周超, 李海新, 楊振林, 姜風(fēng)春, 王琪晨, 張文杰
(1.哈爾濱工程大學(xué)煙臺(tái)研究院,山東 煙臺(tái) 264010;2.中集海洋工程研究院有限公司,山東 煙臺(tái) 264000;3.威海東海船舶修造有限公司,山東 威海 264200)
隨著中國(guó)在深海探索、核電開(kāi)發(fā)和水利水電等方面的大力建設(shè),一些先進(jìn)的深水裝備在工程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。深水裝備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,使得該類(lèi)裝備的維修與養(yǎng)護(hù)需求極大地提升,因此采用合理的水下維護(hù)技術(shù)就顯得很重要。水下濕法焊接因操作靈活、效率高且成本低,在水下設(shè)備維護(hù)中得到了極大的應(yīng)用[1-3]。
水下濕法焊接的焊件直接置于水中,熔滴過(guò)渡和焊接接頭冷卻過(guò)程也是直接在水環(huán)境中進(jìn)行,水環(huán)境會(huì)造成電弧壓縮、熔池快速冷卻和高壓,導(dǎo)致濕法焊接的熱循環(huán)過(guò)程及影響焊接接頭性能的因素相對(duì)陸上焊接要復(fù)雜得多[4]。研究水下濕法焊接過(guò)程中諸多因素對(duì)焊接過(guò)程的影響,將對(duì)提高接頭質(zhì)量以及創(chuàng)新水下濕法焊接方法和工藝有很大幫助。
到目前為止,水下濕法焊接技術(shù)的研究還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際發(fā)展的需要,這就要求它在達(dá)到臨時(shí)應(yīng)急修復(fù)水平的同時(shí),還要有足夠的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性[5-6]。由于水下濕法焊接的接頭直接暴露在水環(huán)境中,周?chē)乃畷?huì)使得水下濕法焊接的焊接接頭更窄,接頭的顯微組織與陸上焊接相比也容易出現(xiàn)更多的焊接缺陷。
容易產(chǎn)生氫裂紋:水環(huán)境是水下濕法焊接接頭擴(kuò)散氫的直接來(lái)源,焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡也主要由氫和氧組成[7]。焊接接頭中氫的存在會(huì)影響鋼對(duì)形成冷裂紋的敏感性,而氫也是決定和改善鋼的可焊性的關(guān)鍵因素[8-11]。如果接頭擴(kuò)散氫含量太高,意味著在焊接碳含量較高的鋼時(shí)形成冷裂紋的可能性就會(huì)增加,這會(huì)極大地降低接頭的力學(xué)性能。
焊接接頭質(zhì)量差:由于水的熱導(dǎo)率比空氣大50倍,因此水下濕法焊接接頭金屬及熱影響的冷卻速度更快。這使得t8/5比陸上焊接短得多,導(dǎo)致鋼的焊接接頭和熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生更多馬氏體等淬硬組織[12]。Wang等人[13]通過(guò)顯微組織分析也證實(shí)了這點(diǎn):即在相同的焊接參數(shù)下,水環(huán)境的快速冷卻會(huì)導(dǎo)致水下濕法焊接接頭的脆性更大。Xu等人[14]通過(guò)觀察X光圖像和熔池波形特征也證實(shí)水下熔池比陸上熔池更易揮發(fā)。這是由于熔池周?chē)臍馀菀鹑鄢貏×也▌?dòng),從而導(dǎo)致水下濕法焊接接頭質(zhì)量差、成形不均勻,且接頭除了存在焊后殘余應(yīng)力外,還有較高的孔隙率。
