型，然后再轉(zhuǎn)化為I-grip運動模型，編制合適的控制程序，整個海底管道維修操作過程就演示出來。通過焊接仿真，有助于構思新方案,并能提前發(fā)現(xiàn)存在的問題，這也是我們以后應當研究的一個領域。先進焊接與連接技術32任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接四、Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接實驗本試驗在水箱中進行，試驗水深為150mm，焊接電源為林肯CV500-1直流焊機，極性為正接。焊接試驗為平板堆焊和V型坡口對接焊，試板為Q235鋼，焊絲采用TWE-71及SQJ501氣保護藥芯焊絲(Φ1.2mm)，它們都相當于AWSA5.20標準型號E71T-1。考慮到水下焊接施工時的方便，實驗時不外加CO2保護氣體，分別進行水下濕法和水下微型排水罩兩種焊接方法的實驗。焊接工藝參數(shù)如表1-2所示，在焊接過程中，采用TSD-340A記憶示波器記錄電弧電壓和流。用甘油法測定焊接接頭的擴散氫含量：對焊縫金屬進行化學成分分析、金相分析：對焊接接頭進行硬度和機械性能測試。先進焊接與連接技術33任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接1.藥芯焊絲微型排水罩水下焊接實施過程

水下濕法焊接電弧是在電弧氣泡中燃燒的電弧在水下的金屬和熔化極之間引燃后，由電弧放射出的熾熱氣體、過熱水蒸氣和水分解的氫氣、氧氣以及其他氣體的混合物將其與水隔開。這是水下焊接過程區(qū)別陸上焊接過程的主要現(xiàn)象之一。電弧氣泡開始只是形成一個小氣泡，然后逐漸長大，直至最后破裂，離開電弧區(qū)域向水面上浮，這樣周而復始。但是在這一過程中，氣泡只是部分破裂上浮，留下一個直徑約6~9mm的核心氣泡。濕法焊接時，電弧氣泡的周期破裂干擾了電弧氣泡的穩(wěn)定性，嚴重影響了焊接質(zhì)量。藥芯焊絲微型排水罩水下焊接就是從實用經(jīng)濟的角度進行開發(fā)，完全依靠焊接時自身所產(chǎn)生的氣體以及水汽化產(chǎn)生的水蒸氣排開水而形成一個穩(wěn)定的局部無水區(qū)域，使得電弧能在其中穩(wěn)定地燃燒。因此微型排水罩的尺寸和結構決定了焊接過程中無水區(qū)(局部排水區(qū))的大小和穩(wěn)定程度。先進焊接與連接技術34任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接它的設計是該法焊接成功與否的關鍵。通過反復試驗，最后采用的微型排水罩的結構如圖1-6所示。微型排水罩底部的密封墊是涂有防火涂料的高分子材料，可以耐400℃高溫。高分子材料的柔韌較好，可以和工件緊密接觸，以取得良好的密封效果，并使密封墊起到氣體可以溢出、水不容易進來的“單向閥”作用。密封墊、微型排水罩和焊接試板共同構成的空間(即圖1-6中的B+C)形成無水區(qū)，其大小直接決定了電弧氣泡和電弧的穩(wěn)定程度并最終影響到焊接接頭冷卻速度、微觀組織和焊縫性能。無水區(qū)越小，焊接時空腔內(nèi)的由藥芯焊絲本身產(chǎn)生的氣體氣壓越高，排水效果越好；當排水罩內(nèi)腔體積大到一定程度時，僅靠藥芯焊絲產(chǎn)生的氣體排不干凈罩內(nèi)的水，罩內(nèi)水的分解量增加，導致焊縫產(chǎn)生氣孔。兼顧保護效果和操作方便以及對熔池和熱影響區(qū)的緩冷，本實驗最后確定微型排水罩空腔體積為14·76cm3，用于緩冷焊縫的后拖尺寸T為25mm。先進焊接與連接技術35任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接圖1-6微型排水罩結構示意圖1.焊槍；2.絕絕套；3.連接套；4.微型罩；5.密封墊；6.試板先進焊接與連接技術36任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接2.電流電壓波形檢測與分析由示波器中取出的焊接過程電流電壓波形圖如圖1-7所示。從波形圖可以看出，兩種焊接方法的熔滴過渡形式均為短路過渡。(a)所示的水下濕法焊接波形圖中，短路電在5V左右波動，燃弧電壓則在30V左右，電流波形的最大特點是數(shù)值有時為0，這意味著出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象。(b)為加入微型排水罩時的波形圖，電流電壓波形呈周期性變化，短路電壓保持在10V左右，燃弧電壓同樣穩(wěn)定在30V左右，維弧電流保持在120A左右，顯示出了微型排水罩法水下焊接穩(wěn)定的短路過渡過程。運用統(tǒng)計分析的方法可以得出電極區(qū)壓降、短路峰值電流、短路時間、短路過渡頻率以及短路時間和熄弧時間等短路過渡特性參數(shù)，如表5-6所示。在濕法水下焊接中，電弧同時受到水和電弧氣泡內(nèi)高氫高氧氣氛的壓縮和冷卻，致使電弧產(chǎn)生收縮作用，從而增大了弧柱電流密度和電弧溫度，增加了弧柱區(qū)的電場強度。通常人們認為水下焊接的電壓增高只與弧柱區(qū)的電場強度增加有關。先進焊接與連接技術37任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接我們注意到水下濕法焊接電極區(qū)壓降達到20.4V，遠遠高于陸上焊接12V左右的數(shù)值，由此可見水下焊接的特殊環(huán)境同時改變了電弧電極區(qū)域的工作機理。