水下焊接技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張永強?孫金輝

摘 要：文中主要介紹了水下焊接面臨的問題，包括水下焊接的可見性差，水環(huán)境對焊縫的影響，水對焊件冷卻速度的影響和焊件連續(xù)性的影響等；介紹了常用水下焊接的主要方法，包括高壓干法焊接、常壓干法焊接和局部干法焊接等；并結(jié)合國內(nèi)外水下焊接的特點、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，對國內(nèi)的水下焊接技術(shù)的進一步發(fā)展進行了探討。

關(guān)鍵詞：水下焊接技術(shù)；干法焊接；濕法焊接

一、 水下焊接面臨的基本問題

水下焊接由于水環(huán)境和水下壓力的存在，致使其焊接過程與陸地焊接相比存在更大的難度，并且更復雜。

1. 水下焊接的可見性差

在水下，由于水對光線的吸收、反射、折射等作用，致使水中的能見度比空氣中差很多；在焊接過程中，焊材燃燒產(chǎn)生的大量保護氣體和煙霧也使操作者對焊接過程難以做到精確的把握；此外，在海底有大量海藻和淤泥的情況時，更使焊接過程的可見性降低。因此，在水下焊接過程中，由于水下可見性差，操作者對焊接熔池、焊縫的成型及焊接的弧光很難做到精確把握，致使整個焊接過程基本屬于“盲焊”，造成焊縫缺陷較多、焊接接頭質(zhì)量差。

2. 水環(huán)境對焊縫的影響

在水下焊接，電弧的高溫燃燒極易使焊材周圍的水分解，產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣，致使焊縫中的氫含量過高，產(chǎn)生大量裂紋。一般水下焊接焊縫中的氫含量可達30-40 mL/l00 g，最高可達60-70 mL/l00 g，比陸上焊接高幾倍。

3. 水對焊件冷卻速度的影響

在水下焊接，由于水具有高傳導熱系數(shù)，致使焊件的熱影響區(qū)和焊縫急速冷卻，產(chǎn)生大量的淬硬組織，使工件的韌性變差，壽命降低。

4. 水壓的影響

在水下，隨著深度的增加，水壓會隨之增大，致使焊接電弧弧柱變細，焊道變窄，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。因此，壓力增加時對焊接過程的工藝特性、焊縫性能以及焊縫的化學成分等都會產(chǎn)生不利的影響。

5. 焊接的連續(xù)性差

由于水下的特殊環(huán)境，焊接操作的不便性，焊接過程很難連續(xù)操作。

二、 常用水下焊接的分類及特點

1. 濕法焊接及其特點

濕法焊接是指在焊接過程中把工件直接置于水中，水與焊件之間沒有任何隔離措施。焊接的熔滴過渡和焊縫的結(jié)晶直接在水中完成。電弧僅僅依靠焊材在燃燒過程中產(chǎn)生的氣體及水汽化產(chǎn)生的氣泡進行保護。

濕法焊接的優(yōu)點是設(shè)備簡單，成本低廉，操作靈活，適應(yīng)I生強；缺點是焊接質(zhì)量較差，難以得到較好的焊接接頭，一般用于一些非關(guān)鍵性的構(gòu)件，目前，應(yīng)用的深度不超過100 m.

2. 干法焊接及其特點

干法焊接是指把包括焊接部位的較大范圍內(nèi)的水排開，使操作者能在干的氣相環(huán)境進行焊接的方法，即操作者在水下一個大型干式氣室中焊接。這種方法多用于深水，需要預熱或焊后熱處理的材料，且結(jié)構(gòu)較重要，或質(zhì)量要求很高的結(jié)構(gòu)的焊接。根據(jù)水下氣室中壓力的不同，干法焊接又可分為高壓干法焊接及常壓干法焊接。

2.1 高壓干法焊接

高壓干法焊接是指焊接過程中，在氣室底部通人氣壓稍大于工作水深壓力的氣體，把氣室內(nèi)的水從底部開口排除，焊接是在于的氣室中進行的。一般采用焊條電弧焊或惰性氣體保護電弧焊等方法進行，是當前水下焊接方法中焊接質(zhì)量最好的方法之一，基本上可達到陸上焊縫的水平，目前最大實用水深為300米。該方法面臨的主要問題是：

（1）因為氣室受到工程結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和位置的限制，適應(yīng)性弱，目前僅用于海底管線等形狀簡單、規(guī)則結(jié)構(gòu)的焊接。

（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(luò)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。例如：美國TDS公司的一套可焊接直徑813mm管線的焊接裝置（MOD一1）價值高達200萬美元。

