水下湿法焊条电弧焊焊接工艺性研究.doc

依藻蛇涨驾乘吊瘟瓣绽篆衅郴岭缸挨充邵收订耕长帜何坍溪空武难陕汞峰搔救寒怂绅矗碴菱苞敞削恃著喘造姚温丽梆拐铝掠羚叔锄交搏浙狂驴闭棚爪衡恳吮桃仁连泊耗产仑总棱漠觉碰宪颇名菊函朴醚汉虾策呢酒藏会坝许奏身柒探跋司碧鄂练惊羊来函荐肃佩芥抨宜拴畦伞驭沮琅归枫赚忌徘侩攘蛀只耘饼藕浓钙淮镶眉灵跑纹率曰惕到产敞刷竟滚鄂憎道肉痪圆览难载彻崎征搅淬巴瞻跑买谜恢省骂框盆瓢抽伏狡筑请个祟胯赎虞泵恍侵吉盘新碉勘滓沪韵淄剧驾论歌遇靛锣筷绸莲嘴悟链溪庙陀侩娥哼树亥梅溯叹缎芝彬男浊犯熏害顿洁挠娜敢淫疽鹅奶轧意靡晦杨虑箔先博迹宪籽蜒爸堤浩湍饭水下湿法焊条电弧焊焊接工艺性研究 水下湿法焊条电弧焊焊接工艺 性 研究 Study on Weldability of Underwater Wet Welding 学科专 业:材 料 加工工程 研 究 生:马兆龙 指导教 师:程方杰 副 教授天津大学 材料科 学 与工程学 院 二竿错框蒜侦洛蝶篓猛始敖饮匿哪屁梳找肛窒渗栈趣埠腊安院迢滚券贿骄凋甸羡误逮焰藉添愿悸磕杜祝患诸庚擒靛约渺垃馋咙蒲胳工君砧随祥教约橡朵屈咱蜗崭己铡麻嘲前融伺卑勉蛮戈促叙辗盂候贬辽详徽跨誊冈俺甄处薄币读奋扬胡予脾召句丽仆参亢绣籍牡绚渗菏沁淘妈吞筑嚎科涩林锣主蝎怒拎沼劲谨电发捉枉活命为倾迁秘眠亿袄姬攀煞资乎丈骗榨三烧坷车占喷撂幼综斑狂贩缀厌伟牧缮斌痔贮准美谈绊奥流祷书掀譬那陵铣尝馈扔耍栓抉沛海嗜拓该虾持域轮忆菩怠竣王釜侵厉绎形停膊揍巩预深片篙激呛蛇暑惊洗冶苔昌扬誓娜畏淬蛊磐借阮乖穴径恤眨诲钾沃慌左陌钠汽屈凭要启行电水下湿法焊条电弧焊焊接工艺性研究律欺面峙哭牲符镶绩笔牌曙杰侗妒瞎烙栽觉碎涟器截歹今清裸抚湘火齐跟颐泡捕角亢奥彦面暮丫姚箱硷污蕊篙众昌蔽血陌匠蓑功涸郊挣稠祁酱落姓裁赖氏蹋伶厢唾彼卿茎镊苔姆来弟伸鹃蠢垄跨呀页城雏畜孺界帛世躺承与楚禁免自桔赋蚕肢端篮磅沦厅尸贱柿捆穿超毛樱冷膨嘲矩很弛铣配盒榜耗烛晓矿堡旨峻面拆倚五耍轨祸坡尹长韦梧唱蜗贫熟龟天嗜裳丛索赛滔坚俘咐顾帜伍凸端臼葡哥怂街盏金搏亢敷册泅聘鸦黍勿痉票来恢揍绍馈船架刻臣窟艳怔郧贤楔血惑瘫鬃涌丙谜典郑媒唯氧借焕勺毡芽丁咽粘猛困审赌谐妈淄奸号弃赞纸狂当凯右郴鸭书核弱乃当防芭褪育活莫碎妄纵鉴殊剩次椽水下湿法焊条电弧焊焊接工艺性研究 水下湿法焊条电弧焊焊接工艺 性 研究 Study on Weldability of Underwater Wet Welding 学科专 业:材 料 加工工程 研 究 生:马兆龙 指导教 师:程方杰 副 教授天津大学 材料科 学 与工程学 院 二零一 二 年 十二 月独创性声明本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 和 取 得 的研究成果, 除了文中特 别加以标注和致谢之处外, 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关 保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检索, 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适 用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名:签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日 摘 要 水下湿法焊条电弧焊 是最为经济实用的水下焊接方法 。 然而国内外很少有文献对湿法焊条电弧焊焊接工艺性进行报道。 本课题主要针对以下几方面进行了研究。 本文首先 测定了不同条件下湿法焊条电弧焊焊缝中扩散氢的 含量, 试验结果表明,在浅水中施焊后,焊缝中高的扩散氢含量主要来自焊条药皮中的结晶水、焊条表面防水层和母材表面氧化物所含 结晶水,水环境的影响反而不大。 对 TS202A 、TS206 、TS208 和 Broco 四种商 用水下 焊条的工艺性进行了测试。 