其中陽極區(qū)壓降變化較小，其壓降變化的主要原因是藥芯焊絲水下焊接電弧弧柱溫度達到9000K，弧柱和陽極之間的溫度差升高，而影響陰極壓降的原因就更為復雜，包括氛圍氣體、弧柱和電極電子發(fā)射等，從濕法與微型排水罩法電極區(qū)壓降的差異來看，氛圍氣體的變化是最主要的原因。由于水下濕法焊接電弧區(qū)域直接和水接觸，而排水罩中的電弧相應地處于一個穩(wěn)定的電弧氣泡中，因此水下濕法焊接電弧為收縮，促使熔滴過渡的電磁力更大，使得濕法焊接的短路時間比微型排水罩法的短，其短路頻率相應高于微型排水罩法。水下高的電流密度還顯著地造成了水下焊接平均短路峰值電流的增加，比陸上方法焊接的峰值電流高出100A以上，而且微型排水罩法平均短路峰值電流比濕法的高，主要原因是其焊接過程穩(wěn)定，電流波形范圍小，短路時間長；同時由于該焊接方法中，焊接電弧比較少地受到水的冷卻，引起電弧溫度較濕法高一些。先進焊接與連接技術38任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接因此短路電流顯示出高的特性，而濕法焊接測試范圍內(nèi)的最大短路峰值電流達到592A，高于平均短路峰值電流將近1倍，顯示了該方法焊接過程中電弧劇烈的波動性。壓縮的電弧和增高的電流密度還將導致以下現(xiàn)象的發(fā)生:陰極斑點和陽極斑點受到壓縮，電弧溫度將達到更高，使得更多的電極金屬被蒸發(fā)和燒損；增加的能量密度將影響到焊縫形狀的改變，特別是熔深，對于電弧下面的熔池中熔敷金屬液體的表面張力和流動性能也產(chǎn)生影響。大量的氣體被吸附于熔池金屬，特別是造成Si、Mn等元素的燒損以及含碳量的上升。焊接工藝性能焊接過程表明，對比兩種焊接方法，工藝性能較不穩(wěn)定的為水下濕法焊接，主要表現(xiàn)為電弧漂移，飛濺較多且顆粒大，并有成段焊絲爆斷現(xiàn)象，在焊縫區(qū)域留下大量飛濺和短節(jié)焊絲，微型排水罩中的焊縫表現(xiàn)為較光滑。計算表明，水下濕法達到91·9kA/s，微型排水罩法的則只有49·8kA/s。但是濕法焊接中成段焊絲的爆斷顯示出短路電流上升速度過小的現(xiàn)象。先進焊接與連接技術39任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接這同樣證實了該焊接過程的不穩(wěn)定性。在焊接過程中，還發(fā)現(xiàn)在水下濕法焊接焊縫周圍存在大量的細顆粒金屬粉末，分析認為，這是由于電弧空間溫度較高，形成了大量的金屬蒸氣，蒸氣在電弧空間紊流的作用下被卷入電弧區(qū)域外圍部分，迅速被水冷卻凝固，沉落于焊縫周圍。金屬蒸氣以及大量氣泡的出現(xiàn)，渾濁了焊接區(qū)域，對焊工或者監(jiān)視系統(tǒng)的可視性產(chǎn)生了嚴重的干擾。濕法和微型排水罩法水下焊接焊縫的熔寬和余高分別為10×4.7和7.5×4.5。水下焊接特別是濕法焊接出現(xiàn)了狹窄而余高高的焊縫，增加了未熔透的可能性，同時在進行多道焊時增加了清理焊縫的工序。濕法焊縫還出現(xiàn)了大量的咬邊現(xiàn)象，微型排水罩法則很少出現(xiàn)這種情形，這是因為濕法焊縫保護氣穴不穩(wěn)定，氣流和水流對熔池區(qū)域產(chǎn)生沖擊作用，影響了焊縫成形。而微型排水罩法形成了穩(wěn)定的氣穴，產(chǎn)生了良好的保護作用。先進焊接與連接技術40任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接圖1-7不同焊接方法電流電壓波形圖先進焊接與連接技術41任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接表1-3短路過渡過程電弧區(qū)域參數(shù)表3.焊接接頭成分、組織及硬度分析對兩種焊接方法的焊縫熔敷金屬進行化學成分分析，為便于比較，列出了陸上焊接接頭的化學成分數(shù)據(jù)，結果列于表1-4。證實了由于電弧壓縮和氧化性氣氛的影響，藥芯加熱階段就發(fā)生了先期脫氧，在熔滴反應階段，發(fā)生了強烈的氧化反應，造成了焊絲中Mn、Si等金屬元素的嚴重燒損。藥芯焊絲在熔池階段進行的焊接化學先進焊接與連接技術42任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接冶金反應是十分激烈的，但由于水下焊接的冷卻速度遠遠高于陸上，熔渣向熔池過渡金屬的時間很短,造成合金元素的殘留氧化損失變大。所以水下焊接焊縫中Mn和Si的含量比空氣中焊接時要低，而C與O的親和力較前面兩種元素要低，因此C的含量增加，同時由于微型排水罩法中燃弧時間比率為84·6%，在一個短路周期中，熔滴在電弧氣泡中的長大時間為28ms，因此其合金元素的燒損要比水下濕法的嚴重得多，而且Mn具有比Si更低的沸點，飽和蒸氣壓大，焊接過程中蒸發(fā)損失大，由于微型排水罩法的熔滴溫度和電弧空間溫度較濕法水下焊接的大，因此顯示Mn的成分比Si的成分減少得更厲害焊接接頭的金相分析表明，濕法焊縫組織為先共鐵素體、珠光體和貝氏體，熱影響組織為先共析鐵素體、貝氏體和馬氏體，粗晶區(qū)晶粒細小。微型排水罩法焊縫組織為狀鐵素體和珠光體，熱影響區(qū)組織為先共析鐵素體和貝氏體，同樣，組織的差異主要歸咎于輸入與冷卻速度的不同。先進焊接與連接技術43任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接表1-4焊縫金屬化學成分先進焊接與連接技術44任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接