焊接過(guò)程不穩(wěn)定:Omajene等人[15]指出,由于水和氣體密度的差異,熔池受到周?chē)碾娀馀葜芷谛缘匦纬?、生長(zhǎng)、上升、脫離并再次產(chǎn)生而劇烈波動(dòng)。焊接過(guò)程中的焊接電弧除了穩(wěn)定燃燒階段,也會(huì)頻繁地出現(xiàn)斷弧和短路導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定。此外Guo等人[16]通過(guò)觀察焊接飛濺過(guò)程的高速圖像觀察到濕法焊接熔滴過(guò)渡還分為熔滴排斥飛濺、爆炸飛濺和熔池沖擊飛濺。上述變化因素將直接導(dǎo)致濕法焊中作用在熔滴上的6種主要作用力(包括重力G、電磁力Fe、等離子體拖拽力Fp、點(diǎn)壓力Fa、表面張力Fs和氣流阻力FL,如圖1所示)的變化,導(dǎo)致濕法焊接過(guò)程不穩(wěn)定[17]。
圖1 作用在熔滴上的6種主要作用力
在水下濕法焊接的實(shí)際焊接過(guò)程中,氫是由電弧柱中氣態(tài)氫分子的分解所產(chǎn)生的,而水下濕法焊接氫的主要來(lái)源是周?chē)h(huán)境和焊接使用的焊接材料。電弧的電離作用除了使熔池周?chē)乃纸獬纱罅康臍浜脱?,也使得焊絲中的含氫成分分解出來(lái),大大增加了水下濕法焊接接頭吸收氫的可能性。
為減少水下濕法焊接接頭常見(jiàn)問(wèn)題的發(fā)生,可以采取有效的試驗(yàn)措施從試驗(yàn)源頭上加以控制,結(jié)合試驗(yàn)條件來(lái)控制擴(kuò)散氫含量是提升水下濕法焊接街頭質(zhì)量最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法之一[18-19]。
目前關(guān)于試驗(yàn)源頭的研究結(jié)果,大多是通過(guò)控制試驗(yàn)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭擴(kuò)散氫含量的控制,主要包括:①選擇合適的焊絲伸出長(zhǎng)度 (即焊接材料端頭至焊槍導(dǎo)電嘴端頭的距離)。大的焊絲伸出長(zhǎng)度可以使焊接材料電阻加熱區(qū)產(chǎn)生更多的熱量,部分氫在熔滴過(guò)渡之前受熱從焊接材料中逸出[20-21];②選擇合適的電弧電壓。電弧電壓是通過(guò)控制電弧長(zhǎng)度來(lái)影響氫的產(chǎn)生,進(jìn)而控制焊接接頭接觸到的氫濃度[20-22];③選擇合適的送絲速度。提高送絲速度不僅會(huì)增加焊絲伸出長(zhǎng)度,同時(shí)還會(huì)增加焊接接頭的填充金屬量,導(dǎo)致氫氣來(lái)不及逸出就被填充金屬所覆蓋,使焊接接頭的氫濃度增加[23];④選擇合適的焊接速度。焊接速度的提高可以使熔池長(zhǎng)度增加,同時(shí)由于熱輸入減少,會(huì)有更快的冷卻速度。而快速凝固導(dǎo)致焊接接頭中溶解的氣泡來(lái)不及逸出,增加了焊接接頭擴(kuò)散氫的含量[24]。⑤選擇合適的焊接水深。焊接水深的增加導(dǎo)致水下壓強(qiáng)增大,壓力的升高壓縮了氣體的體積,也阻止了氣體的逸出,將導(dǎo)致焊接接頭的氫含量顯著變化[25]。⑥選擇合適的水溫。較低的水溫有更高的冷卻速度,不僅熔池中氣體來(lái)不及逸出,熱影響區(qū)的擴(kuò)散氫也有明顯升高[26];⑦選擇合適的焊接角度。米納斯吉拉斯聯(lián)邦大學(xué)工程系的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)試驗(yàn)研究證實(shí)了在水下濕法焊接過(guò)程中,選定合適的工作角度,可以有效的干預(yù)焊接接頭的氣孔量[27];⑧選擇合適的焊接電流。 Bracarense等人[28- 29]利用焊接金屬擴(kuò)散氫分析、熔滴采集和熔滴過(guò)渡高速記錄的試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)焊接電流對(duì)焊接接頭擴(kuò)散氫含量的影響。結(jié)果證明,焊接接頭氫含量確實(shí)隨焊接電流的增加而增加。
