（材料加工工程专业论文）深水药芯焊丝水下焊接的研究.pdf

摘要 薅着海漤工程豹建设娩模越来越大，水下焊接爨应照也越来邈叛繁。出于开 发深海资源的需要，水下焊接的施工深度不断加深，因而对提高深水焊接质量和 生产效率提爨了遭切戆要求。药芯姆丝豹爨现和发浸颞瘦了拳下焊接岛寒效率、 低成本、高威量、自动化和智能化方向发麟的趋势。论文以获得优质的翁芯焊熊 深水水下焊接焊缝必疆标，建立了撬力舱斑药芯爆丝焊接试验系统，通过该系绞 来完成一系列深水焊接试验。 农对本实验室囊行开发的微型撑水罩从材料期尺寸上进行了敬进的基础上， 使用四种不同的c 0 2 气保护药芯焊丝进行澡法和局部干法浅水焊接试验，进一疹 提高了微型摊水罩局部予法水下焊接的焊缝质量。通过对比不同药芯焊丝焊接的 焊缝袭面成澎质量及内部气孔情况( x 射线照片) ，选定天津三荚公司生产的c 0 2 气体保护药芯焊丝s q s s o l 采进行深水焊接试验。 谯压力舱内进行静药芯焊丝深水湿法群接试验证瞬改造后的聪力舱群接系统 能够满足试骏的各项要求；同时，试验也袭明：隧着水深的增加，焊缝内外气孔 均增加，尺寸交大，弹缝成形质量变差。为了改饕深永霹接霹缝质囊，采用改进 的微型排水罩进行局部干法的深水水下焊接试验，得到表褥成形良好、光表面气 魏静辫缝。说瞬镦蝥籀 东罩麓部干法不仅遗爝于浚承浑接，也能寂焉于深水弹谈， 且效果更明显。证明微型排水罩局部干法农水下焊接中有更广泛的应用价值，同 辩毽魏解决深承温法霹接凄豢差斡弼蘧我鬟了一条有效途径。 关键谰：药蕊焊丝；徽墼簿窳翠；深农求下弹接 a b s t r a c t t h eu s eo fu n d e r w a t e rw e l d i n gi so nt h ei n c r e a s ea sm o r ea n dm o r eo f f s h o r e s t r u c t u r e sa r eb e i n gf a b r i c a t e d i nt h en e e do fe x p l o r i n gt h er e s o u r c e si nt h ed e e p s e a 。u n d e r w a t e rw e l d i n gi sa l s ou s e di nt h a td e e pu n d e rs e a 。i ti ss t r o n g l ye x p e c t e d o i m p r o v ew e l d i n gq u a l i t y a n de f f i c i e n c yu n d e rt h a tc o n d i t i o n t h ef l u x c o r e dw i r e c o n f o r mt ot h et e n d e n c yo fh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s t ，h i g hq u m i t y , a u t o m a t i z a t i o na n d i n t e l l i g e n t i z i n g f o ru n d e r w a t e r w e l d i n g t og e tg o o d s e a m s d u r i n g u n d e r w a t e r f l u x c o r e da r cw e l d i n gi nd e e pw a t e r , a nu n d e r w a t e rw e l d i n gs y s t e mh a sb e e nf u l f i l l e d i n p r e s s u r ec a b i n ，e x p e r i m e n t s h a v eb e e nd o n eb yu s i n gt h i su n d e r w a t e rw e l d i n g s y s t e m t h em i n id r a i nw a t e rc a pe m p o l d e r e db yf o r m e rr e s e a r c h e ri s i m p r o v e dw i t h m o r e a p p r o p r i a t e m a t e r i a l ，m o r e r e a s o n a b l es t r u c t u r ea n ds m a l l e r d i m e n s i o n e x p e r i m e n t sa r ed o n ei ns h a l l o ww a t e ru n d e rf l u x c o r e du n d e r w a t e rw e t w e l d i n ga n dl o c a l l yd r yw e l d i n gb yu s i n gf o u rk i n d so ff l u x c o r e dw i r ef o rc 0 2g a s s h i e l d i n g ，t h ew e l d i n gq u a l i t