薛延華，朱小俊，杜永鵬，申云磊

(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

0 前言

在海洋工程、沉船打撈等作業(yè)中往往要進行水下的快速固定、安裝、封堵及修補作業(yè)。在這類工程中，通常選用水下濕法焊條電弧技術(shù)進行水下結(jié)構(gòu)物的連接安裝等作業(yè)[1-2]，近年來，水下濕法焊條電弧焊得到了日益深入的研究，焊接質(zhì)量也逐步提升：程方杰等人[3]分析了水深因素對水下濕法焊條電弧焊接頭組織及力學性能的影響；胡家琨等人[4]通過分析焊接過程電信號，對水下濕法焊條電弧的焊接過程穩(wěn)定性進行了有效評估。摩擦疊焊是一種新型的固相連接技術(shù)，在干濕環(huán)境條件下都能夠獲得較好的連接質(zhì)量，高輝等人[5]對摩擦疊焊技術(shù)進行了深入研究，認為該技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)水下修復(fù)作業(yè)方面具有較大的應(yīng)用潛力。盡管上述兩種方法焊接質(zhì)量高，已在工程中取得成功應(yīng)用，但由于對操作人員技能和設(shè)備性能要求較高，在臨時修補作業(yè)中應(yīng)用受到限制。

與上述方法相比，盡管電弧螺柱焊焊接質(zhì)量相對較差，但由于其操作簡便，設(shè)備便攜，在水下應(yīng)急搶修作業(yè)中有較大推廣應(yīng)用價值。文中采用短周期拉弧水下電弧螺柱焊接技術(shù)，實現(xiàn)螺柱的水下快速焊接，該方法焊接時間短、焊接強度高，可廣泛用于水下快速固定、安裝及搶修等海洋工程作業(yè)中。陸上成熟的電弧螺柱焊接技術(shù)為該文提供了參考，但由于水下環(huán)境的特殊性，水下電弧螺柱焊接時的電弧電氣特征均會有所改變。因此，需針對水下電弧螺柱焊接過程的特殊性，進行焊接工藝優(yōu)化試驗，篩選焊接工藝參數(shù)，提高焊接質(zhì)量。

1 水下電弧螺柱焊接方法及工藝

水下焊接會產(chǎn)生大量的氫氣，對焊接質(zhì)量造成較大影響；同時水下散熱較快，對焊縫的形成不利。為獲得較好的焊縫質(zhì)量，在水下電弧螺柱焊接過程中需采取特殊的工序，如圖1所示。

圖1 水下電弧螺柱焊接時序圖

首先，將焊槍靠近被焊工件，啟動氣閥，利用高壓氣體排出焊槍端部區(qū)域的水分，使得焊接過程在相對干燥的環(huán)境中進行，在該文中，為提高對熔池的保護效果，選用的高壓氣體為氬氣；隨后，焊接電源開始工作，螺柱與工件之間產(chǎn)生先導(dǎo)電流，引燃電弧，母材被焊區(qū)域殘留的水分被進一步汽化，達到減少水分殘留的目的；當電弧引燃后，螺柱在電磁鐵的作用下，上升一定距離，此時，焊機輸出焊接電流，螺柱頂端和熔池表面形成熔池；螺柱在向上移動一段時間后，開始在彈簧恢復(fù)力和油壓阻尼器的作用下朝熔池方向移動，螺柱端部插入熔池；隨后繼續(xù)為熔池提供特定時長的氬氣保護，焊機也將提供一定的焊接電流以便形成再結(jié)晶接頭；最后切斷保護氣體，提升焊槍，結(jié)束焊接過程[6-9]。

在陸用電弧螺柱焊槍的基礎(chǔ)上，根據(jù)水下電弧螺柱焊接工序，從耐壓防水、供氣排水、氣體保護、用電安全及自動控制等角度開展研制工作，研設(shè)計制出如圖2所示。水下電弧螺柱焊槍，該焊槍可以實現(xiàn)最大外徑12 mm螺柱的水下快速焊接。

圖2 水下電弧螺柱焊槍實物圖

2 水下電弧螺柱焊接參數(shù)

電弧螺柱焊接方法具有操作簡便、效率高等優(yōu)點，但焊接參數(shù)較為復(fù)雜，焊前需在了解各類焊接參數(shù)意義前提下，對焊接設(shè)備進行合理設(shè)置，以期達到理想的焊接效果。電弧螺柱焊接過程中常見的參數(shù)包括焊接電流、焊接時間、螺柱伸出長度、螺柱提升高度、螺柱下落時間等。由于水下電弧螺柱焊接的特殊環(huán)境，水下電弧螺柱焊接參數(shù)的選擇也有一定區(qū)別，還需考慮放氣和關(guān)氣時間等。與水下焊條電弧焊比較，在相同空載電壓條件下，電弧螺柱焊接電流密度較小，其焊接電流調(diào)節(jié)范圍相對較大。一般情況下，螺柱直徑越大，其焊接電流越大。另外，水下焊接過程熱量散失較快，焊接過程中選擇較大電流可以快速形成穩(wěn)定的焊接熔池。但過大的焊接電流不僅增加設(shè)備成本，也會對焊接接頭力學性能帶來不利的影響。