硬度測試表明(如表1-5所示)，微型排水罩法的焊接接頭硬度要低于濕法焊接接頭硬度，而且其最高硬度出現(xiàn)在熔合線附近，顯示出與陸上焊接相似的特性，而濕法焊接最高硬度出現(xiàn)在焊縫中。該結果證實了微型排水罩對焊縫的保護作用。但是，總體而言焊接接頭的硬度比母材要高，這與水下焊接過程中熔池受到水的急劇冷卻有關。表1-5焊接接頭硬度分布（載荷10kg）先進焊接與連接技術45任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接4.焊接接頭機械性能及擴散氫含量表1-6分別列出了濕法水下焊接與微型排水罩法V型坡口對接接頭的機械性能?？梢钥闯?，采用微型排水罩法焊接得到的接頭性能要明顯好于水下濕法焊接的接頭性能，特別是其塑性指標。對照美國API1104和ASMEIX標準，也可看到微型排水罩法的機械性能指標完全達到標準的要求。而熔敷金屬擴散氫含量的測試表明，微型排水罩法的擴散氫含量遠遠低于濕法焊接的測量值，該值接近于陸上焊接的水平，但是，由于有水蒸氣和潮濕氣氛的影響，無法完全避免焊縫金屬的增氫。先進焊接與連接技術46任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接表1-6水下焊接對接接頭機械性能及擴散氫含量先進焊接與連接技術47任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接5.結論1)在本實驗條件下,藥芯焊絲水下濕法焊接有斷弧現(xiàn)象出現(xiàn)。2)水下焊接電弧的收縮特性與電弧氣泡氛圍影響到水下焊接短路過渡過程，使得其平均短路峰值電流增高,電極區(qū)壓降增大。3)通過采用自行研制的藥芯焊絲微型排水罩，使得水下焊接短路過渡過程穩(wěn)定，焊接工藝性能好，能取得較好的焊縫，顯示了較好的應用前景，為今后實現(xiàn)水下焊接的自動化奠定了實驗基礎。五、拓展應用：水下焊接技術在船舶維修中的應用1.應用環(huán)境假定某船舶在某次航行中受損，其裂紋長度為10cm，寬度為3mm，該裂紋正在滲水，還沒有破裂進水并且裂紋有擴大可能，而且由于裂紋位置限制，人員無法在船內(nèi)進行堵漏和焊接修復。下面將針對該情況使用水下焊接方法進行應急搶修。