較為全面的了解水下濕法焊接過(guò)程中試驗(yàn)參數(shù)對(duì)焊接接頭擴(kuò)散氫含量的影響,可以為試驗(yàn)預(yù)調(diào)控試驗(yàn)參數(shù)提供便利,也為控制水下濕法焊接接頭的氫含量提供了新的思路。
除了與水下濕法焊接接頭質(zhì)量直接相關(guān)的水環(huán)境以外,焊接材料和母材本身的性質(zhì)在很大程度上也決定著焊接接頭的質(zhì)量。通過(guò)改變焊材或母材本身的物化性質(zhì)可以減少水下濕法焊接接頭包含擴(kuò)散氫在內(nèi)的多種有害物質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接頭的力學(xué)性能的改善[30-31]。
在焊接材料的選擇方面:①盡可能地選用優(yōu)質(zhì)的低氫焊接材料。因?yàn)樵诤附由a(chǎn)中,堿性焊條每百克接頭金屬中的擴(kuò)散氫含量?jī)H幾毫升,而酸性焊條可高達(dá)幾十毫升,因此對(duì)于重要的低合金高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)的焊接,原則上都應(yīng)該選擇堿性焊條;②要嚴(yán)格的烘干焊絲或者焊劑,因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)踐生產(chǎn)表明:隨著烘干溫度的升高,焊條本身的擴(kuò)散氫含量明顯下降;③選用奧氏體焊條。采用奧氏體焊條焊接淬硬傾向較大的低、中合金高強(qiáng)度鋼能很好地避免冷裂紋,這是因?yàn)閵W氏體焊接接頭可以溶解較多的氫。同時(shí)奧氏體本身塑性好,也可以削弱接頭存在的應(yīng)力[32];④提高焊接接頭金屬韌性。通過(guò)向焊接材料加入某些微量元素,例如Ti,Nb,Mo,Ni,B,Ce等元素來(lái)改善接頭韌性,利用焊接接頭足夠的韌性可以減輕擴(kuò)散氫的負(fù)擔(dān),從而提高焊接接頭的質(zhì)量[33-38]。
在母材選擇方面:在設(shè)計(jì)上應(yīng)該選用抗冷裂性能好的材料。盡量選擇碳當(dāng)量Ceq或冷裂紋敏感系數(shù)Pcm小的鋼材,因?yàn)殇摲N的Ceq和Pcm愈高,淬硬傾向就越大,擴(kuò)散氫導(dǎo)致的冷裂紋敏感性就越大[39]。
在水下濕法焊接的實(shí)際生產(chǎn)中,單靠控制焊接參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍和高密度的修復(fù),會(huì)導(dǎo)致效率低、成本高和設(shè)備復(fù)雜等問(wèn)題,因此需要尋找更加直觀經(jīng)濟(jì)的焊接方法和修復(fù)工藝來(lái)提高水下濕法焊接焊接接頭的質(zhì)量。
近年來(lái),通過(guò)改進(jìn)焊接裝備來(lái)提升水下濕法焊接接頭組織及力學(xué)性能也備受關(guān)注。焊接裝備的改進(jìn)是從多方面入手的,目前的研究主要集中在焊接裝置和水下裝置兩方面。焊接裝置包括焊槍、焊接電源和焊接整機(jī),而水下裝置主要在集中于控制某一試驗(yàn)參數(shù)而開(kāi)發(fā)的裝備。
中國(guó)人民解放軍軍械工程學(xué)院[40]重點(diǎn)針對(duì)水下濕法焊接能源裝備笨重不易攜帶這一問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了便攜式水下濕法無(wú)電焊接裝備,該裝備由控制焊條運(yùn)動(dòng)的滑臺(tái)和推送機(jī)構(gòu)組成,可以有效地解決利用自蔓延燃燒型焊條進(jìn)行水下濕法手工焊的焊接缺陷;而針對(duì)水下濕法焊接存在的氫含量、煙塵、氣泡等問(wèn)題開(kāi)發(fā)了諸多實(shí)時(shí)跟蹤干預(yù)裝置,這些裝置都將水下濕法焊接的工作環(huán)境進(jìn)一步優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)更為智能化的水下濕法焊接調(diào)控,從而獲得高質(zhì)量的水下濕法焊接接頭。