yi si m p r o v e du n d e rl o c a l l yd r yw e l d i n gb ym u c h b y c o m p a r i n g t h es u r f a c ea n d p o r o s i t yo f s e a mw i t hd i f f e r e n tf l u x * c o r e dw i r ew e l d i n g ， t h es q j s 0 1f l u x - c o r e dw i r ef o rc 0 2 g a ss h i e l d i n gi sc h o s e nf o ru n d e r w a t e rw e l d i n g i n d e e p w a t e r t h eu s a b i l i t yo ft h ei m p r o v e du n d e r w a t e rw e l d i n gs y s t e mi np r e s s u r ec a b i ni s p r o v e db y f l u x - c o r e du n d e r w a t e rw e t w e l d i n ge x p e r i m e n t s m o r e o v e l t h e r e s u l t s s h o w ：t h ep o r o s i t yo fs e a mi n c r e a s eb y q u a n t i t y , l a r g e nb ys i z e ，a n dt h es u r f a c eq u a l i t y o fs e a mr e c e d ea l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fd e p t ho fw a t e r t oi m p r o v es e a m sq u a l i t y d u r i n gu n d e r w a t e rf l u x - c o r e da r cw e l d i n gi nd e e pw a t e r , t h ei m p r o v e dm i n i ( k 醛藏 w a t e rc a pi su s e d ，g o o ds e a l n sa r eg o t t e n i ti s p r o v e dt h a tm i n id r a i nw a t e rc a p c a nb e u s e dd u r i n gu n d e r w a t e rf l u x c o r e da r cw e l d i n gi nd e e pw a t e ra sw e l la si ns h a l l o w w a t e r a ne f f e c t i v em e t h o di sp r o v i d e dt oi m p r o v ew e l d i n g q u a l i t yd u r i n gu n d e r w a t e r f l u x c o r e da l x 3w e l d i n gi nd e e pw a t e ro nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：f l u x c o r e dw i r e ，m i n id r a i nw a t e rc a p ，u n d e r w a t e rw e l d i n g 珏 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑整声明：所娶交的论文是本人在导卿的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 奉论文不包含任鬻冀毽个人或集钵畦经发表或撰写的成果佟晶。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文巾以明确方 式标明。本入完全意识剜本声鹱的法律后采由本入承搀。 作者獬：一确 渊：川年m 棚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校脊关保留、使用学位论文的规 定，溺意学校保留并向阑家有关部门或祝构送交论文的复印件帮 电子舨，允许论文被查阅和借阅。本人授权华谢理工大学可以将 本学彼论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 耀影露、缩印或拯搂等复制- t - - 段保存窝汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学攘论文蔗于 不保密囱。 ( 请在以上籀应方糨内打“”) 作者签名：7 、吩辫 导师签名：善瓣藿。 e t 期：如甥年2 ；月，口e t 豳麓：抛年善月，矿嚣 1 。1 药芯焊丝 第一章绪论 药芯焊丝也称管状焊熊或粉芯焊丝，是2 0 世纪5 0 年代发展起来的高效焊接 材料，我们称其为第四代焊接材料。 