【《水下焊接发展及应用研究文献综述》4400字】

水下焊接发展及应用研究文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u18220水下焊接发展及应用研究文献综述 1122301.1水下焊接及其分类 134031.2水下湿法焊条电弧焊特点 490111.3水下环境对水下湿法焊接的影响 61.1水下焊接及其分类早在两百多年前，电弧可以在水下连续燃烧的观点就被英国研究者提出，也就说明了水下焊接是可以实现的，但是水下焊接的应用才有一百年历史，在1917年，水下焊接才开始正式被使用，其诞生在英国海军船坞，由于轮船水位线以下发生了漏水，轮船无法移动到陆地上进行维修，船坞的焊工大胆尝试水下焊接的方法对漏水的缝隙进行了焊接，这便是水下焊接的第一次应用，从此时起水下焊接技术发生了蓬勃飞速的发展。第二次世界大战的爆发，使水下焊接在打捞沉船、维修海洋作战设备等方面得到了广泛的应用，促进了水下焊接的发展。1971年，水下焊接技术第一次在海洋石油工程领域得到应用，Humble石油公司将其用来建设和维修墨西哥湾钻采平台，这使得水下焊接得到了更广泛的应用。到1985年，第一批潜水焊工经过训练后被认可的，并制定了水深100m以下的水下湿法焊接工艺。两年后，水下湿法焊接技术开始应用在核电厂管道的安装和修理工作中。之后，随着水利水电工程和海洋工程的发展，水下焊接技术被广泛应用，取得了飞速的发展。虽然现在各领域应用的水下焊接方法种类很多，但是技术比较成熟、广泛最广泛的还是几种电弧焊。水下焊接依据焊接时所处的环境可以分为干法水下焊接、局部干法水下焊接和湿法水下焊接三类。干法水下焊接干法焊接分为高压干法焊接和常压干法焊接，两者都是在压力舱内进行，不同的是两者压力舱内的压力不同。在1954年，高压干法焊接被美国研究人员第一次提出，但是1966年才正式用于生产，该方法主要用于海底石油和天然气运输管道的维修。目前，高压干法焊接一般适用于水深300m以内，该焊接方法在压力舱内进行，焊接压力舱底部是开口的，向压力舱通入气体使压力舱内气压稍大于焊接时水深压力的，把舱内的水从底部开口处排出，在排除水的压力舱内进行焊接。这种焊接方法一般采用MIG焊或TIG焊，由于干法焊接时排除了水的存在，所以其焊接工艺和焊接质量与陆地上焊接相比基本一样。目前，很多国家已经拥有可以实现干法焊接的压力舱，比如巴西的高压焊接舱，挪威的无人高压试验舱，以及英国Cranfield大学研制的Heper-weld250高压干法试验装置如图1.1，该装置可模拟水下250m的压力[[]朱加雷，余建荣，焦向东，等.水下焊接技术研究和应用的进展[J].焊接技术，2005，34(4):6-8.]-[[]王中辉，蒋力培，焦向东，等.高压干法水下焊接装备与技术的发展[J].电焊机，2005，35(10):9-12.]。在20世纪80年代，我国的哈尔滨焊接研究所开始研究高压干法焊接，先后研制了HSC-1和HSC-2试验装置，可用于钨极氩弧焊和焊条电弧焊的焊接[[]宋广贺，王中辉，蒋力培，等.高压环境下电弧电特性及管道焊接工艺的研究[J].焊接技术，2007，36(01):33-35.][]朱加雷，余建荣，焦向东，等.水下焊接技术研究和应用的进展[J].焊接技术，2005，34(4):6-8.[]王中辉，蒋力培，焦向东，等.高压干法水下焊接装备与技术的发展[J].电焊机，2005，35(10):9-12.[]宋广贺，王中辉，蒋力培，等.高压环境下电弧电特性及管道焊接工艺的研究[J].焊接技术，2007，36(01):33-35.[]赵华夏，焦向东.干式高压环境对TIG焊接电弧温度的影响[J].焊接学报，2008，29(11):17-20.水下高压干法焊接虽然可以排除水的干扰，但是其依然有很多局限，随着焊接水深的增加，压力舱内的气压也不断增加，即电弧周围受到的气压不断增加，当气压过大时，电弧容易发生断弧，破坏电弧稳定性影响焊接工艺性能导致焊接缺陷；另外气压过大时，如果需要焊工操作，潜水焊工需要穿戴辅助装备，甚至当水深超过潜水极限时将会破坏潜水焊工的健康，不宜实施焊接。图1.1Cranfield大学高压试验舱图1.2北京石油化工大学试验舱为了克服高压干法焊接过程中遇到的问题，研究人员提出了常压干法焊接，即通过控制压力舱内的压力，使舱内的压力与大气气压差不多，此时压力舱的外部将承受水深带来的压力。1977年法国首次研制出水下常压干法焊接设备，同年，法国LPS公司使用该设备对水深150m处直径426mm的海底管道成功实施了水下常压干法焊接。