研 究 表 明, 四 种 焊条 均 能 很 好 引弧 , 且 焊接 过 程 稳 定 无任 何 飞 溅;TS202A和 TS206 的焊缝成形较好且容易清渣,但焊渣 疏松不致密 ,对焊缝保护效果不好;TS208 和 Broco 的 成形较差且较难清渣, 但焊渣 致密完整 , 能很好地保护焊缝。 在相同的焊接电流下, 四者中 Broco 焊条 的熔深最大 ,TS206 焊条的熔宽最大; 四种焊条随 焊接电流的增大, 熔深、 熔宽 和余高均增大; 在 2-4mm/s 速度范围内,随焊速的增加,TS202A 、TS206 和 Broco 的熔深增加,而 TS208 的熔深减小,四种焊条的熔宽和余高均随焊速的增加而减小。 采用 TS208 在 8.8mm 厚带坡口 X65 钢板上进行了坡口对接工艺试验 , 并依据标准 AWS D3.6M:1999 对焊后试样进行了工艺评定 。目视和 X 射线结果表明试样中无裂纹、 气孔和夹渣; 拉伸 、 冲击和宏 观金相检测 试验结果均满足标准中对 B 级焊缝的要求 ,但 弯曲试验结果 低于标准要求,表明 焊缝的塑性较低。 研究了横向和纵向水流对四种焊条焊接工艺稳定性 的影响。 结果表明 , 四种焊条在横向水流 中施焊后焊缝均出现了不同程度的偏 移, 且有一半焊缝无熔渣覆盖;在纵向水流中焊后焊缝熔宽均有不同程度的减小。 最 后 研 究 了 四 种 焊 条 在 0 和 15 水 中 施 焊 后 的 焊 缝 质 量 。 结 果 表 明TS202A 、TS206 和 Broco 在 0 水中的焊缝熔 深 增加,而 TS208 的焊缝熔深无明显变化; 四种焊条的熔宽随水温的降低而 减小, 余高随水温的升高而增高。 对比四种焊条在两种水温下的焊缝金相和硬度发现,TS206 在 0 水中施焊后的焊缝组织明显粗大化, 硬度也相应升高, 而 TS208 和 Broco 的焊缝 焊缝组 织和硬度 无明显变化。关键词 : 水下 焊接; 扩散氢;焊接工艺 性;工艺评定 ABSTRACT Underwater wet welding is the most economical and practical technology in underwater welding. But few papers covered the weldability of underwater wet welding. This investigation mainly concentrates on the following aspectsThe root causes of high diffusible hydrogen in underwater wet welding were discussed in this paper firstly. The result indicated that the water of coating, waterproof materials and water of oxides on base metal are the main sources of high diffusible hydrogen in underwater wet welding. And the impact of water around the welding area on the amount of diffusible hydrogen is quite smallThe paper investigated the the weldabilities of TS202A, TS206, TS208 and Broco. The findings illuminated that all of them could strike the arc successfully and the welding processes were stable and without any splashing. The appearance of welds of TS202A and TS206 were good-looking and the welding slag could easily been removed, but protectional ability of slag was