随着人类对海洋的开发,大量的海洋工程施工对水下焊接技术提出了新的要求,因此,发展水下焊接 技术已刻不容缓。水下焊接一般依据焊接所处的环境大体上分为3类:湿法水下焊接、干法水下焊 接和局部干法水下焊接<1>。从焊接冶金和保证焊接质量的角度看,干法水下焊接是最为有利的 ,近年来水下高压干法焊接取得了进一步的发展。水下高压干法焊接所用的焊接方法有TIG,S MAW和MIG焊,从操作性和焊接质量来考虑,应该首选水下干式TIG焊。笔者在前人研究的 基础上,自行设计了1套高压焊接模拟试验装置,在此装置中对不同位置的16Mn试板进行试验 ,在0.1,0.3,0.5和0.7MPa压力下,均获得了单面焊双面成形的良好效果。1试 验装置和材料1.1试验装置图1为高压焊接模拟试验装置示意图。主要由高压环境气体调配储罐 、高压焊接试验舱、高压气体管路系统、全位置自动焊机、焊接过程摄像系统、舱内场景与焊接过 程监控系统和高压环境气体测控系统7部分组成。高压气体管路系统首先为高压环境气体调配储罐 配备空气与其他气体的混合气体,然后将该混合气体输送到高压焊接试验舱,全位置自动焊机在高 压焊接试验舱中进行工件的全位置焊接。焊接过程高速摄像系统对焊接电弧进行高速摄像,舱内场 景与焊接过程监控系统对舱内场景与焊接过程进行实时监控,高压环境气体测控系统完成气体输送 过程的自动控制以及高压环境气体调配储罐、高压焊接试验舱的气体环境参数的实时采样与监控。1.2试验材料电极采用铈钨极,焊丝采用!0.8mmH08Mn2SiA,母材采用16Mn钢板,规格510mm×100mm×10mm。2高压下 TIG焊的安全问题2.1环境气体空气作为环境气体有许多优点,成本低而且随时随地可以得到 ,只需将其压缩至适当的压力即可使用。但是,空气中氧的体积分数较高(约20%),这意味着 当压力在几个大气压以上时,舱内物体的可燃性会显著增大,成为突出的安全问题。此外,保证焊 接质量,需要避免熔池与空气中的氮和氧接触,这在高压环境下是难以保证的。因此,压力低时可 用空气,压力高时则不宜用空气。本试验中环境压力最高至0.7MPa,所以,宜选用空气作为 环境气体。氩气供应方便,且其密度与空气的相近,热导率比氦气的低,可降低焊接金属冷却速度 。但是,在实际水下焊接时,高压环境下氩气对潜水焊工有麻醉作用,所以,使用氩气作为环境气 体对操作人员是危险的。因为氩气的麻醉作用只与人的生理有关,所以对于无潜水焊工水下焊接操 作,采用氩气作为舱内气体,是比较好的选择。氦气比氩气的成本高得多,密度为氩气的1/10 。典型的环境气体是由氦气和氧气组成的混合气体,与压力无关。这样的气体因氧含量低,对可燃 性没有影响,在实际水下焊接时对潜水焊工也不会造成伤害。但氦的高热导率将加快焊缝金属的冷 却速度。2.2引弧方式TIG焊的引弧方式有非接触式和接触式2种。前者既适用于直流TIG 焊,又适用于交流TIG焊;后者是电极直接或间接与工件相接触,即短路引弧,仅适用于直流T IG焊。非接触式引弧有高频引弧、高压脉冲引弧及高压脉冲叠加高频引弧。接触式引弧包括擦划 引弧、炭块引弧和提升引弧。非接触式引弧存在高电压,在高压环境下对焊工的危害非常大,因此 ,接触引弧方式在高压下对潜水焊工生命安全没有影响,但接触引弧有可能引起钨极的烧损,降低 电极的使用寿命。3高压环境下16Mn全位置焊接工艺3.1合理设计焊接坡口焊接坡口形式有 多种,常用的有U形坡口和Y形坡口。通过试验对比,认为Y形坡口作为试验用坡口比较合理,这 主要是由于对于同样厚度的试板,Y形坡口比U形坡口填充金属少。坡口形状如图2所示,试板装 配如图3所示。3.2试板焊接位置试板焊接位置如图4所示。为模拟管道全位置焊接,平板分别 在图4所示8个位置上焊接,位置A:12点0°平焊;B:1点半,45°平焊向上;C:3点 ,90°向上焊;D:4点半,45°仰焊向上;E:6点,0°仰焊;F:7点半,45°仰焊 向下;G:9点,90°向下焊;H:10点半,45°向下平焊。试验时,每个压力条件下应进 行8个位置的焊接工艺试验,以此模拟管道全位置焊接。3.3焊接参数选择与焊接顺序高压干法 水下焊接时,焊接电流与电弧电压等参数的配置与陆上焊接有所不同。由于焊接环境压力增大,要 维持恒定的焊接操作弧长,电弧电压将提高。在熔透焊接时要使焊接热输入一定,必然要相应减小 焊接电流。图5为位置A打底焊时平均焊接电流随环境压力的变化趋势,由图可看出,在弧长(4 .5mm)一定的情况下,焊接电流与环境压力成线性关系,随着环境压力的增大,焊接电流减小 。图6为位置A打底焊时氩气流量随环境压力的变化趋势,由图6可看出,随着环境压力的增大, 氩气流量必须加大,二者呈线性关系。