水下焊接技術研究現狀和發展趨勢

陳 英， 許 威， 馬洪偉， 黃江中， 程方杰

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.天津大學材料科學與工程學院，天津300072；3.天津市現代連接技術重點實驗室，天津300072）

當前，在國內科學與技術長期規劃的戰略研究中，石油天然氣能源的研究受到了國家的高度重視，提出了 “調整東部，發展西部，加快海上”的總方針[1]。國內海洋石油工業的發展方向與世界海洋石油發展的趨勢相同，即都是走向深水[2-3]。而且我國石油消費已成為世界第三大國，大量石油輸運（進口或國內運輸）要通過海底或江河湖泊進行，如何在水下直接進行高效可靠的自動化焊接以完成日益增加的水下輸油（氣）管道鋪設是迫切需要解決的難題。隨著海洋的開發，海上石油平臺、海底輸油、輸氣管線施工、海上船艦緊急維修、碼頭設施、水下礦產開發、水閘以及核電設施等工程不斷增多，這些水下工程的建設、維護等對水下焊接技術也提出了更高的要求。同時，我國已躍居世界第一船舶制造大國，大量的船舶制造與維護，迫切需要直接在水下進行維修的焊接技術。因此，面向水下大型構件的焊接技術已成為水下工程開發、建設和維修不可缺少的關鍵技術之一。

自1917年英國海軍首次應水下焊接以來，經過將近一個世紀的發展，水下焊接由最初的濕法電弧焊演變出了多種焊接方法。根據工作環境可將水下焊接分為干法焊接、局部干法焊接和濕法焊接。20世紀60年代后又出現了一些新的水下焊接方法，如水下螺柱焊接、水下爆炸焊接、水下電子束焊接、水下激光焊接和水下鋁熱劑焊接等。

1 艙式干法水下焊接

艙式干法水下焊接分為高壓干法水下焊接和常壓干法水下焊接。高壓干法水下焊接由美國于1954年提出，1966年正式應用于生產，目前適用最大水深為300m，一般采用焊條電弧焊或惰性氣體保護電弧焊，是水下焊接質量最好的方法之一，焊縫基本可以達到陸上焊接的水平。但該方法所使用的高壓氣室往往受到工程結構形狀、尺寸和位置的限制，局限性較大，而且設備造價昂貴。圖1所示為高壓干法水下焊接原理示意圖，圖2所示為Comex公司生產的水下高壓干式焊接艙Seahorse。

圖1 高壓干法水下焊接原理示意圖

圖2 Comex公司生產的高壓干式焊接艙Seahorse

常壓干法焊接需要在密封的壓力艙中進行，艙內壓力與大氣壓相同，這種焊接方法既不受水深影響，也不受水的作用。常壓干法焊接設備造價比高壓干法水下焊接還要昂貴，焊接輔助人員也更多，所以一般只用于深水焊接重要結構。美國IDS公司正在研制600 m深水下進行常壓干法水下焊接的裝置，用于管徑900 mm、壁厚32 mm的管道焊接。干法氣室為圓筒狀，直徑2.4 m，長3.66 m，兩端呈橢圓形。我國目前還沒有常壓干法水下焊接設備。

目前，致力于海洋開發的國家或大公司都建有高壓模擬試驗裝置。例如巴西CENPES中心的水下高壓焊接艙，挪威SINTEF建立的艙內無人高壓干法水下焊接模擬試驗裝置以及英國Cranfield大學海洋工程中心于1990年初研制的模擬2 500 m水深的艙內無人高壓干法水下焊接試驗裝置Hyper-weld250[4-5]。在過去的幾年里，Cranfield大學焊接工程研究中心已經將自動焊接技術應用于水深2 500 m壓力相當于250 bar條件下的深水焊接[6]。圖3所示為英國Cranfield大學的Hyper-weld250模擬實驗艙。

圖3 英國Cranfield大學的Hyper-weld250模擬實驗艙

我國哈爾濱焊接研究所從20世紀80年代開始研究高壓干法水下焊接，先后研制了HSC-1和HSC-2兩套高壓干法水下焊接模擬試驗裝置。HSC-1的容積為1 m3，最大工作壓力1.6 MPa，可進行熔化極氣體保護焊；HSC-2的容積為0.055 m3，最大工作壓力為3 MPa，介質為氫氣、氦氣或混合氣體，可進行TIG焊和MMA焊接試驗。