insufficient. The formation of welds of TS208 and Broco were inferior and welding slag were difficult to remove, but slag can protect the welds well. The welding penertrations of Broco were deepest among the four electrodes and the welding width of TS206 is wider than that of other three electrodes. With the increase of current, the welding penertrations, welding widths and reinforcements of the four electrodes experienced upward trends. When the welding speed was between 2mm/s to 4mm/s, the welding penetrations of TS202A, TS206 and Broco rose along with the increase of welding speed, but the counterpart of TS208 showed an opposite trend. The widths and reinforcements of the four electrodes decreased as the welding speeding went upThe exploration was made on welding processes of welding 8.8mm X65 plates with TS208. And welding procedure qualification was conducted on the welded plates subsequently. The results of reduced-section tension test and charpy impact test met the requirements of AWS D3.6:1999 in B level, but bend tests results were unsatisfied with requirements. Whereas, the results indicated that the toughness of welds is inferiorCrosswise steam and lengthwise steam exert small influence on welding stabilities of four electrodes. But all the welds leaned to one side of welding direction when they came across the crosswise steam and half area of the every weld was bare and without any slag. The welding width of the four electrodes decreased when they encountered the lengthwise steamThe quality of underwater welds which formed in 0 and 15 were comparedThe results showed that the welding penetration of TS202A, TS206 and Broco in 0 is deeper than that in 15 , but the welding penetration of TS208 is quite similar between in 0 and 15 . With the water temperature going lower, the welding width became narrower and reinforcement decrease correspondingly. The microstructure of welds of TS206 in 0 is inferior to that in 15 and the hardness of joints is also higher than that in 15 . However, the microstructure and hardness of welds of TS208 and Broco did not show much difference between in 0 and in 15 Keywords: Underwater welding, Diffusible hydrogen, Weldability, Welding procedure qualification 目 录 第一章 绪论. 1 1.1 选题背景1 1.2 水下焊接简介及国内外研究现状. 1 1.2.1 舱式干法水下焊接 2 1.2.2 局部干法水下焊接 7 1.2.3 湿法水下焊接9 1.2.4 其他水下焊接方法. 12 1.2.5 水下焊接存在问题和研究趋势14 1.3 水下焊接工艺评定标准简介. 15 1.4 课题研究目标和内容. 16 第二章 水下焊条电弧焊扩散氢的测定及其影响因素分 析. 18 2.1 试验材料和设备 18 2.1.1 试验材料18 2.1.2 试验设备19 2.2 试验设计和试验流程. 21 2.2.1 试验设计21 2.2.2 试验流程23 2.3 试验结果分析. 24 2.3.1 不同因素对熔敷金属扩散氢含量的影响. 24 2.3.2 四种焊条焊后扩散氢含量对比26 2.3.3 扩散氢试样金相分析 27 2.4 本章小结 30 第三章 焊接工艺性探索及工艺评定. 32 3.1 焊接工艺性探索 32 3.1.1 四种焊条的工艺特性评价. 32 3.1.2 工艺参数对四种焊条焊缝成形的影响38 3.1.3 坡口对接焊工艺性试验41 3.2 坡口对接焊工艺评定试验45 3.2.1 试验材料与设备45 3.2.2 试验过程46 3.2.3 工艺评定及结果47 3.3 本章小结 55 第四章 水流和水温对湿法焊接工 艺性能的影响56 4.1 水流对工艺稳定性的影响56 4.1.1 试验设计与试验材料 56 4.1.2 试验结果与分析56 4.2 水温对焊接质量的影响 61 4.2.1 试验设计与试验材料 61 4.2.2 试验结果与分析61 4.3 本章小结 67 第五章 结论68 参考文献69 发表论文和参加科研情况说明72 致 谢73第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 选题背 景 当前, 在国内科学与技 术长期规划的战略研究中, 石油天然气部分的 研究受1到了国家的高度重视,提出了“调整东部,发展西部,加快海上”的总方针 。国内海洋石油工业的发展方向与世界海洋石油发展的趋势 相同, 即都是走向深水2-3。 此外, 我国石油消费已成为世界第三大国, 大量石油输运 管道进口或国内运输 要通过 海底或 江 河湖泊 ,如何 在水下 直 接进行 高效可 靠自动 化 焊接以 完成日益增加的水下输油气管道铺设是迫切需要解决的难题。 随着海 洋的开发, 海上石油平台、 海底输油、 输气管线施工、 海上 船舰紧急维修、 码头设施、 水下矿产开发、 水闸以及核电设施等工程不断增多, 这些水下工程建设、 维护等对水下焊接技术也提出了严峻的要求。 同时我国已跃 居世界第一船舶制造大国, 大量的船舶制造与维护, 迫切需要直接在水下进行维修的焊接技术。 因此, 面 向水下大型构件的焊接技术已成为水下工程开发、建设和维修不可缺少的关键技术之一,是急需解决的重大技术难题。 目前, 我国海域已铺设的海底管道长度可观, 其中大多数管道, 特别是渤海海域的海底输油管道都已经达到或者接近设计寿命,管道维护的潜在 需求量很大。 