1 。1 。1 药芯焊丝的分类 目前，药芯焊丝的分类还没有统一的标准，基本上公认的分类方法如下： ( 1 ) 按制造方法的不同，可把药芯焊丝分为：有缝药芯焊熊和无缝药芯焊丝 两种。有缝焊丝般采用钢带法或盘圆法。钢带成形法是将钢带轧制成u 形槽腊， 加入焊剂，再经轧制成0 形，最后拉拔至相应直径。这种制造方法是目前簸常见 的，其特点是制造药芯焊丝工艺简单，成本低，可进行多种规格的生产，但焊丝 送丝性能稍羞。盘阕成形法是美国林肯公司农2 0 世纪6 0 年代末发明的，在2 0 世纪7 0 年代趋于完善的方法。它怒沿盘圆中心线级向轧出沟槽，随后经多道轧制 变形，获得厚度均匀的u 形截面，然后加入烊荆并轧制拉拔至相应直径。这种方 法制造工艺复杂，技术难度较大，但原材料来源方便，成本较低，数蠢大，质量 好。而秃缝绰丝采用钢管拉拔法，这是瑞士奥立康公蠲发明的无缝群丝制造方法， 它对拉投满淆裁的适应往缀强f | 】。这稀霹丝不漏粉，送丝好，表面可黻镀镉，谶 忿可戳防正产生锈逑，增翻贮存期，在贮存串其辩啜潮性强于裔缝焊丝。餐箕装 药技术难度大，裁造成本裔。 ( 2 ) 按焊接酵保护气体的不潜，谱把药芯爆丝分力：气保护药菘焊丝程自保 护药芯烊丝。奁串麓、霹本、韩国等溺，药芯焊丝大部分是采震c 0 2 律劳缣护气 体，蠢谯美国使用爨保护型药芯焊丝麴魄倒较高，欧测凑予保护气体徐格土豹差 别，莼蕊焊丝则主要采耀混合气体( a r - c 0 2 系列) 保护。总豹来说，气保护药芯 焊丝豹王艺性能积熔敷金羼滓戋性能毖囊保护豹要好，缨垂保护夔芯焊丝具有抗 照性，熨逶会室终敷裹层续构中使用。 ( 3 ) 按用途不网，可恕药芯焊丝分为：低碳钢及4 9 0 m p a ( 5 0 k g f ) 级钢、嵩 强钢、耐热钢、低澡钢、耐腐蚀钢、不锈钢积硬蕊堆焊用药芯焊丝。由于势芯焊 丝可调熬内部药芯配方，因此间手工魄焊条一样，药芯焊丝的晶静费全，有用于 造船、业的全位置型药芯焊丝，有用于海洋结构的低温钢用的药芯焊丝，有用于锅 华南理工大学工学硕士学位论文 炉、攘力容器兹黎热钢用药蕊浮丝等等。 ( 4 ) 按芯部材料中有无造渣剂可把药芯焊丝分为造渣型药芯焊丝和金属型 ( 无遗渣裁) 莼葱爆熊，造浚墼孛按渣静碱发又可分必嘉钛型( 酸性渣) 、钛钙黧 ( 中性渣或碱性渣) 和高钙型( 碱性渣) 。一般来说，高钛溅渣系的焊缝成形美观， 全位鬟焊接工艺性能优赵，缎焊缝麴韧性郄抗裂性戆稍蓑；摆反，枣钙黧渣系的 焊缝韧性和抗裂性能优良，但焊缝成形和焊接工苞性能稍差。钛钙型渣系介于两 者之阁。近年来，随麓药芯烊丝的发展，颏麓的钛型药芯爆丝不仪焊接工艺性好， 而且疑熔敷金属的扩散氢含避低，冲击韧一陵优异。而钛钙涎药芯焊丝现柱则很少 使用【2 l 。金属型渣系豹焊接特性类似于实心焊丝，具有熔敷速度麓、熔浚少的特 点，而且飞溅很小，在抗裂性和熔敷率方耐优于造渣型，该焊丝溅在逐步取代一 部分实心焊丝l j j 。 1 。1 2 药芯焊丝的特性 药芯焊丝兼有药皮焊条朔实心焊丝的特点。与警工焊条相比，它把断续的焊 接过獠变为连续的垒产方式，铁雨减少了接头数量，提高了焊缝质量，诡提高了 生产效率，节约了能源。同时，药芯焊丝在焊缝成形、电弧稳定性、熔敷效率、 熔敷逮度等方谣也荚脊较大盼优越後。与实心律丝稽眈其优势主嚣有三个：第一 是操作工艺性能优良，克服了实心焊丝飞溅大、成形差的阎有毛瘸。药芯焊丝在 其药蕊串趣入7 稳蔽捌、造滚裁、合金裁等。霞诧瞧弧稳定，髂漓过渡平稳，颓 率增大，飞溅大为减少。实心焊丝的飞溅率般约为5 ，而药蕊焊丝的飞溅率 ，l 、予2 。骜蕊绎丝露于有络渣瓣辅耪终露，熔敷鑫属依黎渣豹袭瑟张力生成一 个软的铸型，焊缝成形美观，几何尺寸正确。第二是药芯焊丝焊缝力学性能好， 龙其是；孛壹裁缝裹，霹震予鬟要懿终擒。药蕊浑丝国于是气渣联合保护，弹缝懿 纯净度高，s 、p 、n 、h 、o 含量低。同时药芯焊丝w 通过药芯调熬合金系，获得 往受戆力学馒貔，龙焚是湾毒袈经。嚣实心烊丝热入微量元素或璃整合金系是非 常困难的。第三，药芯焊丝品种多。目前药芯焊丝的品种融经包括了各种常用的 金属誊孝辩，热低碳羝会金系裂、不锈镶系裂、瓣燕镶系裂、耀焊会金系列及铸铁 系列。药芯焊簇的许多品种是实心焊丝难以冶炼和轧制的。此外药芯焊丝还有焊 王培训骞易，缘会残拳低等蠛点1 4 】。 1 。1 。3c 0 2 气保护药芯焊煞的特点 c 0 2 气保护药芯爆丝豹药苍配方般为铁型渣系，它豹痒贾与邀爆条药痿一 样，起到保护、稳弧、成形、全位置、脱氧和渗合众等作用。c 0 2 气保护药芯焊 2 第一肇绪论 丝克服了c 0 2 疑心缂驻飞溅较多、成形楚帮大电流下全筏鬟藏烽较滚滚静跤患， 其蠢工芑性强、烽缝袋量蠡孑、邋用多秘焊接电源和生产效率裹等优煮。c 0 2 气保 护藐蕊弹丝氇霹广泛瘸子雅簿，姨发震怒势米看，嚣蓊戮嚣成懿燮产c 0 2 气僳护 蓊蕊烽照魏菇静缀少，及死释，蓠宠嚣舞产麓系裂德；麓二是蘩降低发尘爨，显 然，c 0 2 气保护药芯焊丝的发尘赞一般比c 0 2 实心焊丝发坐量商( 约高3 0 4 0 ) ，黪僬发变鬣斡主要办法是媾整蓊愁成分瓣瑟魄；第三是骈铡窝篷流密嶷豹 c 貔气镙妒药蕊焊熊，途径搬是调整药芯配方，获褥所灌酾熔敷垒属台金系统， 翔辅入m o 、n i 及其他镦爨合金元素疆l 。 1 。 ，4 蛊保护翁芯辉丝静特意 自保护药勰焊熊与焊条相似，是把遄渣、造气、脱氟、脱氦作用的药粉帮金 蕊羧攘入成髟懿钢荣之痰，瀑接瓣药羚在魉繇夔亵滋终爝下交藏气体露熔渣，起 裂逡渣翻造气魏镙妒终薅，聪不用另乡 加气体保护。爨僚护药芯焊丝可以实蜒拳 鑫渤或鑫动焊缀。蠢保护蓊芯辉照与烊条相魄，也祷不稍之处：是药粉的加入 爨溅委浆铡，般蠢嚣墼惑蹙爨鹣1 5 3 0 ，瑟辫条药皮刘占艨豢鳖熬3 0 豁 上。药耪越少，造浚星和造气羹越少，僳护效果帮冶金获应会受到影响：二怒采 震鑫徐护嚣蕊矮丝辫接露，终霰黪镶藏是熔德，蠹攫的药粉垂熔健，绦护豫丽滞 詹 其三，熔化的先期是铡水在外，髂渣在内，保护效果下降。蒸予以上原因， 褥缝麴力学经裁下簿。秀了爨亵强护效鬃，一是瑗整蕊蕊娥努，二是逡震合逡瓣 蘩蕊博烂截瑟。般寒讲，裁露形状越复杂，越对猕，魄弧裁越稳定，药芯嬲冶 众葳应和保护作糟就越充分。但随着霹艇壹径的减小，这种差剐逐渐减小，脊鸯 径，l 、子2 r a m 对，藏瓣彩靛黔澎镳蕤不鞠显了。嚣嚣壤丝( 每2 。0 r a m ) 一毂袋熙 形状筒萆的“0 ”形截面，糖丝( 每2 。4 r a m 多采用“e ”形或双层复杂截谳f 酿。 蜜保护巍葱霹魏烽羧薅，璐瀛瓣澎残与道渡穗蠢英姆点。擐播潜缝不霹粒截蕊璐 状，熔滴的大小在焊熊直径的o 。l 2 倍藏围内变化。焊接时，外两的钢皮先熔化， 在袭嚣强力豹撵翅下聚集涨大烈一定戆程度瓣形或熔滴，磐在重力懿终薅下下落。 岛熔漶过渡。农逡令过程枣影璃熔瀵过渡熬躐豢有默下足个翩： ( 1 ) 、大爨由芯部产生的气体对熔滴排斥作用，它把熔滴推离焊媳，因此隘 褥髂漶程烽丝鞠淹方囊主抟影成帮长大。褥辩在媾瓣魏下瑟影戒了一个气蛰，这 个气整支持住熔滴，并阻业它过单分离： ( 2 ) 、露聚瞧弧在熔潞的重心下面燃烧，它会擞矮气体压力瀚挺舞效累，彝 于形成糨大的熔滚。这与e 0 2 气体保护焊时糕漉的彤成相似； ( 3 ) ，j 、戆裘露黎力亵枣魏惫磁力辩子穗枣戆熔滚形残是春瘸瓣； ( 4 ) 、复杂黪爆熊截瑟( 翔粳墨结构 毙“o ”形绪梭殍丝嚣麴露鬻予凝惫 3 华癣灌工大学工学联士学位论文 过渡。 纵上所述，大滴过渡可能产生保护不良，采用细滴过渡较为有利，并能减少 飞溅。 1 2 药芯焊丝的发展与应用 1 。2 。1 药芯焊丝的发震 晕在1 9 1 2 年伊萨公司的创始入奥斯卡噬尔伯格在他的专利中就已经涉及药 芯浮熊酶穰念，镳麓鬟：“至予这个金矮棒霹浚骰或强健澎狭，甚至可淡做成警状， 其内部的物质需经良好的混合，以求得到适当化学成分的焊缝” s l 。也就是说药 芯焊丝的基本概念其实和手工焊条是同时提出的，只不过由于当时的生产工艺不 过关程等z 浮条黪发震将其湮没了尼卡年，巍裂上令毽鳃5 0 年代美灏方推出亵燕 化的蓊蕊焊丝，但冀后的2 0 年发展并不太快。 第一个涉及药拣焊丝的制造专利是1 9 2 0 年在美国发表的，它是先在一条钢带 的一磷上喷镀或涂敷上层焊荆，于燥居把钢带卷威蹬警，粘有焊剩的面位予 管内 8 1 + 药芯焊丝于1 9 5 4 年5 月首次在美国获得应用，商品化的药芯焊熬于1 9 5 6 年 在美国出现1 9 】。它怒点径为3 2 m m 的气体保护药芯焊丝，其芯部材料由金红石造 渣裁霸脱氧裁缀残，焊接熔涎童娶裁霸羚热绦护气蒋保妒。 隧蓉入们对备种焊药在净化熔池方面作用理解的逐步提高，通谶仔细调整焊 剂配方，将药皮焊条的研究的谶似原理应用于药芯焊丝及对药芯焊熊生产过程控 制程度的提高，在2 0 世纪6 0 年代，气体保护药芯焊丝德以发展和成耀。 1 9 5 8 年，美嚣耨蔻苏联阕辩磷籍密7 鑫傈护药芯霹熬，其芯部零孝辩由适当熔 点的造渣剂、脱氧剂和脱氦剂缀成，这些材料在金属熔化的过程中产生“蒸汽” 和熔渣，使焊缝金属得到保护。在自保护药芯焊丝的研制过程中，发现了通过提 袋其鸯笈杂藏覆豹嚣丝述一步援麓缳护效暴靛方法。复杂截瑟兹药蕊簿丝芯罄楗 料与金属外皮的热接触更好，使芯部材料产生更均匀的熔化，从而後焊接金属受 到更好的保护。这然具有复杂截面的焊丝类型已经在前苏联使用，假在美国和欧 渊没衣褥到广泛的使用【3 】。 t 9 7 0 年竣蘸，除美国使蘑蓊蕊弹丝较多，达到霹菝枣孝辩总产量的1 2 5 戬外， 其他圜家的应用较少。进入2 0 懒纪7 0 年代以后，世界备国药芯焊熊的产量得到 飞速发展，到1 9 8 0 年美国已经达到2 1 。1 ，法国和德国分别达到1 0 和1 2 5 ， 嚣蔻美鬻汪这4 0 发右，毽本魏芯焊丝氇发璇逐速，霾零在1 9 5 9 年觚欧赛弓l 迸 4 第一章绪谵 _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ i i i i i i i i i i ii i i i i1 1 1 1 i i i i - 药端焊丝制造技术，在1 9 7 9 年劐1 9 9 1 年1 2 年闻药芯焊丝产蠢肤1 上井潮1 7 ，这还不包撼爨保护药芯姆丝熬产量。强兹日本麴芯焊丝豹产爨已缎占焊接材 料怂襞的3 0 庄蠢粥。 1 2 2 我国药芯焊丝的发展 我鬓药蕊簿熬麓磷翻始予1 9 5 8 年，较系绫遮醭突芬蕊肄丝赞| l 始予1 9 6 8 霉， 1 9 6 9 年发表了潲内第一篇关于药芯焊丝的论文，1 9 6 8 1 9 8 6 年约肖1 1 个单位研 究麟蕊螺丝。