（3）同樣存在“壓力影響”等問題。在深水進行焊接（如幾十米到幾百米）時，隨著電弧周圍氣體壓力的增加，焊接電弧性、冶金特性及焊接工藝特性都要受到不同程度的影響。因此，要認真研究氣體壓力對焊接過程的影響，才能獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。

高壓干法焊接能消除水對焊接過程的影響，但裝備復雜，施工費用較高，對水深壓力的影響無法完全排除，且適用的接頭形式有限，一般用于管線接頭的焊接。

2.2 常壓干法焊接

常壓干法焊接是指在深水下，操作者仍然在與陸地環(huán)境相當?shù)臍庀喹h(huán)境中焊接，這種方法排除了水深的影響。

常壓干法焊接的最大優(yōu)點是可以有效地 肖除水對焊接質(zhì)量的影響，焊接條件幾乎和陸地一樣，焊接質(zhì)量達到最好，但焊接設(shè)備復雜，提供保障的人員更多、施工的費用更高，比高壓干焊法更復雜，且焊接接頭的形式也有局限I生，一般只能用于管線接頭的焊接。

3. 局部干法水下焊接及其特點

局部干法水下焊接技術(shù)是利用氣體使焊接局部區(qū)域的水排開，形成局部干的氣室進行焊接。該法既具有濕法焊接簡單靈活的優(yōu)點，又能像于法焊接那樣獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫，它有效降低了水對焊縫的影響，從而提高了焊縫的質(zhì)量，是一種比較先進的水下焊接方法。小型局部干法設(shè)備簡單并易于進行自動及半自動焊接，是當前水下焊接研究的重點。

局部干法焊接種類較多，較典型的有日本的水簾式及鋼刷式焊接法，美國和英國的干點式及氣罩式焊接法，此外還有法國的旋罩式焊接法。

4. 可移動氣室式水下焊接

可移動氣室式水下焊接有1個可以移動的一段開口的氣室，通入的氣體既是排水氣體又是保護氣體，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。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)面伸人氣室，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。

該法的優(yōu)點是氣室內(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，面彎和背彎均180度，焊縫無加渣、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30～40米中應(yīng)用。但這種水下焊接法也存在一些不足之處：不能很好地降低焊接煙霧的影響；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大，但在渾水中可見度問題仍未解決；焊槍與氣室是柔性連接，焊一段停一段，移動一次氣室，焊縫不連續(xù)，焊道接頭易產(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主要問題，從而提高電弧的穩(wěn)定性，改善焊縫成形，減少焊接缺陷，在水深不超過40 m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(yīng)用外，其他尚處于試驗階段。

三、 水下焊接的應(yīng)用和發(fā)展

濕法焊接的發(fā)展主要是焊接材料的發(fā)展。目前，濕法焊接焊條主要有鈦鈣型和鐵粉鈦型。其中較典型的焊條有英國Hydroweld公司開發(fā)Hydroweld FS水下焊條，美國水下專利焊條7018‘S，德國Hanover大學基于渣氣聯(lián)合保護對熔滴過渡過程的影響和保護機理研制開發(fā)了雙層自保護藥芯焊條。此外，英國TwI與烏克蘭巴頓研究所合作完成了一套水下濕法藥芯焊絲焊接送絲機構(gòu)、控制系統(tǒng)及焊接工藝。近年來，美國、英國、德國和日本均開展了相關(guān)的研究工作，開發(fā)的不銹鋼及鎳基合金藥芯焊絲，改善了濕法水下焊接的性能，這種焊絲可在水深6米以內(nèi)成功地用于不銹鋼或鎳基合金結(jié)構(gòu)的濕法水下焊接及表面堆焊。

高壓干法焊接由美國在1954年首先提出，1966年開始生產(chǎn)，目前最大實用水深為300米.目前，國外用于水下維修作業(yè)的高壓干法焊接，多采用高壓軌道TIG焊系統(tǒng)進行，如PRS系統(tǒng)（由挪威的Statoil公司組織開發(fā)）和OTFO系統(tǒng)（由英國開發(fā)）。

在國內(nèi)，水下焊接技術(shù)也一直受到重視和應(yīng)用。早在20世紀50年代，水下濕法焊條電弧焊已得到應(yīng)用。20世紀70年代，由華南理工大學開發(fā)的D型濕法深水用焊條具有與美國生產(chǎn)的濕法焊條（E6013）相近的良好焊接工藝性能。20世紀70年代后期，哈爾濱焊接研究所等開發(fā)了LD—C02焊接法，屬于局部焊接法。目前，北京石油化工學院已設(shè)計并建立了國內(nèi)第一個高壓焊接實驗室，設(shè)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。同期，清華大學進行了水下局部干法激光焊接的實驗研究。

參考文獻

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