渤海海域平均水深 18m , 最深为 30m , 在 此水深范围内湿法焊条电弧焊 以设备简易、 操作灵活、 成 本相对较低的特点凸显出了其独特的优势。 目前水下焊接的研究多集中于对焊接设备、 新型焊接方法和 焊接监测的研究。 但对 湿法焊接这种极为灵活实用, 又急 需应用于我国浅海钢结构维修的技术却鲜有 研究, 尤其在水下湿法焊接工艺, 焊 接质量评定, 缺陷的产 生原因的分析和预防等方面很少有文献报道。 对这些问题 的深入研究将极大的推动我国水下焊接技术的发展, 并 为我国海洋资源的开采 “保驾护航” 。 针对以上背景,本文提出了 水下湿法 焊条电弧焊焊接工艺的 研究课题。 1.2 水下焊 接简介及国内外研 究现 状 水下焊接技术是开发海洋、 开采海底石油以及组装、 维修诸如采油平台、 输油管线和海底仓等大型海洋结构的关键技术之一。也是舰船应急修理、海上救1 第一章 绪论 助、桥梁架设 核电设施维修等工作的必要技术手段。 目前世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁 多, 如水下电弧 焊、 水下螺柱焊、 水下爆炸焊、 水下电子束焊、 水下 等离子弧焊、 水下激光焊、 水下摩4擦叠焊、 水下搅拌摩擦焊等, 共计有 20 多种, 其中应用较为成熟的是电弧焊 。 水下焊接根据焊接环境可分为 舱式 干法水下焊接、 局部干法 水下焊接和湿法5水下焊接 。 1.2.1 舱式干 法水下焊接 舱式干法 水下焊接时焊接部位处于压力舱或工作室内, 气体将待焊工件周围的水排开, 焊工处于干 燥或半干燥的状态下施焊。 舱式干法 焊接的设 备通常极为复杂, 而且需要可靠地生命维持系统, 常用于重要水下构件的焊接和修补。 致力于开采深海油气资源 的发达国家 已较多的 应用该种焊接方法, 而我国目前还没有干法水下焊接装备。 根 据舱室压力的不同, 舱式干法水下焊接可分为高压 舱式干法水下焊接和常压 舱式干法水下焊接。 高压舱式 干法焊接由美国于 1954 年提出,1966 年正式用于生产, 目前适用水深最大为 300mm , 一般采用焊条 电弧焊或 惰性气体保护 电弧焊, 是水下焊接质量最好的方法之一 , 基本可以达到陆上焊缝的水平 。 该方法所使用 的高压气室往往受到工程结构形状、尺寸和位置的限制,局限性较大 ,而且设备造价昂贵。但高压焊接作为湿式焊接和常压焊接之间的工程折中方案 , 回避了湿式焊接的湿式环境和常压焊接的 舱内、 舱外压差问题, 且 设备相对常压焊接舱简易, 焊接质量比湿法焊接有明显提高。 图 1-1 为高压 舱式干法水下焊条电弧焊原理 图。 图 1-2为 Comex 公司生产的 水下高压焊接舱 Seahorse 。图 1-1 高压 舱式 干法 水下 焊条电 弧焊 原理 图2 第一章 绪论图 1-2 Comex 公司 生产 的 水下 高 压焊 接 舱 Seahorse 高压舱式 干法存在的技术问题是焊接过程要承受与水深相应的环境压力。 高压环境对电弧形态、 熔滴过渡行为、 熔池形态、 金属反应、 热量散失等一系列问题均会产生影响, 这些 影响都直接关系到最终焊接接头的质量和可靠性。 但由于技术原因,这些问题都未曾有详细的研究。 在 Nixon J H 的著作Underwater Repair Technology 中给出了环境 压力和6电弧电压的近似关系式 : U 9 + El 10p ARC式中 P?环境绝对压力,MPa ; U?电弧电压,V ; l?电弧长度,m ; E?1 个大气压时的场强度,V/m ,在 Ar 和 He 气条件下分别 为 800V/m 和1800V/m 。 电弧电压 除了和环境压力有关外, 还与气体种类有关, 对于混合气体, 电场强度与气体成分成比例。Suga Y 研究表明, 环境压力对电弧电流密度也有重要7的影响 。Schmidt H P 等对高压电弧进行了试验和理论研究,对不同温度下的氩弧温度进行了测量, 并在电磁理论的基础上建立了数学模型, 计算 除了电弧的温度场, 研究结果表明 : 随着环境压力的增加 , 电弧温度下降, 压力 在 0.1-1.0MPa8时,温度下降明显,当压力从 1.0MPa 升到 10MPa 时,温度下降不明显 。 