先進焊接與連接技術48任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接由于干法水下焊接施工條件不適用于船舶的應急搶修，能應用于應急搶修的只有濕法水下焊接和局部干法水下焊接。根據(jù)實際條件，在本方案中分別采取的是水下手工電弧焊方法。2.水下焊接方案設計（1）焊前準備。①潛水焊工需要熟悉船舶圖紙，了解水下作業(yè)區(qū)深度和溫度等環(huán)境情況；②水下施焊前水下作業(yè)人員應當了解焊接區(qū)域的結構特點，并且需查明焊接作業(yè)區(qū)附近是否儲存有油料以及其他危險物品；③下潛之前，潛水焊工應認真檢查試驗焊接工具及設備、潛水裝具、供氣膠管、電纜、通信聯(lián)絡工具等的水密、絕緣和工藝性能；④下潛后潛水焊工應將信號繩、電纜和供氣管等及時整理好，確保其處于安全位置，避免發(fā)生損壞；

先進焊接與連接技術49任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接⑤水下焊接前，施焊人員應對焊接地點采取安全措施并且潛水焊工在水下施焊時不得處于懸浮狀態(tài)；⑥水下作業(yè)人員與甲板指揮人員之間要配備通信裝置，并且確保通信暢通。當完成準備工作后，并且取得指揮人員同意后，水下作業(yè)人員方可進行水下焊接；⑦只有經(jīng)過專門培訓并持有相應操作許可證的人員才能進行水下焊接與切割作業(yè)。（2）人員配備。