这种焊接方法虽然可以获得与陆地上焊接相同的焊接质量，但是需要比高压干法焊接更先进的焊接辅助装置，其造价更加昂贵，所以，常压水下干法焊接方法一般只用来焊接重要的焊接结构。总之，水下干法焊接方法焊接质量可靠，但是焊接设备成本昂贵、前期准备工作繁杂，在日常的生产中很少使用，一般用于重要结构的焊接。局部干法焊接在20世纪70年代，局部干法水下焊接的方法慢慢开始兴起，该方法与水下干法焊接方法相似，其电弧燃烧和熔池的凝固都是在气相环境中进行，虽然并没有完全排除水的影响，但其焊接质量良好。局部干法水下焊接的形式主要有三种，分别是可移动气室式、水帘式和气罩式。可移动气室式是利用气体排出气室内的水，在气相环境中进行焊接，首个气室由美国研制的，其直径约为100mm，在1973年投入使用[[]DavidJL，WilsonEM.UnderwaterWelding:UnitedKingdompatent，4039798[P].1997-08-02.]；1977年，美国人Sagara首先提出水帘式，该方法是在焊枪周围形成一个高压圆锥水帘，然后向水帘内通入保护气体，阻挡外围的水，在水帘内的气体中进行局部干法焊接[[]SagaraH.Weldingtorchforunderwaterwelding:4029930[P].1977-06-14．]；到20世纪90年代，华南理工大学的王国荣研发了气罩式局部干法焊接方法，该方法利用具有弹性密封圈的气罩（如图1.3）贴合在母材上，然后向气罩通入保护气体，潜水焊工在水中将焊枪放在气罩内进行焊接，利用此装置进行水下焊接试验，获得了满意的焊接效果[[]张彤，钟继光，王国荣.药芯焊丝微型排水罩局部干法水下焊接的研究[A].第九次全国焊接会议论文集[C].黑龙江:1999，354-357.[]DavidJL，WilsonEM.UnderwaterWelding:UnitedKingdompatent，4039798[P].1997-08-02.[]SagaraH.Weldingtorchforunderwaterwelding:4029930[P].1977-06-14．[]张彤，钟继光，王国荣.药芯焊丝微型排水罩局部干法水下焊接的研究[A].第九次全国焊接会议论文集[C].黑龙江:1999，354-357.图1.3带预热功能的排水罩图1.4水下湿法焊接湿法水下焊接湿法水下焊接最常用的方法是水下湿法焊条电弧焊，该方法是将工件和焊枪直接置于水中进行焊接，如图1.4，焊条在焊接过程中药皮冶金反应产生的气体以及周围水蒸气形成气泡，电弧在气泡中进行燃烧。该方法因为具有操作方便、灵活、设备简单、施工造价较低等优点，而被广泛应用于焊接维修浅水区域的工件；但是该方法也存在很多问题，比如焊接条件恶劣、焊接缺陷多、焊接质量较差，因此这种方法不能用于焊接重要的海洋工程结构。水下湿法焊接过程中电弧不仅受到水的强烈冷却作用，还受到周围水压的影响，因此电弧的稳定性差是一直以来影响水下焊接质量的因素之一，直到近年来在水下湿法焊接材料、焊接工艺及方法等方面的突破，水下湿法电弧焊才逐渐被认可，目前该方法仍然是研究和应用的热点。1.2水下湿法焊条电弧焊特点陆地上焊条电弧焊技术是水下湿法焊条电弧焊的基础，两者也有很多的相似之处。目前，无论是在发展中国家还是发达国家，陆地上焊条电弧焊都是应用范围最广泛、应用最多的方法，在各行各业中都可以看到它的身影，小到街边维修店，大到航空航天。水下湿法焊条电弧焊也是水下应用最广泛的技术，因为其只需要一台直流或交流焊机、一把焊钳就可以进行焊接工作，该方法不仅投资小、易操作，而且灵活性强可以实现各种位置的焊接。但是水下环境不同于陆地，导致水下湿法焊条电弧焊与陆上焊条电弧焊之间具也具有许多不同的特点（以下水下焊接均指水下湿法焊条电弧焊）:水下焊接过程中焊条参与冶金反应产生的气体以及电弧周围的水分解和蒸发产生的气体形成气泡，因为水压和水冷的影响，电弧只有在气泡中才能稳定燃烧，如图1.5所示。为了维持电弧稳定燃烧，水下焊接使用的焊条药皮需要能够产生足够的气体。图1.5水下湿法焊条电弧焊原理图水下焊接过程中，电弧周围的水以及焊条药皮中的结晶水等会发生分解产生游离的氢，导致焊缝金属中溶解大量增加的氢，氢的存在对焊缝是有害的，为了减少焊缝中的氢含量，提高焊接接头的机械性能，所以焊条药皮的成分、焊接参数等条件都有特殊要求。水下焊接工艺与陆地上也有很大的不同，在水下湿法焊接中，为保证电弧稳定的燃烧、熔滴均匀的过渡以及焊缝良好的成形需要更加苛刻的条件，所以无论对焊接操作手法还是工艺参数都有更严格的要求。