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海校區(qū)的研究團(tuán)隊(duì)[41]開(kāi)發(fā)了一種改善水下濕法焊接接頭組織性能的方法和裝置,還包括雙絲水下濕法焊接裝置及方法和水下濕法焊接焊接接頭跟蹤器等多種先進(jìn)裝備。此外,山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所的研究人員[42]研發(fā)了一種水下焊接弧焊電源,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了水下濕法焊接裝置的輕便化。在設(shè)備研發(fā)方面,中國(guó)目前很多科學(xué)研究單位具有很強(qiáng)的研發(fā)能力,可以為水下濕法焊接的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。
圖2 攜式水下濕法無(wú)電焊接裝備示意圖
運(yùn)用能量場(chǎng)對(duì)水下濕法焊接過(guò)程進(jìn)行干預(yù)已經(jīng)成為近幾年的熱門(mén)研究對(duì)象,外加能量場(chǎng)的控制效果持續(xù)而穩(wěn)定,可以貫穿水下濕法焊接整個(gè)過(guò)程,且不受外界因素的干擾。
超聲波依靠空化作用和聲流,可以促進(jìn)熔融金屬的潤(rùn)濕和擴(kuò)散,細(xì)化晶粒的同時(shí)還可以消除氣孔或未融合等缺陷,且隨著超聲功率的增加有效的控制了擴(kuò)散氫含量,進(jìn)而水下濕法焊接接頭的機(jī)械性能得到有效的提升[43-46];采用實(shí)時(shí)感應(yīng)加熱的輔助熱源水下濕法焊接可以降低接頭在水環(huán)境中的冷卻速度,改善接頭的顯微組織和力學(xué)性能,且機(jī)械性能隨著感應(yīng)加熱電壓的增加也有所提升[47]。與之原理相同的研究進(jìn)一步提出:采用預(yù)熱、層間溫度和焊后加熱均能夠達(dá)到優(yōu)化水下濕法焊接接頭的目的,但高溫預(yù)熱和層間溫度會(huì)導(dǎo)致高的殘余應(yīng)力和反應(yīng)應(yīng)力[48-49]。因此,焊后熱源輔助是優(yōu)化接頭質(zhì)量更為有效的方法[23]。磁場(chǎng)也可以?xún)?yōu)化焊接接頭質(zhì)量,合適的磁場(chǎng)可以平衡水下高壓急冷環(huán)境的影響,改變水下濕法焊接接頭深而窄的特點(diǎn)。引入適當(dāng)?shù)耐饧哟艌?chǎng)不僅可以細(xì)化焊層金屬組織的晶粒,而且由磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁攪拌能夠提高接頭金屬的硬度和耐磨性,從而提高接頭金屬的綜合力學(xué)性能[50]。
針對(duì)水下濕法焊接接頭質(zhì)量?jī)?yōu)化的焊接方法可以從冶金和工藝2個(gè)方面入手。其中冶金方面的工藝創(chuàng)新重點(diǎn)在于對(duì)接頭組織的回火處理(焊后熱處理):通過(guò)回火處理的熱量可以細(xì)化原有焊接接頭的熱影響區(qū)粗晶,進(jìn)而可以降低熱影響區(qū)的硬度[5]。格但斯克理工大學(xué)的Jacek等人[51-52]通過(guò)試驗(yàn)也證實(shí)了這一理論的可行性,且發(fā)現(xiàn)運(yùn)用回火處理的高溫堆焊技術(shù)可以降低在水環(huán)境中所制作樣品的熱影響區(qū)硬度,而合理的焊道順序也可將熱影響區(qū)的硬度明顯降低,并且可以降低對(duì)冷裂紋的敏感性,實(shí)現(xiàn)了水下濕法焊接接頭質(zhì)量的優(yōu)化。