實施水下焊接需要配備5名人員，其中至少2人持有潛水證，其中，1人在甲板上負責水下焊接作業(yè)現(xiàn)場指揮；1人應持有水下焊接證書，并進行水下施焊；1人在負責潛水焊工的安全監(jiān)護；1人在甲板上負責同水下施焊人員進行通信聯(lián)系；1人在甲板上配合，做好記錄。先進焊接與連接技術50任務1Q235鋼的藥芯焊絲水下焊接（3）水下焊接維修方案的實施。①檢查尋找裂紋。首先初步確定裂紋所在位置，讓潛水員及設備到達預定位置，記錄員開始記時。將施焊作業(yè)的潛水員從船上放下，潛入到船體水下部分的裂紋處(據(jù)初步觀測判斷確定)。到達指定水深后，甲板指揮人員通過潛水電話與潛水員對話，開始檢查尋找裂紋。當確認找到裂紋后，在漏點處做好標記，進行水下攝像、照相。裂紋確定后，水下作業(yè)人員通過潛水電話通知甲板配合人員，潛水員按原路線返回，記錄人員計時；②確定修補方案。根據(jù)裂紋狀況，確定焊補150mm×30mm鋼板(厚度為4mm)堵住裂縫。由水下施焊潛水員攜帶材料、工具，按方案程序，再次潛入水下并進行水下焊接；③焊接作業(yè)。首先進行焊接平臺及檔流裝置的安裝，安裝完畢先在裂紋兩端鉆直徑6-8mm的止裂孔，保證止裂孔要離裂紋可見端有一個距離，超出10-20mm為宜。接著使用直接點焊法將補板進行固定，定位焊縫長度不得小于20mm，以防開裂滑落。再以較大的焊接電流，較大的焊接傾角，用電弧吹力將融化金屬除掉，形成U型坡口，最后用分段反焊法進行補焊。完成水下焊接作業(yè)后，機艙停止進水，船上人員通過排水措施排掉機艙內(nèi)的積水，船舶可以繼續(xù)航行。先進焊接與連接技術51項目1：水下焊接技術任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接先進焊接與連接技術52任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接任務解析局部干法水下焊接以其相對經(jīng)濟、靈活的優(yōu)勢,逐漸成為水下焊接中的主要方法之一。通過完成本任務，使學生能夠了解局部干法水下焊接的特點，局部干法自動水下焊接系統(tǒng)的組成,并能夠?qū)Π諝庵小?m和15m水深環(huán)境下的焊接電參數(shù)進行采集和分析，掌握局部干法自動水下焊接時焊接過程中的熔滴過渡形態(tài)與焊接環(huán)境的關系,能夠合理制定局部干法自動水下焊接時的焊接工藝并控制焊接質(zhì)量。必備知識一、水下焊接材料由于水下干法和局部干法焊接完全或部分的排出了水的影響，焊接條件類似于陸地焊接，所用焊材也與陸地上的相同，所以水下焊接焊材通常指用于濕法焊接的焊接材料。如果電弧直接在水中燃燒，環(huán)境將對電弧燃燒穩(wěn)定性、耗材熔化和熔滴過渡特征、焊縫金屬化學成分、結構及其性能等產(chǎn)生重要影響，因此開發(fā)研制專用的水下焊接材料，減輕水環(huán)境對焊接質(zhì)量的影響顯得尤為重要。目前人們對水下焊材的研究工作主要集中在焊條和藥芯焊絲上。先進焊接與連接技術53任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接1.焊條在焊條方面，前蘇聯(lián)早在20世紀30年代就開始了水下焊接領域的開創(chuàng)性研究。1932年，K.K.Khrenov采用外表面涂有防水層的電焊條進行手工水下電弧焊接，使水下焊接電弧的穩(wěn)定性得到了一定程度的改善。目前比較先進的焊條有英國Hydroweld公司開發(fā)的HydroweldFS水下焊條。還有美國專利的7018’S水下焊條，此焊條藥皮上有一層鋁粉，水下焊接時能產(chǎn)生大量的氣體，避免焊縫金屬受到侵蝕。德國Hanover大學基于渣氣聯(lián)合保護對熔滴過渡影響和保護機理開發(fā)了雙層自保護藥芯焊條。美國研究的“黑美人(BlackBeauty)”水下專用焊條具有焊接時產(chǎn)生的微裂紋少、工藝好且適合全位置焊接等特點。先進焊接與連接技術54任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接此外，美國的StephenLiu等人在焊條藥皮中加入Mn、Ti、B和稀土元素，改善了焊接過程中的焊接性能，細化了焊縫微觀組織，一定程度上提高了水下焊接的質(zhì)量。我國在焊條研制方面也有一定的進展，現(xiàn)在的主要產(chǎn)品有TSH-1、TS202、TS203及TS208。其中TS208焊條具有優(yōu)良的防水性能和絕緣性能，焊縫成形優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，并具有良好的力學性能，抗拉強度大于530MPa，已用于重要橋梁等海洋設施的水下焊接。表1-7、表1-8列出了TS208焊條的熔敷金屬力學性能和對接接頭性能(實驗所用母材為Q345鋼)，并與英國某知名品牌水下焊條進行比較。先進焊接與連接技術55任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接表1-7TS208焊條和國外焊條的熔敷金屬力學性能和對接接頭性能先進焊接與連接技術56任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接表1-8TS208焊條和國外焊條對接接頭性能先進焊接與連接技術57任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接2.藥芯焊絲