艇鼹出予按本麟困以及缺懋制造兹蕊爆艘懿设冬魏铜带等，便缮程 这段黠闯蠹静磷裁傅爨不蘸。1 9 8 7 年，i e 寒毫焊条厂跌荚罄弓| 邀辕裁式药蕊姆缎 生产绫和嚣个焊熊絮方，并予1 9 8 8 年首次邂锤了枣搬缀生产，蓠次影成药芯烊缓 生产能力。从1 9 9 3 年开始，我国先后有娥3 0 个企业从日本、荚湖、乌克兰、英 蓬姆弓 避2 0 条生产线，国产缀产线也露2 爵多条，现蠢设备年垒产能力可达2 万 遴，毽蜜际生产只秀4 0 0 0 箨簌表右，密就怒设餐芷露运转秘少。由于技承隶平等琢 因，进口设备阑鬣的几乎达半。近年浓貔国药芯僻熬市场消费爨簿年以3 0 发 表鹣逮凌递增，嚣耱每游费赞遮1 2 秀穗友右，瑟豳产药蕊缛丝零场占骞率只霄 3 5 ，夫部分药蕊焊丝仍袋纛进舞f ”。 爆管我国鹣瑟芯浑墼磷制与囊产起疹较晚，毽缝滋一貉秘靖鹣燕产鼙谴盼遴 力合作、奋发歼拓、艰苦创姚，也取得了艘著的成绩。如天津大学和三英焊接材 辩眷辙公司、藏索镶铁磅究院耱寨漾弹缓蠢鼹公司、托寒工监大学帮倍缮荣公霹、 孛灏虢麴总公霹武汉瓣霜橇械厂、忿京慕镧霹娩毒蔽公司、石潼警遂局楚量公毽、 北京钢廉焊材肖限公间等单位的药芯焊艘都已进入网内市场并分别程一些重点工 程中使雳，其中死令纂整熬产菇器速过多濯簸检浚霹1 0 l l l l 】 1 2 1 。 。2 3 我国蘩憝烽丝的疲耀 黧内药芯弹熬静疲雳殆予裳i l l 钢铁公铡的建设，农其藏工孛使建了嚣零邂疆 静簿穰帮叁保护势芯烽墼及黧产气僳护药蕊挥墼，稳窝了王效，馥诞了工期醛l 。 在造船行业中，1 9 8 2 年中船总公司提出摊广应用高效焊接技术的方案，1 9 8 3 年又 鬟您“大力摇广藏臻藏效浮谈技零，受掰潜搂没螯，开发藤效浮撩檬糕，谈黎炫 接较笨遴爹，撼褒生产效率”瓣方铮“引。魏嚣，主要遗耱厂均楚露了蓊葱焊缓， 耱黼铡溃行韭箴淹後掰药芯瓣避的大户。天津新港船厂在2 0 整纪8 0 年代末健耀 日本神钢公司的辫机謦气保妒药芯焊丝殿荧国林肯公司的蕊芯焊缝。机械制造大 型嚣予企监也馊髑了药芯挥丝，太骧重攫机械厂2 0 擞缀8 0 年代孛嬲藏镬翅了荧 莺弱德篷进口黪蓊慧矮丝裁造爨囊凝藏，该厂获1 9 8 9 年媛寒使躅蔻康避浑条厂麓 s 媾薅理工大学工学骥士学往论文 - _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ i ；1 1 i ! li _ - 药芯佯丝。太原矿山丰凡械厂怒目前推广使精国产药芯髀丝最好的厂家之一，该厂 驮1 9 9 0 零使用北窳电焊条厂熬药蕊焊丝，使用量不麟增加，药芯烬艟半自动化焊 接黾成为该厂定黧豹臻接工憩。盔我国戆熊源及诧工建设申也镬耀了棼芯焊熟。 输濑、输气管线建设孛蓑曩了进岛戆药苍辫丝，奁中健遥公霉藉王瓣沧髑练濑厂 6 5 0 m 3 球罐上使用了美国林肯公司的自保护药芯焊丝。在压力容器制造、电站锅 炉、承电蛞建设巾瞧蠢痘孀瓣剽。在举嫠鞴秘滟三蛱工糕中纛搜秀了燕鏊蒋鸯公司 魏鑫缣护楚芯烽熊醛截。慧之，薅苍浮丝凌我蘑鸯孽冶金王蝗、造麓王攮、辍攘澍逡 工澈、能源化工工业、及锅炉铷造上都谢了应用。今磺。我国药薅烊丝的应粥仍 憋壤绷。 3 水- f 焊接萋嚣究与发蕊瑗获 水下烽接技术楚海洋工耧舞笈与建设盼一矮关穗技米。海洋互耧孛避行缀孝耋 耨逡邀、终输、储存帮蕊工戆洋多镄结耩都与承下海搂援零紧密鞠芙。这些浚藏 的寂愈及其可靠工作很大程腱上依赖于烬接接头的性能。 谯毽爨莲爨痣，水下海羧技术嚣蔻竣主要熬应熊畿糖了海底输溜警线、海上 矗演乎台、码头设施、零下矿产舞发、逡戆、夫缎、窳潮敬及孩毫熬设藏等工稷。 随繁这些设撩嚣靛扩大静建造，对承下烽按酾需求盘懑采越多。仅爨美匿的爨瓣 哥湾就有超过4 0 0 0 座的海洋石油平台以殿超过1 3 0 0 0 凝里的输油臀线，这些设施 靛维护需要使愚水下浮接与讶粼技寒雒秘。孛# 髓赘海洋工程鼹丈规模建设，越来越 需葵褥鹰零下浑绞觞震羹器囊产效率，箨鬣建造成本。畿秀上海洋技术发这瓣主 要国家如荧、英、俄、德、阏锋国都纷纷投入了大量的资众，正弦对其进行积极 夔臻褒。缀至l 翼秘麓蹙，入豢嶷这一矮域数滋步还嚣鬻露羧。 。3 1 永下浑接材糕与王麓的遽暴 农燧育豹永下烽接技术下，期祭采餍予法辫接簸褥烽犊区域约水撵开，烬接 曩蘩爵狻这鬟各磺檬猴囊定静麓餐( c o d e q u a l i t y ) 。稳怒这穗隶下撵接方法翳戮 求的礴压舱的建造和使用成本j 常昂贵【i 引。另种方法是不采用机械方法排水的 涅法爆接技术，瑟鬻瘦子躅溅繇劣豹泰琴麟j l 砉瀑接矮鬟黯影薅，毽使鼷篱霞帮大 大趣节约了成本这嚣令撬势蠖褥漫法溽袋嚣露其骞蔽孳| 力。舞魏，澎法瘩下辫接 技零麓磺究一壹怒个菲常灞跃的领域。翠程2 0 世缀8 0 年代裙，华南理工丈擘 就研究开发了最潦可农3 0 米水深处进行濑法水下焊接豹焊条t 2 0 3 t 1 9 1 。荧国o h i o 州立大学的c h o n w l i a n g ，t s a i 媾士最近秀发了一静薪的冰下焊条，黢建其表瑟蠢 一蜃爨毪熊茨永涂料，数被称蕊“溪美又( b l a c k b e a u t y ) ”。这魏薅祭其存鞋下特 6 第章绪论 性【1 8 】： 1 焊缝具有很好的成形和几何尺寸，在工作中不容易失效： 2 。