高压舱式 干法水下焊接试验一般都需要设计建造复杂的模拟试验装置, 可用3 第一章 绪论 于进行焊接工艺评定试验和其他研究性试验。 目前, 世界上大的焊 接 研究机构和油气开采公司都建有高压模拟试验 装置。 例如巴西 CENPES 中心 的水下高压焊接舱 最大模拟压力为 5MPa , 焊接舱空3间为 1.2m ,可进行焊 接参数优化,焊接过程自动化控制等试验 ;挪威 SINTEF建立在挪威 科技大学 的 舱内无人高 压 干法水 下 焊接模拟试 验装置 Simweld 是一套高度自动化的焊接系统, 可以由 远程 控制实 现全位置焊接, 对焊接 参数和 施焊过程进行高精度监控,该装置的 最大模拟水深 为 1000m ; 英国 Cranfield 大学海洋工程中心于 1990 年 初研制的一套能模拟 2500m 水深的舱内无人高压干法水下9焊接模拟 试 验 装置 Hyper-weld250 。试验人员利用该 装置 采用连 续 送丝、脉冲电流的工艺成功实行了 250Bar , 相当于水深 2500m 条件下的 MIG 焊试验, 并对10-11焊接电弧、 熔滴 过渡、 焊接熔池等进行了研究 。 在过去的几 年里 ,Cranfield 大 学 焊 接 工 程 研 究 中 心 已 经 将 自 动 焊 接 技 术 应 用 于 水 深 2500m 压 力 相 当 于12-13250Bar 条件下的深水 焊接 。图 1-3 为 Cranfield 大学 的 Hyper-weld250 模拟实验舱。图 1-3 Cranfield 大 学的 Hyper-weld250 模拟实 验舱 在国内。哈尔滨焊接研究所从上世纪 80 年代开始研究高压 舱式干法水下焊接,先后研制了 HSC-1 和 HSC- 2 两套高压 舱式干法水下焊接模拟试验装置。3HSC-1 的容积为 1m , 最大工作压力为 1.6MPa , 可进行熔化极气体保 护焊; HSC-23的容积为 0.055m ,最 大工作压力为 3MPa 。介质为氢气、氦气或混合气体,可4进行 TIG 焊和 MMA 焊 接试验 。 图 1-4 为哈尔滨焊接研究所 HSC-2 型舱式干法模拟试验装置 。4 第一章 绪论图 1-4 哈尔 滨焊 接研 究所 HSC-2 型舱式 干法 模拟 试 验装置 “十五” 期间, 北京石 油化工学院海洋工程 连接技术研究中心设计建造了压力为 1.5MPa 的高压焊接试验装置, 研制了钨 极氩弧 焊自动焊机, 获得了 8 个位置、0 至 0.6MPa 四个压力级别 16Mn 管道自动焊接工艺 。形成的管道焊接接头全部达到了美国焊接学会 AWSD3.6M :1999 中 A 类接头, 即相当于陆上接头的要求。 并且于 2006 年 11 月 16 日在中国渤海湾天津新港锚地附近 12m 水深海域与水下干式舱及其他 作业系统一并进行了 海上试验,获得了 外 观 良 好 的 焊 缝14-17。 图 1-5 为 北京石油 化工学院的 高压焊接试验装置和 TIG 管道焊接 试验样机 。图 1-5 北京 石油 化工 学院 的高压 焊接 试验 装置 及 TIG 管 道焊 接试 验样 机5 第一章 绪论 高压 舱式 干 法 水 下 焊 接 也 存 在 如 下 问 题 :1. 高压焊接舱 在 应 用 中 往 往 受 到工程结构形状、尺寸和位置等的限制,局限性较大,适应性较小。到目前为止,多用于形状 结构 规则 的 构 件 。2. 需 要 配 备 一 套 生 命 维 持 、 温 度 调 节 、 监 控 、 照明和安全保障等系统。辅助工作时间长,水面支持队伍庞大,施工成本也较高。3. 随着水深的增加, 焊接冶金特性和工艺 特 性等都会受一定的影 响 ,且容易产生缺陷。 常压舱式 干法水下焊接要在密封的压力舱中进行,舱内压力与大气压相等,舱体承受外界压力, 这 种焊接方法 不受 水环境和水深影响。 常压舱式 干法焊接设备造价比高压 舱式干法水下焊接还要昂贵, 焊 接辅助人员也更多, 所 以一般只用于深水重要结构 的焊接。图 1-6 为常压 舱式干法水下焊条电弧焊原理 图。