“十五”期間，北京石油化工學院海洋工程連接技術研究中心設計建造了壓力為1.5 MPa，即相當于150m水深的高壓焊接試驗裝置。研制了鎢極氬弧自動焊機，獲得了0.1～0.7 MPa的16Mn管道全位置自動焊接工藝，形成的管道焊接接頭全部達到了美國焊接學會AWSD3.6M：1999中A類接頭 （即相當于陸上接頭）的要求。并且于2006年11月16日在中國渤海灣天津新港錨地附近12 m水深海域與水下干式艙及其他作業系統一并進行了海上試驗，獲得了外觀良好的焊縫[7-10]。

2 局部干法水下焊接

局部干法水下焊接興起于20世紀70年代，綜合了濕法水下焊接和干法水下焊接兩者的優點，是一種較先進的水下焊接方法。這種方法簡單易行，電弧的燃燒及熔池凝固等過程都是在氣相環境中進行，焊接質量明顯高于濕法焊接[11-13]。其中已經在生產中應用的焊接方法有氣罩式水下焊接法、水簾式水下焊接法和可移動氣室式水下焊接法。

可移動氣室式水下焊接概念是美國1968年首先提出的，1973年開始在生產中應用。該方法的氣室直徑較小，只有100～130 mm。

水簾式水下焊接法由日本首先提出，屬于較小范圍的局部干法[14]。這種方法使用的焊槍結構分為兩層，高壓水射流從焊槍外層呈圓錐形噴出，形成一個挺度高的水簾，阻擋外面的水入侵。該方法所用焊槍輕便靈活，但可見度問題沒有解決。保護氣體和煙塵將焊接區的水攪得混濁而紊亂，焊工基本處于盲焊狀態。最近，日本又成功研制了一種機械化的水簾式水下焊接機構，能很好的對水下較大移動構件進行焊接[15]。圖4為水簾式焊接示意圖。針對水簾式焊接方法的缺點，日本用直徑為0.2 mm的鋼絲 “裙”代替水簾，噴嘴部分像鋼絲刷子一樣，故將這種水下焊接法稱為鋼刷式水下焊接法，鋼刷式局部干法水下焊接克服了水簾式局部干法焊接的缺點，可以進行搭接接頭、角接接頭的焊接，施焊時可采用自動焊，也可采用半自動焊。

圖4 水簾式焊接示意圖

20世紀70年代，我國哈爾濱焊接研究所研制成功了LD-CQ焊接方法，并開發了配套的NBS-500型水下半自動焊機，在國內進行了多次成功施焊，焊接接頭的質量可以滿足國際上常用的API 1104規程的要求[16-19]。張旭東等人使用直徑分別為8 mm，l0 mm和13 mm的3種噴嘴進行了水下水簾屏蔽Nd：YAG激光焊接試驗。在良好的保護條件下，水下焊縫可達到與大氣中同樣的冶金成分和焊縫收縮率[20]。北京石油化工學院海洋工程連接技術研究中心與上海核工程研究設計院合作，共同研制了一套局部干法自動水下焊接試驗系統，并利用該試驗裝置進行了模擬5 m和15 m水深條件下的局部干法自動焊接。焊接試板為304不銹鋼和321不銹鋼鋼板，焊接方式有平板堆焊、坡口堆焊以及坡口對接焊，焊縫成形良好[21-22]。海洋石油工程股份有限公司與天津大學合作，共同研制了一套基于固定式排水罩的水下局部干法半自動GMAW焊接系統。采用壓力艙試驗模擬開發了水深60 m以上的海洋工程用結構鋼的焊接工藝，并成功在渤海海域進行水深10 m和22 m條件下的海試。該套設備及工藝得到國際第三方船級社的認證。

3 濕法水下焊接

濕法水下焊接可采用水下專用焊條或自保護藥芯焊絲施焊。水下焊條電弧焊是目前濕法水下焊接的主要手段。但隨著水下焊接自動化的推進，水下藥芯焊絲焊接得到了越來越多的應用。

3.1 濕法水下焊接原理

水下焊條電弧焊的原理如圖5所示，在該過程中電弧實際上是在電弧氣泡中燃燒的，水下焊接時電弧周圍能否形成一定大小穩定的電弧氣泡是水下焊接成功的首要條件。電弧氣泡中的氣體主要是由水蒸氣高溫解離形成的氫和氧以及焊條藥皮中燃燒分解的CO和CO2所組成。