焊接時間是電弧螺柱焊接過程的另一個重要參數(shù)。焊接時間太短，螺柱及焊件接觸部位的熔化時間不足，螺柱的連接強度不夠；焊接時間過長，螺柱及焊件接觸部位的熔化時間太長，容易產(chǎn)生氣孔、焊穿等焊接缺陷，都不利于水下電弧螺柱焊接質(zhì)量。

螺柱提升高度及提升時間對電弧螺柱焊接質(zhì)量有一定影響。提升高度過低，下落時間過長，會產(chǎn)生有電頂鍛時間過短而降低焊接接頭質(zhì)量；提升高度過大，容易造成熔化金屬外溢，形不成焊腳或者造成焊腳嚴重缺陷等現(xiàn)象。

提前放氣時間及滯后關(guān)氣時間主要由作業(yè)水深、密封性能、排水狀態(tài)及焊接時間決定。具體時間可通過水下焊接進行適當調(diào)節(jié)。一般隨著放氣時間延長，其供氣排水保護罩內(nèi)形成干式環(huán)境可能性更大，焊接成功的概率增加，但是對潛水員的水下狀態(tài)有較大影響。隨著關(guān)氣時間的延長，其焊接的冷卻速度降低，更加有利于焊縫的質(zhì)量，但是，過長的延遲關(guān)氣時間也會由于保護氣消耗過多等原因，使得焊接成本上升。

3 水下電弧螺柱焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗設(shè)計

為驗證水下電弧螺柱焊槍的可行性和實用性，從提高焊接工藝角度對水下電弧螺柱焊槍的焊接電流Iweld和焊接時間Tweld、提升高度Hup和提升時間Tup等主要焊接規(guī)范進行優(yōu)化。設(shè)計了3因素3水平的正交試驗。在該試驗中選取的螺柱直徑為10 mm，試驗水深4 m。參考相關(guān)文獻可知，對于10 mm直徑的螺柱，適用的焊接電流范圍為500～1 000 A，考慮到焊機特點實際情況，最大焊接電流定為980 A。因此，因素1焊接電流3個水平分別為500 A，740 A和980 A。在前期焊接工藝試驗探索時，焊接時間0.3～0.6 s范圍內(nèi)都有應(yīng)用，因此，正交試驗中因素2焊接時間分別為0.3 s，0.43 s和0.56 s。對于提升高度，限于所開發(fā)的水下電弧螺柱焊槍自身結(jié)構(gòu)特點，提升高度固定為2 mm。對于因素3提升時間，分為15 ms，10 ms和5 ms三擋。設(shè)計正交試驗見表1。焊接效果如圖3所示。

圖3 水下電弧螺柱焊接效果圖

表1 正交試驗

在試驗過程中，每組參數(shù)工焊接10個螺柱，焊后，對所焊螺柱進行力學性能測試評分。具體評分方法為：對水下焊接的螺柱進行錘頭沖擊彎曲試驗，若一個被焊螺柱彎曲30°后在焊接區(qū)域未出現(xiàn)任何裂紋，則該試件記為1分；若能彎曲60°左右，如圖4所示，證明螺柱的水下焊接質(zhì)量滿足螺柱強度，該試件記為2分，否則，記為零分。對于同一焊接規(guī)范的10個試件，滿分20分，分值越高說明該組焊接規(guī)范越適用于該條件下的水下電弧螺柱焊接。

圖4 水下焊接螺柱彎曲試驗和斷裂效果圖

3.2 試驗分析

通過表2正交試驗結(jié)果的分析可知，最優(yōu)的焊接規(guī)范為焊接電流740 A，焊接時間0.43 s，提升時間10 ms。在所涉及的三類焊接規(guī)范中，焊接電流對焊接質(zhì)量影響最大，焊接時間的影響其次，提升時間的影響相對較小。

表2 正交試驗分析

焊接電弧輸出的能量對焊接規(guī)程有極為重要的影響，而焊接電流則與焊接電弧輸出能量有著極為密切的關(guān)系，電流越大，焊機輸出功率越高，單位時間內(nèi)螺柱端部所受的熱量也就越大，有助于螺柱與熔池區(qū)域母材的熔化。適當?shù)娜刍俣炔粌H能提升焊接速度，更為重要的是，螺柱熔化過程相對平緩均勻，并以可控的速度進入熔池，進而凝固成焊接接頭，水下電弧螺柱焊焊接質(zhì)量將得到有效的保障。在該試驗中，當焊接電流為740 A時，焊接效果相對較好，若焊接電流較小，如試驗中將焊接電流設(shè)置為500 A時，由于焊接輸出功率難以滿足熔化螺柱端部的目標，未充分熔化的螺柱端部進入熔池后也不能與熔融金屬接觸形成高質(zhì)量的焊接接頭，如形成虛焊等缺陷，水下電弧螺柱焊接質(zhì)量隨之下降。增大焊接電流雖然有助于螺柱和母材的熔化，但若電流過大，會導(dǎo)致螺柱熔化速度加快，若不能及時進入熔池，熔融金屬會在電弧力的作用下偏離熔池方向，最終導(dǎo)致飛濺的產(chǎn)生，如圖5所示。