藥芯焊絲的出現(xiàn)和發(fā)展適應了焊接生產(chǎn)向高效率、低成本、高質(zhì)量、自動化方向發(fā)展的趨勢。

美國、英國和烏克蘭等國對藥芯焊絲水下焊接進行了大量的研究。其中英國TWI與烏克蘭巴頓焊接研究所成功開發(fā)了一套集送絲機構、控制系統(tǒng)為一體的水下濕法藥芯焊絲焊接設備，并制定了相應的焊接工藝。該系統(tǒng)的焊接質(zhì)量明顯優(yōu)于焊條水下濕法焊接，而焊接作業(yè)時間還不到焊條手工焊接的一半，施工費用也只有焊條焊接的50%，證明了藥芯焊絲在水下濕法焊接中的廣闊的應用前景。

先進焊接與連接技術58任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接2.藥芯焊絲

一、發(fā)展趨勢目前研究較多的是金紅石型焊絲，它能提供良好的焊弧穩(wěn)定性和焊縫外觀。研究表明，在藥芯中加入含鋰的化合物，焊接時會發(fā)生還原反應，還原出的鋰對焊縫有較好的保護作用。此外，在藥芯中添加稀土金屬可以改善電弧穩(wěn)定性，當使用添加稀土金屬的藥芯焊絲進行濕法焊接時，電弧熄滅和短路的時間減少了75%。表1-9給出了幾種可在水下焊接中使用的藥芯焊絲成分。雖然目前已有使用藥芯焊絲進行濕法焊接并獲得理想焊接接頭的報道，按現(xiàn)在的技術水平，藥芯焊絲的濕法電弧焊接可在30m水深處進行，但這種焊接方法適用的金屬十分有限。隨著水深的增加，焊接電弧的性能變化很大，熔化金屬與其周圍介質(zhì)的相互作用增強，如何獲得優(yōu)質(zhì)接頭還有待于進一步的研究。