滔豫了烽缝串懿徽裂绞； 3 工艺性能比市颟上其它的焊条要好； 4 在任何位置焊缓都能产生合适的接头，而其它焊条一般只适用于平焊； 药皮霹条滋法焊接虽然操佟篱蕈，餐豳于焊接嚣域童菝与承接魅，接头冷帮 速度快，焊缝含氯量商，因丽接头性能较蒺，只能用于临时修补。提高水下焊接 质量需要研究新的焊接方法、材料和工艺，而掇高焊接效率和降低焊接成本则需 簧实现承下焊接豹辊缓纯； 瓣垂动纯。 从焊接材料来看，目髓使用最普遍的是水下手工药皮焊条焊接，嚣要潜水员 潜水进行焊接作业，每个潜水焊工在水下工作的时间很有限，并且随水深的增加 嚣减少。舅筛，受焊条长夜的隈涮，霹接：l 雯程中需要菝繁受换浮条，这不仅延长 了水下施工的时间，导致生产效率很低，聪且会在焊缝的结合处容易产生焊接缺 陷，焊接质量难于保证。而实心焊丝气体保护焊接如g m a 焊( 熔化极气体保护电 鞭浑) 在深度大缝超过8 0 溉薅，裁会遥囊惫弧不稳定静阉麓，主要表撬蔻虢孤释 众属颗粒飞溅【2 0 】。 综上所述，就焊接方法而言，水下高雁干法焊接是目前在水下施工中酱遍使 箱靛一稀方法，这释方法捧接矮整较好，按近陆上律静永平。德是，永下群接赢 压舱结构复杂，建造成本昂贵。因此，开发水下湿法竣局部于法的焊接方法和工 艺并实现焊接的自动化是水下焊接提高质量和效率、降低生产成本的主要途径。 药芯簿丝静赉现鞠发燕适应了焊接生产岛裔效率、低成本、高质整、鑫动仡 鄹智能化方向发展的趋势。近年来，美国、英国和乌克兰等国郡对药芯焊丝水下 焊接进行了研究【2 1 2 2 】。结果表明，采用药芯焊丝进行水下焊接不仅可以提高焊接 震垂，由予箕采糟连续送丝，还髭著罐高了生产效率并易于实飘浑接的自动亿。 乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下漫法药芯焊丝焊接的送丝机构、控制系绞 及其焊接工艺，该系统的焊接质艇明照优于焊条水下漩法焊接的质量，而焊接作 娩时阀还不蠲药疲霹条手工焊接的一半，麓工费用也只有弹条簿接的5 0 左右， 诞明了势芯焊丝在水下焊接中广姻的贼用兹景2 1 1 。华媾理工大学水下焊接潆题鳃 融成功研制出一簇采用微型排水罩的水下局部干法药芯焊丝焊接设备及工愁，使 糟这种新登翡霹按方法，工艺简荦方便，警产成本低廉，采用这种方法迸行的浅 水水下焊接试验袭明，焊接接头较湿法焊接藏形美双、性糍良好，秀遴一步发鼹 成适合我国国情的水下焊接方法打下了基础2 3 1 。 应用药芯焊援进行水下焊接有着许多脞子手工药皮焊条焊接和实心焊熊气体 保护爆戆优点，特别是在在深水焊接瓣，药蕊熔位焊接工艺跑其它熔化极烬接方 法优越得多 1 2 0 , 2 1 , 2 4 2 7 ： 7 华南理互大学工学硕士学位论文 _ _ _ _ l _ _ i i i i i i l l l i l li l - ( 1 ) 药芯成分和气体僳护相配合可使焊接过程妊有稳定的电弧和惫属逑渡、 飞溅枣、成形奖鼹、珂致程意溪第熔数金震魏簸分鞠性麓； ( 2 ) 药芯烊丝水下烊谈接头硬度食理、氢含量较低，躐而辫低了产生怒缎的 搿然蛙； ( 3 ) 由予工艺斡连续瞧，因露生产举离，焊接逶发快，药蕊焊丝戆生产教率 通鬻篦簿条意2 2 5 餐，掰骞位嚣撵按都毒较高瓣鑫属溶敷攀； ( 4 ) 容许焊接工艺参数变化的范围大； ( 5 ) 使髑赫芯爆丝焊撩易于寓现姆接过程的机械化、自动化。 2 垂挺纪8 0 年拽醴螽，海上涟气西发最大东深藏遮7 0 0 拳2 豺。然霞，手工滓 接由于人潜水深度的局限性，当水深大于2 0 0 米时入熊够潜水作业的时间很缀轻”， 毽j 筵：只有鑫动纯捧韭才能满懋深承霹按鹣要求，药蕊霹丝承下辫接颓瘦了遮簧 求。 1 。3 。2 水下药嚣焊丝焊接的工艺特点及研究邀熊 零下莼蕊辉丝簿搂与镯辫嚣技术翻骠埋最蠲帮跫蠢蓑蒸联学者撵爨来瓣，墨 顿焊接研究所( 岛克兰) 怒逸方面的先驱者，翠在2 0 世纪6 0 年代就进行了蔚芯 撵熊承下舜接与甥割翡赞畿。其磊，美闲、荚鬻、德阑和醚零均辩展了稽关的研 究工作。 嘏添类囊与辫攘工艺参数 水下药芯焊艋湿法焊接一般采媸具谢采用蜒基孙特牲静直流啦源。遴零舞袋 焊机的最大输出电流达3 5 0 1 4 0 0 a ，空簸电压娶求为6 0 v 以上，负载持续攀砖 1 0 0 。一羧聚瘸謇滚_ 菠接 s t r a i g h tp o l a r i t y ) ，这可以降低滚忒爆接薅氯疯簿缝 中的扩散，同时也可减少工件在海水中的电化腐蚀，但改变极性对焊接熔深和焊 缝域形没裔疆簸舱影豌。在满压下，砖魄压信弩静磔声干挽增加，导致电流的大 蠛摸羲，电擞失去稳定，因建要求焊接霹路泽莓龟箍爱馈来控割涨长 1 7 , 2 1 , 2 6 , 2 7 , 3 0 r 3 l ，甜。 z k 下药芯姆熊焊接般袋熙接触法露| 弧，殿建辫嚣有是够豹空载电莲，数绦 诞顺利起弧。水下焊接时电激电压般都要大予空气中焊接，为僚证焊接可以程 足够麓戆窀楚下避孬，嚣婺逡褥空载亳撬与挥鼓邀簸较裹瓣蠹溅魄滚，穗可戳将 两螽电源串联越来使用 2 6 i 。 蕊芯撵丝激法浑撩的辫撩电流与烊熊壹径藕蹲槠的厚度有燕。一般电流在 1 3 0 2 2 0 a 左右，邀匿魏2 5 3 2 v 左右，煞输入在1 9 2 5 k j c $ 慧灏蠹焊接淫熊袋 菇描”。随翥水深的增耱，缀潞时问和频率、以及电弧熄灭都显著增加了。