圖5 熔池飛濺現(xiàn)象

該試驗所選用的焊接時間范圍為0.3～0.6 s之間，剔除由于設(shè)備因素導(dǎo)致的誤差，實際焊接分別為0.3 s，0.43 s和0.56 s。試驗中發(fā)現(xiàn)，當焊接時間為0.3 s時，由于焊接時間短，螺柱未能及時熔化就進入熔池。由于螺柱端部未能充分浸潤后即因焊接過程結(jié)束而開始冷卻，虛焊現(xiàn)象較為明顯。這一現(xiàn)象在焊接電流相對較低(500 A)的試驗條件下顯得尤為明顯，1號試驗條件下有3根被焊螺柱因虛焊現(xiàn)象的存在，彎曲測試時，彎曲角度不到30°即斷裂。另外，在焊后檢測時發(fā)現(xiàn)，焊接時間較短時存在一定量的氣孔，這也導(dǎo)致了焊接質(zhì)量差，很難達到60°的彎曲指標。由于焊接時間短，焊接過程產(chǎn)生的氣泡未能及時從熔融金屬中逸出，在上浮過程中因焊接過程結(jié)束，熔池迅速冷卻，氣泡最終滯留于熔池中，形成氣孔缺陷。除此之外，當焊接時間為0.56 s時，存在咬邊現(xiàn)象，這是由于焊接過程持續(xù)時間過長，熔池中輸入的熱量過大導(dǎo)致的。當焊接電流較高時，若焊接時間未能得到有效控制，咬邊現(xiàn)象顯著。

通過正交試驗分析也可以看出，相對于焊接電流和焊接時間，焊槍提升時間影響相對較小。對于電弧螺柱焊，焊接電流和焊接時間兩項參數(shù)決定了焊接過程的熱輸入，熱輸入對水下電弧螺柱焊接影響較大，過大的熱輸入容易焊穿與咬邊等缺陷；若熱輸入過小，氣孔現(xiàn)象易于發(fā)生，影響焊接質(zhì)量。

放氣和關(guān)氣時間也是控制和提高水下電弧螺柱焊接質(zhì)量的一個因素。供氣排水保護罩內(nèi)形成穩(wěn)定氣流和持續(xù)的局部干式環(huán)境是確保焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。與陸上螺柱焊接時序相比，水下焊接放氣時間提前，可以盡量排除保護罩內(nèi)積水；關(guān)氣時間適當延長，可以使水下電弧螺柱焊接冷卻速度降低，有利于焊縫的質(zhì)量。從焊接工藝角度考慮，提前送氣和滯后關(guān)氣時間越長越有助于焊接質(zhì)量的提升，但從成本和工作效率角度考慮，則需將這兩項指標控制在合理范圍之內(nèi)，通過試驗證明，提前送氣時間在4 s以上，滯后關(guān)氣時間不低于2 s，能得到相對較好的焊接質(zhì)量。另外，在保護罩的形狀[10]，選擇帶有緩沖氣腔的環(huán)形供氣排水保護罩。通過理論分析及試驗驗證，這類保護罩能快速排除罩內(nèi)積水且形成較穩(wěn)定的氣流，保證了電弧螺柱焊接過程的引??；同時，能提供一定流量的氬氣作為保護焊用氣體，以減小水蒸氣對焊接質(zhì)量的影響。

綜上所述，通過試驗驗證與分析，確定了水下電弧螺柱焊接規(guī)范制定原則。通過合理優(yōu)化焊接規(guī)范，水下電弧螺柱焊接技術(shù)將成為一種適用于的水下焊接的技術(shù)，將憑其焊接時間短、操作簡單、設(shè)備便攜等優(yōu)點，可在海洋工程施工中有較高的推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

(1)相對于提升時間等參數(shù)，焊接電流和焊接時間對水下電弧螺柱焊焊接質(zhì)量影響較大。

(2)適當提高焊接電流和延長焊接時間，有助于抑制虛焊等現(xiàn)象提高焊接質(zhì)量，但焊接電流過大或焊接時間過長容易發(fā)生飛濺、咬邊等缺陷。

(3)增加提前送氣時間和滯后關(guān)氣時間，在強保護效果的同時也增加了施工成本，降低了工作效率，需將提前送氣時間和滯后關(guān)氣時間控制在合理的范圍之內(nèi)。