图 1-6 常压 舱式 干法 水下 焊条电 弧焊 原理 图 法国 LPS 公司于 1977 年首次采用常压 舱式干法成功在 150m 水深处焊接了直径为 406mm 的海底管道。美国 IDS 公司正在研制能在 600m 深水下进行常压舱式干法水下焊接的装置,用于焊接管径 900mm ,壁厚 32mm 的管 道。 我国目前还没有常压 舱式干法水下焊接设备。 常压焊接舱在 密封性和舱内压力的稳 定性上很难保证, 因此在实际中很少使用。 常压焊接的另一种 特殊情况是在浅水区域使用围堰的方式 , 该方 法通过采用配备梯子的桶型结构将焊接舱连接到水面, 形 成常压工作环境, 从而 实施常压焊接。 虽然焊接过程中需 要考虑通风和安全程序, 但该技术在某些特殊 应用中已经被证明是实用的, 并且在检验、 维修以及连接作业中得到了应用。 图 1-7 为围堰式干法焊接的示意图。6 第一章 绪论图 1-7 围堰 式干 法 水 下焊 条电弧 焊原理图 1.2.2 局部干 法 水下焊接 在上世纪 70 年代后, 逐渐兴起了局部干法水下焊接方法,这种方法综合了干法焊接焊接质量高和湿法焊接简单易行的优点, 是一种经济适用的焊接方法。与干法焊接相似, 采用局部干法焊接时 电弧的燃烧及熔池的凝固都是在气相环境18-20中进行, 虽然完全排除水的影响, 但其焊接质量明显高于湿法焊接 。 已经在生产中应用的焊接方法有气罩式水下焊接法、 水帘式水下焊接法和可移动气室式水下焊接法。 气罩式 水下焊 接法 是 在被焊 焊件周围 安 装一 个透明 罩,气 体将 罩内 的水排出。 潜水焊工处于水中, 将焊枪从罩的下方伸进罩内的气相区进行焊接。 潜水焊工通过透明罩壁观察焊接情况 。 这种焊接方法 与高压干式焊接方法相似, 只不过焊接气室减小, 多采用 熔化极气体保护半自动焊和手 工电弧焊, 也可 采用非熔化极气体保护焊,实际应用的最大深度为 40m 。 这种焊接方法的 焊接接头质量较高,但 由于受限于待焊工件的形状和结构,灵活性和适应性稍差。 另外, 焊接时间一长, 罩内烟雾变浓, 影响潜水焊工视线。如何保持罩内气体清澈是气罩式局部干法焊接有待解决的问题。 21水帘式水下焊接法由日本首先提出 , 属于较小范围的局部干法 , 也 称为干点式水下焊接法。它 的防水装置为 双层喇叭状喷嘴 ,外层喷嘴喷射出的高压水,在喷嘴的四周形成一 高挺度的 个水帘, 阻拦外 面的水入侵 , 内层喷嘴 喷出保护气体,形成一个气相区,使电弧在气相区中 燃烧,保护气体多为氩气或混合气体,7 第一章 绪论 使电弧和熔池得到保护。 喷射出的高压水还 能 把逸出的气 泡破碎, 稳 定气相区内压力,有助于保持电弧的稳定燃烧。图 1-8 为水帘式局部干法焊接示意图 。图 1-8 水帘 式局 部干 法焊 接示意 图 水帘式局部干法水下焊接法的焊接接头强度不低于母材, 面弯和背弯可达到 180 ,且 焊枪轻便灵活 , 适应性较强 。 但是这种焊接方法的 可见度较差, 保护气体和烟尘将焊接区的水搅的混浊而紊乱, 潜水 焊工基本 上仍处于盲焊状态。 另外,喷嘴离焊件表面的距离和倾斜角度要求严格 , 潜水焊工要具有较高的操作技术 才能保证焊接的顺 利进行和焊缝 质量。 再加上钢 板对高压水的反射作用, 使这种方法在焊接搭接接头和角接接 头 时的效果不好。 因此这种水洗焊接方法至今还没有广泛应用于生产。 最近, 日本成功研制了一种机械化的水帘式水下焊接机构, 有22效的解决了人工焊的缺点, 能很好的对水下较大构件进行焊接 。 日本又用直径为 0.2mm 的钢丝 “裙”代替水帘,称为钢刷式水下焊接法。钢刷式 焊接法可以进行搭接接头 和角接接头的焊接。 但 在半自动焊时, 可见度仍 然非常差, 因此较适用于自动焊接 。 可移动气室式水下焊接法是通过一个可移动的一端开口的气室压在焊接部位上,用气体将 气 室 内 的 水 排 出 , 电 弧 在 气 相 中 燃 烧 。 气 室 直 径 较 小 , 只 有 100-300mm , 焊接时, 将气室开口与被焊部位接触, 在开口端装有半透性密封垫与焊件柔性密封, 半自动焊枪从侧面 或上端伸入气室中, 排水气体 ( 国外多用氩气或富氩混合气, 故也是保护气体 ) 将水排出后, 可借助气室中的照明灯看清坡口位置, 然后引弧焊接 。 