隨著水下焊接水深的增加，形成電弧氣泡的體積因受到壓縮而逐漸變小，而過少的電弧氣泡導致焊縫金屬氣孔傾向增加。當電弧氣泡變得足夠少時，電弧極易熄滅使焊接過程無法順利進行[23]。

圖5 濕法焊條電弧焊原理示意圖

電弧氣泡形成后的長大應滿足

式中：pg—氣泡內部的壓力；

pa—大氣壓力；

ph—氣泡周圍的靜水壓力；

ps—氣泡表面張力引起的附加壓力。

在陸地焊接時，ph近于零；而在水下焊接時，ph隨水深的增加而增大，pa和ps可以看作不受水深的影響。故要使焊接順利進行，只有增大pg。增大pg的途徑，一是增加電弧溫度，這可通過調整焊接電流來實現，這是由于較高的電弧溫度能解離足夠的氫和氧；二是提高焊條藥皮的造氣功能，使焊條藥皮燃燒時能生成更多的CO和CO2氣體。

3.2 水下焊條和藥芯焊絲的研究

水下專用焊條的設計是濕法焊接研究的主要課題，采用普通陸用焊條進行水下焊接時，焊縫氣孔多，焊縫成形差，當焊接水深超過了30 m時，在壓力作用下，電弧不能穩定燃燒，致使焊接過程無法進行。

Hydroweld FSTM焊條是唯一被英國國防部認可的軍艦水下修補焊條，曾對1艘英國皇家海軍潛艇的球罐進行水下修補，并在世界很多水下工程中得到應用。2000年完成了對澳大利亞Mission River Bridge的修補，焊縫檢驗結果表明，水下焊接質量甚至超出AWS D3.6的要求[24]。

德國Hanover大學基于渣氣聯合保護對熔滴過渡的影響和保護機理，開發了雙層自保護藥芯焊條．力學性能測試顯示焊縫在0℃時的沖擊吸收功達到77 J，擴散氫含量僅為9 mL/100g。美國發明了專利產品7018'S焊條，焊條藥皮上有一層鋁粉，水下焊接時能產生大量氣體，鋁粉顆粒尺寸約為0.025 mm，使焊條的抗濕性很強，焊縫連續20天在相對濕度為100%的條件下，金屬含氫量仍保持在（2.3～10.6）mL/100g的低值，適用于高強度鋼材的水下焊接，-30℃時的沖擊吸收功達到100 J[25]。美國Ohio州立大學的Chon-liang Tsai博士開發了一種新的稱為 “黑美人 （black beauty）”的水下焊條，因為其表面有一層黑色的防水涂料而得名。這種焊條具有焊縫成形良好、焊后無微裂紋、工藝性能優良、適用于各種位置的焊接的特點[26]。美國的Stephen Liu等人在水下焊條藥皮中加入Mn，Ti，B和稀土元素，改善了焊接過程中的焊接性能，細化了焊縫微觀組織[27]。

我國自20世紀60年代開始研發水下專用焊條， 現在主要產品有TSH-1，TS202，TS203及TS208，洛陽船舶材料研究所開發的TS208適用于Q345鋼的焊接，抗拉強度大于530 MPa，研究者將其與國外知名品牌進行了對比試驗，獲得了滿意的結果[28]。

近年來，美國、英國和烏克蘭等國對藥芯焊絲水下焊接進行了研究[29]。采用藥芯焊絲進行水下焊接不僅可以提高焊接質量，由于采用連續送絲，還顯著提高了生產效率并易于實現焊接的自動化。烏克蘭巴頓研究所成功開發了一套水下濕法藥芯焊絲焊接的送絲機構、控制系統及其焊接工藝，該系統的焊接質量明顯優于焊條水下濕法焊接的質量，而焊接作業時間還不到藥皮焊條手工焊接的一半，施工費用也只有焊條焊接的50%左右。華南理工大學機電工程系劉桑、鐘繼光等人開發了一種藥芯焊絲微型排水罩水下焊接方法[30]，該方法完全依靠焊接時自身所產生的氣體以及水汽化產生的水蒸氣排開微型罩內的水而形成一個穩定的局部無水區域,使得電弧能在其中穩定的燃燒，使用該方法得到的焊縫成形美觀，性能良好。除此之外，他們還通過復合濾光技術和水下CCD攝像系統，采集出了藥芯焊絲水下焊接電弧區域圖像，從而為水下濕法焊接電弧的機理分析及水下焊接過程控制奠定了基礎。20世紀80年代以后，海上油氣開發最大水深已達700 m[31]。然而，手工焊接由于人潛水深度存在的局限性，當水深大于200 m時，人能夠潛水作業的時間很短[32]，因此只有自動化作業才能滿足深水焊接的要求，藥芯焊絲水下焊接也順應了這一要求。