图7为位置E打底焊时平均焊接电流随环境压HGFEDC BA图4试板焊接位置图5位置A打底焊时平均焊接电流随环境压力的变化129.5126.0 122.5119.0115.50.10.20.30.40.50.60.7平均焊接电流A /环境压力/MPa图2坡口形状示意图图3试板装配示意图60°31力的变化趋势。在弧长( 4.5mm)一定的情况下,焊接电流随着环境压力的增大而减小,但不是线性关系。氩气流量随 环境压力的变化和位置A是一样的。其他几个位置的焊接电流、氩气流量与环境压力也存在类似的 规律。高压环境下TIG焊接最重要的是第1道焊缝,因要保证单面焊双面成形,所以采用脉冲焊 接电流,既能保证背面熔透,又能防止烧穿。H,G位置焊接时,位于钨极前方的铁液向下流淌, 此时峰值电流应比平焊时稍大,以利于电弧吹开铁液,熔化其下方的钝边部分母材,且电弧电压适 中。D,E,F位置焊接时,由于重力作用,送丝速度应比平、立焊时小些,电弧电压应低一些, 以利熔滴过渡。B,C位置焊接49423528210.10.20.30.40.50.60 .7环境压力/MPa氩气流量-1·/nL(mi)图6位置A打底焊时氩气流量随环境压力的 变化图7位置E打底焊时平均焊接电流随环境压力的变化0.10.20.30.40.50.6 0.7环境压力/MPa125123121119117平均焊接电流A/时,熔化的铁液向下 流淌,位于钨极后方,钝边直接暴露在电弧之下,为防止烧穿,这2个位置的焊接电流应比其他位 置都小,且送丝速度应加大,以填补电弧熔化钝边后向下流淌的母材金属,此时电弧电压也应比D ,E,F位置处有所提高。A位置处于水平位置,电弧电压、焊接电流均可比H,G位置处稍大一 些,正常送丝即可。综合考虑,虽然各个位置可按需要设定焊接参数,但为了保持焊缝成形的连续 性,使其波纹均匀美观,相邻各位置之间的参数变化不宜过大,这样的参数对以后的管道全位置焊 接有参考价值。每对试板均采用5道焊缝,第1道是打底焊,这是关键焊道,要保证单面焊双面成形,第3道是填充焊,第5道是盖面焊。3.4焊接接头检验焊接接头检验参考美国AWS下属的海洋结构委员会(Committeeon Marine Construction)的水下焊接子委员会(Subcommittee on Underwater Welding)制定的AWS D3.6M:1999标准、API STD1104美国石油协会和相关设备的焊接标准及我国的JB4744—2000。经检验,焊 缝质量均符合使用要求。4结论采用合理的坡口形式,正确选择焊接方法、焊接材料及合理的焊接 参数,实现了环境压力在0.1,0.3,0.5,0.7MPa压力下,对不同位置16Mn试 板焊接,均获得了单面焊双面成形的良好效果,为下一步的管道全位置焊接打下了良好基础。高压环境下16Mn模拟全位置管道焊接工艺@王中辉$北京石油化工学院机械系!北京102617
@蒋力培$北京石油化工学院机械系!北京102617
@焦向东$北京石油化工学院机械系!北京102617
@周灿丰$北京石油化工学院机械系!北京102617
@吕涛$北京石油化工学院机械系!北京102617
@房晓明$海洋石油工程股份有限公司!天津300451
@马洪新$海洋石油工程股份有限公司!天津300451分析了高压环境下管道TIG焊的特点, 在自制的高压模拟试验装置中进行了模拟焊接试验。分别在0.1,0.3,0.5和0.7MP a压力下,选用合理的焊接参数,对不同位置的16Mn试板进行焊接,均获得了单面焊双面成形 的良好效果。高压;;16Mn;;TIG;;全位置;;焊接工艺<1>中国机械工程学会焊接 学会.焊接手册——焊接方法及设备(第2版)
.北京:机械工业出版社,2001.255-265.
<2>NixonJH.Underwater repair technology.BritainCambridge:Woodhead PublishingLtd.,2000.41-43.下TIG焊接最重要的是第1道焊缝,因 要保证单面焊双面成形,所以采用脉冲焊接电流,既能保证背面熔透,又能防止烧穿。H,G位置 焊接时,位于钨极前方的铁液向下流淌,此时峰值电流应比平焊时稍大,以利于电弧吹开铁液,熔 化其下方的钝边部分母材,且电弧电压适中。D,E,F位置焊接时,由于重力作用,送丝速度应 比平、立焊时小些,电弧电压应低一些,以利熔滴过渡。B,C位置焊接49423528210 .10.20.30.40.50.60.7环境压力/MPa氩气流量-1·/nL(mi)图 6位置A打底焊时氩气流量随环境压力的变化图7位置E打底焊时平均焊接电流随环境压力的变化 0.10.20.30.40.50.60.7环境压力/MPa12512312111911 7平均焊接电流A/时,熔化的铁液向下流淌,位于钨极后方,钝边直接暴露在电弧之下,为防止烧穿,这2个位置的焊接电
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