對(duì)比陸上焊接,水下濕法焊接的工藝方法起步較晚,所以在濕法焊接方面除了普通的電弧焊外,主要集中于將陸上焊接方法引申到水下濕法焊接。山東大學(xué)材料連接研究所[53]在焊接區(qū)域預(yù)設(shè)了以環(huán)氧樹(shù)脂和埋弧焊劑組成的混合焊劑進(jìn)行水下埋弧焊,與傳統(tǒng)的水下濕法焊接相比,該法顯著優(yōu)化了電弧燃燒環(huán)境,有效提高了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。且接頭具有細(xì)小針狀鐵素體的顯微組織和高質(zhì)量的力學(xué)性能,特別是具有優(yōu)異的極限強(qiáng)度。石家莊鐵道大學(xué)的韓鳳起等人[54]基于自蔓延高溫合成技術(shù) (SHS技術(shù)) 和濕法電弧焊原理,研究了一種用于水下金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)急維修的新型水下濕法手工自蔓延焊接技術(shù),試驗(yàn)結(jié)果表明,該技術(shù)可在無(wú)電、無(wú)氣、無(wú)其它設(shè)備的條件下實(shí)現(xiàn)水下金屬構(gòu)件的水下濕法焊接,且單面焊雙面成形,接頭抗拉強(qiáng)度和韌性均滿(mǎn)足應(yīng)急維修的需求。陸軍裝甲兵學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心的秦航等人[55]使用光纖激光器對(duì)鈦合金進(jìn)行了水下濕法激光焊接試驗(yàn),通過(guò)在金屬表面預(yù)置焊接輔助劑增加水下濕法焊接熔深,焊接接頭中裂紋減少,實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接接頭的保護(hù)。
實(shí)踐中的水環(huán)境往往是波動(dòng)的,而郭寧等人也已經(jīng)證實(shí):在快速水流條件下,過(guò)大的氧化物夾雜物、微裂紋和大量爐渣夾雜物是接頭斷裂的主要原因。水下干法焊接雖然能夠杜絕水環(huán)境的干擾,但是設(shè)備高昂、操作復(fù)雜等問(wèn)題,使之依然在實(shí)踐生產(chǎn)中的應(yīng)用很少。
水下濕法焊接的實(shí)踐操作中水環(huán)境的波動(dòng)無(wú)法避免,但是可以對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行控制,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中涉及的熔滴過(guò)渡、電弧、熔池狀態(tài)進(jìn)行干預(yù),以削弱水環(huán)境所產(chǎn)生的干擾。Jia等人[56]通過(guò)試驗(yàn)研究也揭示了氣泡特性和熔滴過(guò)渡受力之間存在內(nèi)在聯(lián)系。且在水下濕法焊接過(guò)程中,氣泡持續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)生也是穩(wěn)定焊接過(guò)程和提高焊接接頭高質(zhì)量的基礎(chǔ)。
Chen等人[57]利用自行設(shè)計(jì)的氣罩裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下濕法焊接過(guò)程氣泡的約束,減小了作用在液滴上的氣流阻力,使其產(chǎn)生了更加穩(wěn)定的液滴轉(zhuǎn)移模式,且裝置氣體逸出方向促進(jìn)了熔滴向熔池平穩(wěn)的過(guò)渡。Yang等人[17]通過(guò)對(duì)熔滴過(guò)渡和氣泡之間的相互作用研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)電弧電壓較低時(shí),金屬轉(zhuǎn)移過(guò)程受小直徑、高頻析出氣泡干擾極大,導(dǎo)致產(chǎn)生大直徑、低頻轉(zhuǎn)移的熔滴。熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性,在一定程度上也會(huì)決定熔池的動(dòng)態(tài)特性和最終形貌。Zhang等人[58]通過(guò)研究焊接材料的填充率對(duì)水下濕法焊接過(guò)程和焊縫外觀的影響發(fā)現(xiàn):增加金屬絲的填充率可以改變?nèi)鄣芜^(guò)渡的模式。同時(shí)隨著填充率的增加,熔池的幾何形狀發(fā)生變化,且熔池中氣泡的作用使熔合線更加規(guī)則,焊接接頭變得更加平整光滑。