先進焊接與連接技術59任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接表1-9可在水下焊接中使用的藥芯焊絲成分先進焊接與連接技術60任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接二、水下焊接設備隨著水下焊接工程不斷向深海邁進，人們對水下焊接設備提出了更高的要求。由于人類潛水的極限深度為650m，熟練的深水焊工又難以培訓，所以為了水下施焊和水下焊接自動化，水下焊接設備正逐步向數(shù)字化、智能化、高效化發(fā)展。目前，國內(nèi)在設備上的研究熱點主要包括水下焊接焊縫跟蹤系統(tǒng)研制、水下焊接機器人和水下干式高壓焊接用焊接艙等。1.水下焊接機器人水下焊接機器人作為一種專用的水下自動化焊接智能設備，不僅可以代替潛水焊工在危險水域進行焊接，保證人員生命安全，還能提高工作效率和保持焊接過程的穩(wěn)定性。近年來，隨著特定用途機器人的迅猛發(fā)展，水下焊接機器人被認為是未來水下焊接自動化的發(fā)展方向。目前，對水下焊接機器人的研究主要集中在結構密封、移動方式、遠程通信及遙控和力覺、觸覺傳感系統(tǒng)的設計上。先進焊接與連接技術61任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接1）蔣力培等人在設計全位置智能焊接機器人時采用四磁輪方式，底板與左右兩側(cè)磁輪間通過鉸鏈機構柔性連接，磁輪箱中的磁輪由交流伺服電動機通過減速器驅(qū)動，可自動保證四個磁輪同時接觸焊接表面，磁吸力達1960N以上，并實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎，甚至原地轉(zhuǎn)動。2）英國Cranfield大學海洋技術研究中心為實現(xiàn)水下無人焊接，用Workspace軟件和ASEAIRBL6/2機器人建立了水下焊接遙控仿真系統(tǒng)，并進行了水下環(huán)境模擬、遠程操作、避障等方面研究。但是由于水下環(huán)境的復雜性和不確定性，水下機器人在焊接領域的主要應用還是焊縫無損檢測和裂紋修復，這在英國北海的油井和天然氣生產(chǎn)平臺中得到了應用，目前世界上還沒有完全將水下焊接作業(yè)交由水下機器人完成的實例。先進焊接與連接技術62任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接2.水下焊接艙深水中許多重要結構件的焊接為了獲得質(zhì)量高、性能好的焊縫，高壓干法焊接仍是目前最主要的焊接方法。水下干式高壓艙系統(tǒng)為水下干式維修作業(yè)人員提供了工作的平臺，如圖1-8所示。其核心是一套TIG焊接機器人，如圖1-9所示，主要由焊接行走小車、鎢極高度和橫向自動調(diào)節(jié)器、鎢極二維精細調(diào)準器、焊接擺動控制器、遙控盒、送絲機構、導軌、TIG焊接電源及焊炬、水冷系統(tǒng)、氣體保護系統(tǒng)、弧長控制器、角度檢測器、焊接監(jiān)視系統(tǒng)和控制箱等部分構成。先進焊接與連接技術63任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接

圖1-8水下干式高壓艙圖1-9TIG焊接機器人先進焊接與連接技術64任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接

目前，國際上比較知名的作業(yè)系統(tǒng)有巴西CENPES中心的水下高壓模擬實驗裝置，英國AberdeenSubseaOffshoreLtd開發(fā)的OOTO系統(tǒng)，挪威Statoil公司開發(fā)的PRS系統(tǒng)以及英、法合作的Comex公司開發(fā)的THOR21系統(tǒng)等。哈爾濱焊接研究所從20世紀80年代開始研究高壓干法水下焊接技術，先后研制了HSC-1和HSC-2兩套高壓干法水下焊接模擬實驗裝置。其中HSC-2的容積為0.055m3，最大工作壓力為3MPa，介質(zhì)為氬氣、氦氣或混合氣體，可進行TIG焊和MMA焊接實驗。近年來，北京石油化工學院海洋工程連接技術研究中心設計建造了壓力為1.5MPa，即相當于150m水深的高壓焊接實驗裝置，研制了鎢極氬弧自動焊機，并獲得了0.1~0.7MPa的16Mn管道全位置自動焊接工藝。2006年11月16日，該裝置已在中國渤海灣天津新港錨地附近12m水深海域進行實驗，獲得了外觀良好的焊縫。