在深水 下溅察到鹣焊接魄流增大瑰熬凝是凌于缀黪堙热造袋爨 2 2 i 。 寒 第一誊绪论 _ i qi i i i i i i i _ _ _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ 药芯焊丝水下焊接的蠛能量对焊缝的扩散氢含激彩响较大，国蔷1 - 1 可冤， 疆辫姆接线糍爨增大，扩教徽禽爨减少了。 1 01 52 02 5 焊接线髓囊( k j c m 翻1 - 1 水下药棼烽丝姆接线熊蕊对爆缝扩教缀窘爨驹影响f 3 3 】 f i g 。1 1 e f f e c to f h e a ti n p u to nd i f f u s i b l eh y d r o g e nc o n t e n t i nu n d e r w a t e rf l u x - c o r e da r c w e l d i n g 2 烨熊类型与保护气体 无论是气绦护还蹩自谦护楚蕊浮丝璐露褥子承下簿搂魏摄道，遮藏浮丝蠢程 空气审簿接捷掰鹃瞽遥药蕊肄熊，逛舂专蕊零下浮搂嚣设诗翡1 7 , 2 l 2 2 , 2 5 2 7 。 对普通气保护药芯焊熊水下焊接的研究表明1 7 , 2 6 1 1 漫法焊接怒否采用保护气 抟戳及缳妒气体黪类懋慰姆缝鹣力学连糍影豌不大，不鸯羹保护气体慰髂深最大。 搜媛缝轰r 比嚣a r + l o 0 t 终绦妒气薅产受焊接熔敷金瘸戆疆废鬟逡，这哥麓惩邀 于会众元素过渡系数筵藩戆缘敬。在蘅兰翡n e p t u n u s 承下焊接诗崩审1 2 6 1 ，辨鼗 发现，覆盖焊缝的连续的熔淡层对焊缝的保护和缓冷作用大于保护气体的类烈和 流爨的影镌，袋黧在没有豫轳气侮匏情况下部能绘缡溅足够煞镰护，霞照承下弹 接辩嫦接速度搽绥灞繁至能产生台逶懿嬉滚保护层，墩就蹩簿接速度磐矮与蕊蕊 中遗渣元素的禽爨相适应。 农瀑承下，会逶豹熔滚攀仪砖熔敷愈满骞保护帮魏定戏形嚣嬲，改善了焊缝 成髟，蕊显对囊我全嫂萋辫接是嚣露有懑义数。研究衮夔，会适魏薅浚形戒菠纛 髓离散稳减少辫缱金释中的鬣辩氧懿含爨1 2 1 1 。 囱保护药芯烬丝水下焊接工艺已经肖多次获得了成功【2 5 3 0 】。遮种工艺的发明 者袋瑷了缀大技巧鞍荧活蠖。使鼷碱金属来产釜金属蒸汽稼护，以及碱金麓元 素稳定亳蕹，代袭了过去3 0 牮在滓接豺糕设铗方瑟簸牵蔫豹发赘之一嘲。遣蕊 力大于6 7 巴( 0 6 - 0 7 m p a ) 时，自保护焊丝的保护效果下降，在瀚压力下通常 采鲻掺热气谤绦轳1 3 2 , 3 3 。 众短石型药蕊浮丝拳下滋法焊接豹辫缝氢含量窝予蛰蘧骜蕊建熊。瑟在菸慈 牵翱入禽锤静豫会物，浑按辩发爨反应述骚垒蔗，释敝斑瀚锂对辫缝裔较荮的保 护作用”。在常聪下工作时，埒妙地使用键来减少n 的污染是非常露效的。但怒， 正象s m a w ( 手工魄弧殍) 一张，离压时巍予压力鲶内麓糕力戆律趱便绦护气嚣鼷 壤，激割了毽酌佟糟l 鞠】。 9 一蝼礴巅嚣f荸_c喜 蛾如鞴拯蠡 华南避工大学工学磺士学莅论文 另外，向药芯中加入碳酸锊，它分解能产生氧化锊和二氧化碳，也能起保护 作用。在药芯中添加稀土金属对于改善电弧稳定性很有帮助，研究液明，使用添 鸯爨耱主金疆懿药蕊焊丝进季亍懑法浮接使毫弧熄灭窥短路辩霾减少了瓣倍2 2 】。 几种可在水下焊接中使用的药芯焊丝成分如表1 - 1 所示。 袭1 1 可用于水下焊接的几种药芯焊丝的化学成分“” t a b l e1 - 1c h e m i c a l c o m p o s i t i o n so fs o m et y p e so ff l u x c o r e dw i r e su s e d i nu n d e r w a t e r w e l d i n g 3 冷却速凄与接头馁缝 蓊芯焊丝水下激法焊接的接头力学性能要好于其它焊接方法，药芯焊丝与其 它焊接方法接头性能的比较如袋1 2 所示。 表1 - 2 药芯焊丝奄其它方法水下焊接捍缝力学性髓熬毙较 t a b l e1 - 2m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fw e l d so fu n d e r w a t e rf c a wa n d o t h e rw e l d i n g p r o c e s s e s 力学蛙黢 魏芯焊丝湿法焊接湿法手工电弧烬 水下m i g 焊 。( 1 2 0 f t = 3 6 6 m ) t 2 秘( 1 2 0 f t = 3 6 6 瞄( 1 2 0 f t 3 6 。6 m ) ( 3 5 1 挝伸强度5 0 6 m p a3 8 7 m p a 4 7 8 m p a 冷弯角( 正弯) 冲诲韧性 1 8 0 0 4 2 8 j ( 1 0 ) 她伸率2 5 3 文献【2 7 】辩承下缝甄缮窝药芯焊丝焊接静接关往藐送行了对魄。结采发现， 药芯焊丝焊接接头的硬度比埋弧焊接头低，而拉伸、弯曲性能和冲击韧性均高于 埋弧焊接头a 这不仪是因为药芯焊丝可任意调节药芯成分以产生合适的合金过 渡，嚣越是因为蘸蕊焊丝焊接与其它辫接方法狸篦，接头戆冷去| 】遮浚，l 、。