海底管道维修是一项技术含量高、专业面涉及广、施工现场操作复杂、投入高和风险大的海洋工程。 国外从上世纪60年代开始研究海底管道维修技术,70年代开始向深水发展。目前,水下湿式维 修技术已经成熟,水下干式维修技术已经达到水深300多米的作业水平。从焊接冶金和保证焊接 质量的角度看,水下干式焊接是最为有利的,因常压干式焊接成本太高,所以,近年来水下高压干 式焊接取得了进一步的发展。水下高压干式焊接所用的焊接方法有SMAW,TIG和MIG,从 操作性和焊接质量考虑,应该首选水下干式TIG焊。高压干式焊接与常规焊接相比,是具有重大 差别的严酷条件下的焊接,焊接水深或环境压力对焊接电弧的影响不容忽视。高压环境下对电弧行 为的研究是了解高压干式焊接过程的特点、开发相应的焊接材料和获得良好焊接接头的关键。水下 高压干式焊接时,焊接电弧主要受环境压力的影响。水深每增加10m相当于增加1.01×10 5Pa。可以设想,随着压力增加,单位体积的分子数量增加,这就足以改变电弧的结构。环境压 力对焊接电弧的作用已进行了广泛的研究,这些研究工作主要在模拟压力舱中进行。结果表明,高 压环境中的焊接电弧在电弧稳定性、电弧形态及电弧特性等诸方面均与常压焊接时的电弧有所不同 。1电弧形态气体压力的升高,使电弧的形状发生了变化。高莹波等对不同气压下的氩弧和氦弧形 态进行研究1。结果表明,随着气体压力的升高,电弧逐渐收缩,由常压下的钟状变为高气压下的 柱状。电弧的亮度也随气压的升高而增强,尤其是氦弧,这种现象更为明显。这种变化在0.1～ 0.6MPa较为显著。日本学者对高压MIG焊电弧形态进行了研究。试验在一个特制的压力容 器中进行,低碳钢焊丝直径1.6mm,工件是低碳钢(SS41)板,直流反极性焊接,电弧长 度与焊丝的伸出长度保持不变,用望远镜监视电弧。结果显示,MIG焊熔化极出现喷射过渡的外 观。随着压力的增加,弧柱变小而弧光强烈地增加,在电极端的弧根也是集中到顶端处,使焊丝端 成为钝角。SugaY在模拟压力舱中对GTAW焊接电弧进行了观测2。电弧在钨阴极和铜阳极 间燃烧,氩气环境中弧长3mm,氦气环境中弧长2mm,焊接电流100A。结果表明,在0. 1MPa的环境压力下,电弧的亮度低,弧柱直径大,阴极斑点均匀分布在电极尖端较宽的范围; 在1MPa的环境压力下,弧柱直径减小,亮度增加,阴极斑点向电极尖端集中。因而在高压焊接 环境下,由于阴极斑点电流密度的增加使电极尖端剧烈加热,导致电极尖端冲蚀磨损加剧。图1给 出了环境压力对电弧直径d以及中径dn的影响(电弧中径dn对应电流密度峰值减半的部位)。 显然,环境高压对电弧产生了明显压缩作用。在氩气环境下,当环境压力从0.1MPa增加到5 .1MPa时,d由6mm降到4.5mm,dn由2.1mm降到0.6mm。2电弧稳定性由 于电弧电压是弧柱能量平衡的标志,GTAW焊接电弧的稳定性可由电压信号的噪声反映出来。随 着环境压力的增加,电压信号噪声水平明显增大,主要原因与弧柱气流从稳流向湍流的转变有关。 因保护气体流速的不同,稳流向湍流的转变发生在环境压力为0.3～0.5MPa的条件下。G TAW湍流电弧引起弧柱等离子状态的随机改变,导致工件表面阳极斑点不规则的运动,使焊缝成 形恶化。尽管如此,在较大的环境压力变化范围内,GTAW仍有足够的电弧稳定性。目前GTA W通常图1环境压力对电弧直径的影响ddnddn123456543210环境压力/MPa 直径d/mm可用的水深范围在360m以内。哈尔滨焊接研究所在试验舱中对TIG焊的电弧稳 定性进行了研究。为了定量地描述电弧稳定性,定义单位时间内电弧长度的变化量为电弧燃烧不稳 定度(S),记为:S=ni=1∑△laita=f×△UaE,(1)式中:f为电弧电压波 动频率,即单位时间内电弧电压的波动次数;△Ua为电弧电压平均波动幅值;E为弧柱的电场强 度。通过焊接过程中记录的Ua(t)曲线,计算得出S。结果表明,高压下的电弧稳定性比常压 下的差;在高压下,氦弧的稳定性比氩弧差。3电弧电压特性SchmidtHP等在专用的试验 装置中对氩弧特性进行了研究。焊接电流为100A,电弧长度为3mm和5mm,测出环境压力 对电弧电压的影响规律,见图23。由图可见,电弧电压是随弧长以及环境压力的增加而增加。J HNixon介绍了图3的试验结果4,也给出了描述电弧电压和环境压力近似的关系式:U=9 +El10P√,(2)式中:P为环境的绝对压力,MPa;U为电弧电压,V;l为电弧长度 ,mm;E为1.01×105Pa时的电场强度,在氩气和氦气条件下分别约为0.8V/mm 和1.8V/mm。