先進焊接與連接技術65任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接三、水下焊接的主要問題水下焊接過程中，由于有水的影響，焊接接頭質(zhì)量與陸上相比有所下降，這主要是由以下因素造成的：（1）焊縫金屬中合金元素有損失。電弧在水中電離出的氧要比大氣中的超出很多，且隨著水深的增加，焊縫中的含氧量也會增加，在這種條件下合金元素的燒損很嚴重，導致焊縫質(zhì)量下降。（2）焊接冷卻速度過快。水的熱導率遠高于空氣，由于焊縫和熱影響區(qū)冷卻過快，容易形成粗大的脆硬組織，在氫的作用下很容易誘發(fā)冷裂紋。（3）焊縫中擴散氫含量較高。對于濕法水下焊接，焊縫中的含氫量通常很高。水環(huán)境，焊條中所含結晶水，母材表面氧化物中所含結晶水都是焊縫中擴散氫的主要來源。（4）可見度差。水下濕法焊接和局部干法焊接均存在可見度差的問題，潛水焊工基本上處于盲焊狀態(tài)，這也是水下焊接質(zhì)量較差的原因之一。（5）電弧壓力過大。隨著水深和環(huán)境壓力的增加，弧柱逐漸變細，同時導電介質(zhì)的密度增大，電離難度增加，電弧穩(wěn)定性下降。因此，在高電壓條件下不利于形成良好的焊接接頭。先進焊接與連接技術66任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接四、304不銹鋼局部干法自動水下焊接（一）焊接試驗準備焊接試驗在一個水下焊接試驗系統(tǒng)中進行,該試驗系統(tǒng)由水下焊接試驗艙、焊接電源、液壓驅(qū)動自動焊接平臺、排水罩、試驗環(huán)境系統(tǒng)、水下攝像系統(tǒng)6個部分組成,能夠?qū)崿F(xiàn)水下微型排水罩式脈沖MIG全自動焊接(圖1-10)，水下焊接試驗艙為立式快開結構壓力容器,最大作業(yè)水深為15m,設計最高工作壓力0.3MPa。試驗采用芬蘭Kemppi焊接電源,根據(jù)實際工作需要,將電焊機與送絲機分離,焊接電源放在試驗艙外部,送絲機置于艙內(nèi)，液壓驅(qū)動自動焊接平臺包括升降油缸和焊接平臺兩個部分,升降油缸將焊接平臺抬升到適合高度后,焊接平臺可以在油缸的驅(qū)動下通過手控盒控制完成行走、擺動、跟蹤和小幅度高度調(diào)節(jié)。排水罩是局部干法水下焊接的重要設備,是焊接能否成功的關鍵所在，為了適應全自動水下焊接,自行設計制造了局部干法自動焊接排水罩。

先進焊接與連接技術67任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接圖1-10局部干法自動水下焊接試驗裝置先進焊接與連接技術68任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接試驗環(huán)境系統(tǒng)包括艙內(nèi)注水、排水,艙內(nèi)加壓、卸壓，以及排水罩和焊槍的供氣，所有這些系統(tǒng)的控制均由PLC通過控制水路、氣路的閥門以及水泵的啟停來實現(xiàn)。水下焊接攝像系統(tǒng)共包括三套子系統(tǒng):艙內(nèi)水上場景攝像系統(tǒng)、焊接攝像系統(tǒng)、艙內(nèi)水下場景攝像系統(tǒng),分別用于實現(xiàn)對艙內(nèi)水上部分、排水罩內(nèi)部以及艙內(nèi)水下部。分進行實時監(jiān)控，結合德國漢諾威大學開發(fā)的焊接質(zhì)量分析儀AHXIX,可以對水下焊接過程中的熔滴過渡現(xiàn)象進行初步的定量分析和評定，奧氏體不銹鋼由于其優(yōu)良的綜合性能,在核電結構中得到了廣泛應用。試驗以304不銹鋼鋼板作為焊接母材,采用坡口堆焊的焊接方式,選用1.2mm的ER308焊絲,純Ar氣作為焊接保護氣,進行了局部干法自動水下焊接試驗。在焊接準備工作完成以后,根據(jù)焊接坡口寬度以及不同水深條件選擇相應的焊接方式和焊接參數(shù)進行引弧焊接,同時焊接速度、擺動幅度及其左右停留時間也可根據(jù)工況要求實時調(diào)節(jié)，坡口的形狀及尺寸如見1-11先進焊接與連接技術69任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接圖1-11試板的坡口形狀及尺寸(mm)

先進焊接與連接技術70任務2304不銹鋼局部干法自動水下焊接（二）試驗參數(shù)每種焊接材料均對應一個噴射過渡的臨界電流值,一般情況下,這個臨界值較大,在200A以上,但如果選用脈沖焊接方式，當脈沖電流大于臨界電流值,電弧也可以呈噴射過渡狀態(tài),實現(xiàn)無飛濺焊接，實際焊接時分空氣中焊接、5m水深和15m水深三種情況進行,為了分析水下環(huán)境以及水深對焊接過程的影響，三種焊接情況的焊接參數(shù)基本相同，只是因為水下焊接時排水氣體同時作為焊接保護氣,所以水下