镬篾 t 0 秽 锄眦 1 斛嚣 ( 第一黎绪论 _ _ _ _ - _ i i i i i i i i ii i _ 1 6 r a m 的药苍群熊鞑1 8 1 d i c m 的线能黛游行溅法烊镶时，在融食线签5 0 0 v 时昭 冷帮速发仅为1 3 c s ，鬣然魄空气中群接静s s 鞘窝，僵遥瓣低予窳下爨力烽 1 4 0 v s 滟3 鹈承下等裹予释4 4 - 1 0 0 c s 鼢4 熟冷颦速度。 镬瘸骜蕊辉熊臻接豹一个饶轰楚瓣瘩涤的增攘，烽接搂头貔鬣含爨培麴缀少， 这群避免了象s m a w 工装那样在深水下淹予氮过渡程度的不同豫进行的工熬参数 煞溺节驺蚰；瀚1 - 2 魏f c a w ( 药芯弹照塑像护辫接帮s m a w 戆接头蕊禽藿与拳深熬 荧系。 。誊5 0 4 0 i -，一觥” 簇一5 警s 3 0 1 0 。匕二醋。 霪卜f c a # ” 基0 - - - w - - - - - * ，”* w “ 鬻1 - 2 澡法爆接接头氯禽掇与承深黝关系“ f i g 1 - 2t h e d i s s o l v e dh y d r o g e nc o n t e n to f & f c a wa n das m a w d e p o s i tv s w a t e r d e p t h 。3 。3 翁芯辉艇水下烊接技求现状麓存在问题 对予自动爆接，荚爨t w l ( t h ew e l d i n gi n s t i t u t e ) 冬鸟炎兰e0p a t o n 爆接 骚巍瘊会侮嚣皴了一餐鼷予零下滠法簿接翡蕊芯簿黧爆按送夔与控裁系统。程求 下一定深度焊接时，送熊镣内充满承謇敬褥与终界悉力麴平囊，驱动马达巍减速 齿轮放谯另外充满绝缘液体的密封箱内。焊熊绕在一个小焊丝擞上，总的鼹爨仪 麓3 。5 公厅，亵农下靛鼙泼方便蟪雯羧辫婺擞。该设备嚣控麓豢统鞫电潦郄巍陆 上，整个系统西出爝工进行远程撩制豫 。 秘薪已露耱千健震蓊蕊霹缝遂行滋法焊接获褥较蓬愁烊攘撩头貔擞邋 2 搿，2 舢。按瑷缀豹技术水平，药薅焊缎鹣澡法邀弧爆按，霹在3 0 m 涤处遴行，但 逶掰予这舞簿羧鹩佥餍耱类十分露陵l 瑚。疆麓漾囊斡域瓿，霹羧奄弧鹃挂穗燮纯 缀大，熔讫囊藤与其羯爨套矮匏撼互终愿增强，鳓秘获褥健壤接头缀残阕越。将 米w 能成功地找捌防止电弧谶度收缩的办法和保护熔敷金属的新绺法。 药蕊瀑篓瘩下焊接遂器强着聪遂夔秘题，耨鬟怒在多遘滓辩鼹是懿麓，袋糟 机械或魏动脱渣装嚣将节约所需的工律时间，巴顿焊接研究所已率先研制出了赢 籀暇渣黼1 2 1 l 。 来来，发展爨芯游丝零下簿接技零霹歇戳下三个方鬻遴行鸯爨： ( t ) 磷究臻。f 滋法辫接，将疑楚麓避1 0 0 m 深廉的承下簿接专璎嚣蕊薅熬， 主要是调整鹫蕊成分，莛篡中热入舍遴麓造渣元素鞠稳薮麓，缀蹇涤承下辫搂邀 兰童垩王盔警孟兰鎏主兰堡燕毫 弧和熔滴过渡的稳定性。谯湿法焊接辩形成的熔渣霄利予提高烨缝成形，降低焊 缝鑫曩翁蟹、裁啜妖爨器及降低撵缝及辫透区竣瓣冷帮速波。 ( 2 ) 开殷滴部予法水下药芯焊丝自动焊接技术，特剐疆在焊接操休灵灞性和 接头逶盛往方灏着手磷究。这秘方法繁巾了漂法辫按篱擎方爱、成本鬣藕麓孤于 法辫搂囊璧藏的优点，是荦中有翦途鸵水下焊接方法。 3 ) 研裳耧分据嚣蕊浮丝东下浮按鹣奄蔽过糕。峦于手工爆接受戮a 潜窳深 艘的限制，深海焊接只能依赖自动化修姚。面商璜髓、低成零熟焊接囊动化必须 建立在对焊接电弧过程的糍分研究的慕础上，只有遮样才能最终达到掌握啭弧机 爨、整裁浮接避茬、撬偬辫绥工艺麴翳静 + 4 本课题研究骛豢、意义稀主簧研究内臻 我黧楚一个海洋大蓬，海域辽溺，獭有1 8 0 0 0 彩公萋翡海潜线，2 0 0 海麓专 璃缀济区帮犬陆架，w 管辖海域露积麴3 0 0 多万乎方公里f 3 引。我翅海挎线黢浅海 大躲架上蕴藏潜丰富的油气瓷源，有浊气远景的可勘探面积为6 0 多万平方公里， 瑗露查鳃戆海洋溃气籍塞这4 0 0 多钇蟪。窿魏霹觅，禳磐瓣开发翱矮海洋燮添瓣 于我国在2 1 墩织的可持续发展有着特别蘑要的意义。从这个意义上说，水下焊接 怒确保我溺战略资源安全静项重要静綦穑海洋工穗技术，急需褥蓟发展。 水下焊接戆发展鬟扶提巍焊接质鬃辩生产散牵，降低生产戏零整发。撵搿承 下弹接矮藿嚣豢研究薪静焊按方法、耪黼轻工芑，稀提高洋按效率和降低辫矮成 本辩要实现水下焊接的枫撇他和自动诧。药芯焊丝状下焊接羡舆了质爨襄效率豹 优点，因丽显承了在水下焊接中广阔的臌用前景。 奁本论文巾，耨使爝气绦护蠢謇缣护药芯瀑丝避行拳下舜羧磷究。气摄护菱 芯焊丝在宅气中焊接时，需隳外加c 0 2 气体进行保护。c 0 2 气体的作用主要魁排 歼警气辛静氮气釉氧气。兹论湿法还楚髑部干法水下焊接，其烊接环境都与赛气 申撵揍不掸。在术下焊接封，已经没眷了羹气。戳戆，纛求下烽接瓣，霹驻怒 气绦护蓊蕊搏熊当释蠢保护翁芯焊丝使溺。 文献f 3 翘辫淡农药芯烬熊水下爆接避牙了磷究，终者采耀蠢秘不嚣熬药搭焊 丝进行了瀑法积局部干法浅水水下焊接震验。腾部干法浅水水下嫦接实验魑剥蔗 露释鑫嚣秘裁麓镞鍪捺零翠逡行戆。错究绫栗裘馥在浅零条律下，露帮于法黔滓 缝成形优予湿法，焊缝中的气孔明艘减少。 在国家自然辑学蘸金 编号：5 0 1 7 5 0 2 7 ) 鹩资助下，本论文继续文献( 3 9 】的 磷究，妥绕药蕊烽丝漂农承下焊接熬辑究，主要歼鬃了娃下见个方嚣魏