弧压除了与压力有关外,还与气体种类有关。对于混合气体,电场强度是与气 体成分成比例的,例如,φ(Ar)75%+φ(He)25%混合气体的电场强度是:E=0. 75×0.8+0.25×1.8=0.6+0.45=1.05V/mm。MIG焊也存在同样 的规律,即随着焊接环境压力的增加,电弧电压升高。图4是熔化极氩弧焊的试验结果,低碳钢焊 丝直径1.6mm,工件是低碳钢(SS41)板,直流反极性焊接,在焊接过程中保持电弧长度 和焊丝伸出长度不变。4电弧电流密度分布研究表明,环境压力对电弧电流密度也有重要影响2。 采用GTAW焊接方法,研究了Cu阳极表面的电流密度分布。测量采用表面探针法,测量结果显 示:不论是氩弧还是氦弧,对于100A的焊接电流,在0.1MPa的环境压力下,电流密度的 径向分布均较为平缓;但随着环境压力的增加,电弧中心的电流密度显著增加,所以高压电弧中心 的温度也将提高,电弧也更明亮,这是由于在高压下电弧受热收缩作用造成的。5电弧温度HPS chmidt等对高压环境下的电弧进行了理论及试验的研究3,建立了专门的试验装置,在不同 压力下对氩弧温度进行了测量,同时,也进行了理论计算。研究结果见表1。由表1可知,随着环 境压力的增加,电弧温度下降,从0.1MPa升到1.0MPa,温度下降明显,而压力从1. 0MPa升到10MPa时,温度下降不太明显。6电弧热效率电弧热效率是传递给工件的热量与 电弧功率的比值。图5为压力对TIG焊电弧热效率的影响,陆地常压TIG焊电弧热效率90% ,而60m水深电弧热效率仅为70%,但80m水深电弧热效率为75%,之后,压力再增加, 电弧热效率不变4。7结论(1)随环境压力的增加,电弧中心的最大电流密度增加,图4环境压 力对电弧电压的影响电弧电压/V60402000.20.40.60.8I=350A,喷射 过渡I=240A,滴状过渡压力/MPa压力P/MPa0.11.05.010温度计算值T /K18500158001549015410温度测量值T/K20000～2400015 840±40015800±40015200±400表1电弧温度(计算最大值和测量值)与 压力的关系(100A,弧长3mm)图5压力对TIG焊电弧热效率的影响电弧热效率(%)1 0080604000.511.52压力/MPa图3环境压力及保护气体成分对TIG焊电弧 电压的影响氦气1MPa氩气1MPa氦气0.1MPa氩气0.1MPa510电弧长度/mm 403020100电弧电压/V6050403020100012345678910压力/ MPa电弧电压/V图2环境压力对电弧电压特性的影响弧长5mmE=9160V/mE=81 60V/m弧长3mm电弧也更明亮;阴极压降与阳极压降之和几乎不受环境压力的影响,弧柱压 降的变化与环境压力的平方根成正比。电弧稳定性随着环境压力的增加而下降。(2)焊接电弧直 接影响焊缝成形和接头质量,研究电弧行为非常重要,但目前有关高压电弧的研究理论只是初步的 ,还不十分完整,因此,要系统地研究高压环境下电弧的物理特征。环境参数特别是压力对电弧行 为的影响,包括压力对电弧引燃性能的影响、对电弧电压和电弧形状的影响、对电弧温度和熔敷效 率的影响、对电弧稳定性的影响以及压力对焊缝熔透和成形的影响等。(3)研究电弧行为和稳定性的控制规律和基于现代控制理论的控制方法,实现高效自动化焊接生产。水下高压干式焊接电弧的研究现状@王中辉$北京航空航天大学机械工程学院!北京100083北京石油化工学院机械工程系,北京102617
@蒋力培$北京石油化工学院机械工程系!北京102617
@焦向东$北京石油化工学院机械工程系!北京102617水下高压干式焊接;;电弧;;环境压 力主要研究了环境压力对焊接电弧形态、稳定性、电弧电压特性、电弧电流密度、电弧温度、电弧 热效率的影响及变化规律。试验是在焊接模拟压力舱中进行的。研究表明,随着环境压力的增加, 弧柱压降及电流密度均增加,电弧也更明亮;电弧稳定性随着环境压力的增加而下降。对高压环境 下焊接电弧的进一步研究提出了建议。<1>高莹波.水下高压干法旋流式双层气流保护TIG焊研究A.第六次全国焊接学术会议论文集C.北京:机械工业出版社,1990.6-300-304.
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