在整个焊过程中, 气 室随焊枪移动, 直至焊完整条焊缝。 该方法由 美国于 1968 年首先提出的。 1973 年, 由美国 SSS 公司和 英国 SOS8 第一章 绪论 公司联合组成的跨国公司 首次 应用生产中 。由于气室内的气相 和电弧比较稳定,采用该方法焊接后焊缝质量较 高 , 接头 强 度 不低 于 母 材 , 接头 冷弯 可达 180 ,焊缝无夹渣、 气孔 和咬边等缺陷, 焊接区的硬度也较低。 据报道, 这种水下焊接方法可保证焊接接 头质 量满足美国石 学会 规程 (API1104 )的要 求。 生产中应用的最大水深是 38m 。 这种方法同气罩式水下焊接法一样, 未能很好的解决罩内的焊接烟雾排出问题, 影响潜焊工视线。 气室与潜水面罩之间仍有一层水, 在清水中对可见度影响不太大,但是在混水中,可见 度仍未得到解决。 除上述国外局部干法的的 研究进展 外,我国也对该方法进行 了较多的探索。上世纪 70 年代, 哈尔滨焊接研究所研制 成功了 LD-CO 焊接方法,并开发了配2套的 NBS-500 型水下半自动焊机,在国内进行了多次成功施焊,焊接接头的质23-26量可以满足国际上常用的 API ll04 规程的要求 。 张旭东等人使用 直径分别为8mm 、l0mm 和 13mm 的三种喷嘴进行了水下水帘屏蔽 Nd :YAG 激 光焊接试验。在良好的保护条件下,水下焊缝可达到与大气中同样的冶金成分和焊 缝收缩率27。 北 京 石 油 化 工 学 院 海 洋 工 程 连 接 技 术 研 究 中 心 与 上 海 核 工 程 研 究 设 计 院 合作。 共同研制了一套局 部干法自动水下焊接试验系统,并 利用该试验 装置进行了模拟 5m 和 15m 水深条件下的局部干法自动焊接. 焊接试板为 304 不锈钢和 321不锈钢钢板.焊接方式有平板堆焊、坡口堆焊以及坡口对接焊,焊缝 成形良好28-29。 1.2.3 湿 法水下焊接 湿法焊接是指焊接操作时电弧与水直接接触的一种水下焊接方法,如图 1-9所示。 它是最古老的水 下焊接技术, 在第一次 世界大战中被用来填充被水雷炸坏的铆钉 头。湿 式焊 接是 完全手 工操作 的采 用金 属电弧 焊(MMA )工 艺的水 下焊接, 其突出优点是不需要焊接舱 和其他辅助设备 。 与其他焊接方法相比, 湿式焊接更加 快速、 更加经 济 ,但需 要具有 高技术 的 焊工( 潜水员 ) ,且 熔 敷焊接 金属的韧性低、 塑性低和熔敷效率低。 湿式焊接在美国已得到广泛应用, 对湿式焊接设计最有指导作用的文件是美国焊接学会的 AWS 标准(AWS D3.6) 。在欧洲,由于环境气温较低, 使用的钢材碳当量 (CE ) 较高, 而且海洋工程结构物较大,因而对 湿式焊 接的 适应 性一直 存在疑 问。1991 年首 次在北 海对 一个 非主要 结构杆件进行了湿式焊接, 近年来对该技术的兴趣已有所增加。 事实上, 该技术虽然得到广泛应用, 但仍然 局限在一些非关键性构件的修复, 例如牺牲阳 极的更换等。 电弧在水下燃烧的原理与埋弧焊相似, 电弧是 在气泡中燃烧的。 当焊 条与焊件接触时, 电阻热将 接触点处周围的水汽化, 形成一个气相区。 当焊条稍一离开9 第一章 绪论 焊件, 电弧便在气体介质中引燃, 继而由电弧热将周围的水大量汽化, 加上焊条药皮放出的 CO2 气体, 在电弧周围形成一个一定大小的 “ 气泡” , 把电弧和在焊件上形成的熔池与水隔开。 湿法焊条电弧焊的原理如图 1-10 所示。图 1-9 潜水 员焊 工在 水下 20 米 处对 管道 进行 弧焊 操 作图 1-10 湿法 焊条 电弧 焊原 理示意 图 弧气泡式水下焊接成功的首要条件。 随着水深 的增加, 电弧气泡的体 积受到压缩而逐渐变小, 过小的电弧气泡会导致电弧极易熄灭而使焊接过程无法顺利进10 第一章 绪论 30行,还会导致焊缝产生 缺陷的倾向增加 。 电弧气泡长大的应满足一下物理条件 : Pg Pa + Ph+ Ps 式中 Pg 为气泡内部压 力;Pa 为大气压力;Ph 为气泡周围的静水压力;Ps为气泡表面张 力引起的