4 其他焊接方法

除了上述各種焊接方法之外，激光焊已經成功地應用于30 m水深核反應堆的修復，但是激光焊過程中仍需要氣體保護且熔深有限[15]。爆炸焊接是一種鍛壓焊接技術，雖然在20世紀70年代曾經用于水下連接，但后來沒有繼續發展的主要原因是對于安全性的擔心[33]。

摩擦焊接屬于固相焊接技術，在許多場合，與電弧焊接比較，因為接頭性能優異且高效、低耗、清潔、高精度而具有突出的優勢，已經成為當前發展最為迅速的焊接技術。對于水下應用而言，摩擦焊接質量對于水不敏感，不同水深焊接參數幾乎沒有變化，這是電弧焊接難以比擬的巨大技術優勢，所以，摩擦焊接成為當前海洋結構物水下修復的熱門研究領域。除摩擦螺柱焊（friction stud welding）在ROV（remotely operated vehicle）支持下已經成功地應用于深水陽極修復等眾多場合之外，摩擦焊接的若干新技術，如英國焊接研究所 （TWI）發明的攪拌摩擦焊接（friction stir welding）、 摩擦疊焊（friction stitch welding）和徑向摩擦焊接（raial friction welding）技術已成為具備良好發展前景的21世紀水下修復新方法。

5 水下焊接的主要問題

水下焊接過程中，由于有水的影響，焊接接頭質量與陸上相比有所下降，這主要是由以下因素造成的：

（1）焊縫金屬中合金元素有損失。電弧在水中電離出的氧要比大氣中的氧多很多，且隨著水深的增加，焊縫中的含氧量也會增加，在這種條件下合金元素的燒損很嚴重，導致焊縫質量下降。

（2）焊接冷卻速度過快。水的熱導率遠高于空氣，由于焊縫和熱影響區冷卻過快，容易形成粗大的脆硬組織，在氫的作用下很容易誘發冷裂紋，如果焊材和母材的強度匹配不當造成較大的相變應力，就會加劇焊縫開裂的趨勢。

（3）焊縫中擴散氫含量較高。對于濕法水下焊接，焊縫中的含氫量通常很高。水環境，焊條中所含結晶水，母材表面氧化物中所含結晶水都是焊縫中擴散氫的主要來源。

（4）可見度差。水下濕法焊接和局部干法焊接均存在可見度差的問題，潛水焊工基本上處于盲焊狀態，這也是水下焊接質量較差的原因之一。

（5）電弧壓力過大。隨著水深和環境壓力的增加，弧柱逐漸變細，同時導電介質的密度增大，電離難度增加，電弧穩定性下降。因此，在高電壓條件下不利于形成良好的焊接接頭。

6 水下焊接發展的趨勢與探討

水下焊接發展的主要趨勢：①多種水下焊接方法并存的局面會長期存在；②由于濕法焊接設備簡單，適用性強，成本較低，其仍將是未來水下焊接的一個主要研究方向；③為了提高焊接質量和降低危險，實現水下干法和局部干法焊接中的自動化和智能化勢在必行；④水下攪拌摩擦焊、摩擦疊焊等固相連接技術將會是未來水下焊接的主要技術手段；⑥展開水下焊接模擬技術和計算機仿真技術研究對試驗和實際操作具有指導意義。

7 結 語

目前，世界上所有水下焊接技術的發展都是以水下工程需求為背景的。雖然與水下焊接相關的問題日益增多，但對該領域的研究和報道卻相對較少。缺乏系統的研究是水下焊接理論基礎薄弱且實際應用較少的原因之一。因此，科研機構間加強合作，并且系統化研究內容是實現水下焊新突破的必由之路。

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