相比之下,水環(huán)境對(duì)焊接電弧的穩(wěn)定性也有重要影響。例如米納斯吉拉斯聯(lián)邦技術(shù)教育中心[59]研究發(fā)現(xiàn):隨著水環(huán)境中聚四氟乙烯含量的增加,接頭的熔深和強(qiáng)度增加。這是由于聚合物中的氟化物會(huì)引起電弧寬度、長(zhǎng)度和能量密度的變化,且會(huì)導(dǎo)致電弧短路的數(shù)量也隨著聚四氟乙烯的量的增加而增加,弧長(zhǎng)的減少反過(guò)來(lái)又直接影響氫和氧的吸收的減少,從而提高接頭的組織和力學(xué)性能。而Guo等人[60]也類(lèi)似的發(fā)現(xiàn):隨著水環(huán)境中硼酸濃度的增加,水下濕法焊接過(guò)程中的電弧穩(wěn)定性變差,導(dǎo)致焊接過(guò)程中出現(xiàn)更多的氣泡和更大的熔滴。而這本質(zhì)上都是通過(guò)對(duì)水下燃弧的狀態(tài)改變,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的優(yōu)化。
伴隨著深海、核能、水利等新興能源的大力發(fā)展,水下濕法焊接的應(yīng)用將得到十足的發(fā)展。新的焊接方法的可行性得到了論證,接頭質(zhì)量從低到高的飛躍,必須在技術(shù)和實(shí)踐方面花費(fèi)更多的時(shí)間,把更多的試驗(yàn)理論推到實(shí)踐中去,也需做更多的實(shí)踐工作。
(1)水下濕法焊接操控自動(dòng)化。水下濕法焊接技術(shù)的潛能是無(wú)限的,但是深海、核能本身所具有的特殊性也在一定程度上限制了水下濕法焊接的發(fā)展。水下濕法焊接應(yīng)該朝著安全、便捷和節(jié)能的方向發(fā)展,不能僅停留在試驗(yàn)階段,應(yīng)該將試驗(yàn)研究成果應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中去,實(shí)現(xiàn)包括對(duì)水下濕法焊接焊槍、焊接電源和焊接附屬設(shè)備智能化和輕便化的改進(jìn)。同時(shí),將上述控制接頭質(zhì)量的方法也推廣到水下濕法焊接設(shè)備自動(dòng)化的研發(fā)中,在節(jié)約勞動(dòng)力的同時(shí),還可以在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操控的同時(shí)保證水下濕法焊接的焊接接頭質(zhì)量。
(2)水下濕法焊接實(shí)踐商業(yè)化。目前水下濕法焊接雖然在國(guó)內(nèi)也取得了較大的研究進(jìn)展,但是多數(shù)研究成果都僅僅局限于試驗(yàn)基地的研究,很少對(duì)某一項(xiàng)研究的研究成果進(jìn)行實(shí)踐推廣,應(yīng)用到商業(yè)中的更是少之又少。應(yīng)該將試驗(yàn)成果推向市場(chǎng),目前關(guān)于焊材的改進(jìn)較多的應(yīng)用到水下濕法焊接的實(shí)踐中,但是除此之外的部分研究專(zhuān)利和試驗(yàn)研究成果始終停留在理論階段。未來(lái)試驗(yàn)成果的發(fā)展應(yīng)該打破這種僵局,這不僅是檢驗(yàn)試驗(yàn)成果的方式,更是帶動(dòng)水下濕法焊接發(fā)展的源動(dòng)力。