在水下焊接时一般多采用拖焊法，焊条套筒触及工件来控制弧长并形成渣壁过渡。另外水下焊接时由于水对工件和电弧的冷却作用，对于相同的焊接材料，水下焊接要比陆地上焊接的电流相应偏大，一般高20%~30%左右。水下焊接时产生的烟雾、再加上水对弧光折射和反射，导致水下的能见度很低，不容易观察焊接的情况，增加了焊接难度，影响焊接操作，从而影响焊接质量。水下焊接对潜水焊工也有更加严苛的要求，焊工必须具备潜水员和焊接工人的两种技能独立完成水下焊接操作。与陆地上的焊接相比，水下焊接的操作技巧要求更高，劳动强度更大，而且水是电的良导体，水下焊接对于潜水焊工具有一定的危险性。从水下湿法焊条电弧焊的特点可以看出其与陆上焊条电弧焊有着明显的区别，仅仅从陆上焊条电弧焊来考虑影响焊接过程稳定性的因素是远远不够的，需要结合水下湿法焊条电弧焊的特点从更深入的角度来考虑。1.3水下环境对水下湿法焊接的影响1.扩散氢的含量在水下湿法焊接过程中，在电弧的作用下焊材和周围环境中的水发生分解，导致焊缝金属中的氢含量比较高，焊缝金属中的氢主要以扩散氢的形式存在，而扩散氢含量又是导致焊接接头氢致延迟裂纹产生的主要因素[[]W.C.D.DaSilva，，L.F.Ribeiro，T.L.D.deAvila，etal.DIFFUSIBLEHYDROGENONUNDERWATERWETWELDSPRODUCEDWITHTUBULARSHIELDEDELECTRODESUSINGINTERNALGASPROTECTION[J].21stBrazilianCongressofMechanicalEngineering，2011(10):24-28.]。由于水下湿法焊接过程中，水的分解是不可避免的，所以也无法完全遏止氢向焊缝金属中的扩散。而水下湿法焊接时，接头周围受到水的强冷作用，类似于淬火环境，使焊接接头快速冷却，增大了焊缝及热影响区的淬硬倾向，容易生成氢致裂纹[[]杨轲.高强度水下湿法焊接用药皮焊条的研制及其合金化研究[D].哈尔滨工业大学,2013.[]W.C.D.DaSilva，，L.F.Ribeiro，T.L.D.deAvila，etal.DIFFUSIBLEHYDROGENONUNDERWATERWETWELDSPRODUCEDWITHTUBULARSHIELDEDELECTRODESUSINGINTERNALGASPROTECTION[J].21stBrazilianCongressofMechanicalEngineering，2011(10):24-28.[]杨轲.高强度水下湿法焊接用药皮焊条的研制及其合金化研究[D].哈尔滨工业大学,2013.水下湿法焊接的稳定性在水下湿法电弧焊过程中，电弧稳定性不仅受到电流、电压、焊接材料等可控因素的影响，电弧在燃烧过程中还收到周围水环境和水深的影响，水对电弧有冷却的作用，阻止电弧燃烧，并且随着水深的增加电弧周围收到的压力越大，容易使电弧收缩造成熄弧现象，所以水下湿法焊接与陆地上焊接相比，电弧稳定性更难控制。因为焊接水深由被焊工件，无法改变，所以各国研究人员针对焊接方法、焊接材料等方向进行研究，这些年对电弧稳定性的研究也取得了显著效果，使水下湿法焊接中电弧稳定性得到了改善，相应的焊接质量也有所提高，但是针对电弧稳定的研究并未止步。关于焊接方法方面，可以通过叠加不同的能场改善焊接的电弧稳定性，王建峰等人[[]WangJ，SunQ，JiangY，etal.Analysisandimprovementofunderwaterwetweldingprocessstabilitywithstaticmechanicalconstraintsupport[J].JournalofManufacturingProcesses，2018，34(6):238-250.]通过在水下湿法焊接电弧上添加超声波能场；陈奕[[]陈弈.外加纵向磁场对水下湿法FCAW电弧特性及熔滴过渡的影响[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013:28-32.[]WangJ，SunQ，JiangY，etal.Analysisandimprovementofunderwaterwetweldingprocessstabilitywithstaticmechanicalconstraintsupport[J].JournalofManufacturingProcesses，2018，34(6):238-250.[]陈弈.外加纵向