收稿日期: 2008- 02-26
* 国家 863 计划 项目, 项目号: 2006 A A09Z329;
国防科工委项目, 项目号: 5K 201;
北京石油化工学院青年科研基金项目, 项目号: N 07-18。
2008 年 6 月 Journal of Beijing Inst it ut e o f
P etro- chemical T echnolo gy Jun. 2008
局部干法自动水下焊接试验研究
*朱加雷
1焦向东
1蒋力培
1沈秋平
2周灿丰
1余 燕
2( 1 北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室, 北京 102617;
2 上海核工程研究设计院, 上海 200233)
摘 要 介绍了核电厂检修局 部干法全自动水 下焊接 模拟试验 系统, 并进 行了排 水罩的排 水试验和局部干法自动 水下焊接试验。针对空气中的半自动焊接试验, 研究了保护气 体、送 丝速度以及 电焊机设置弧长等参数 的变化对焊接过程的影响。试验结 果表明: 自动 水下焊 接试验 系统弥 补了现有 局部干法水下焊接的不 足, 基本上能够满足试验要求; 排水 罩的密 封排水 效果理想 ; 局 部干法 自动水下 焊接的焊缝成形良好, 质量明显优于湿法水下焊接; 在空气中的半自 动焊接试 验中, 保护气体中 CO2的 含量、焊接电源设置的弧长以及送丝速度等参数对焊接过程均有影响。
关 键 词 局部干法水 下焊接; 微型排水罩; 自动焊接 中图法分类号 T G456 5
随着海洋石油和天然气工业以及核电工业 的发展, 大量的海底管道施工工程以及核电站 堆内结构的修复工作对水下焊接技术提出了新 的要求。常用的水下焊 接方法有湿 法水下焊 接、局部干 法水下焊接和干 法水下焊 接三类。
湿法水下焊接设备简单, 灵活方便, 造价低, 但 接头质量较差, 而干法水下焊接虽然焊接接头 质量好, 但造价高, 适用范围窄。而通常的局部 干法水下 焊接是潜水焊工和工件直接处在水 中, 采用特殊构造的排水罩罩在待焊部位, 用空 气或保护气体将罩内的水排除, 形成一个局部 气相空间而进行焊接。这种局部干法水下焊接 方式与湿法水下焊接相比, 焊接部位局部区域 排除了水的干扰, 改善了焊接接头质量; 与干法 水下焊接相比, 不需要大型而造价昂贵的焊接
舱[ 1- 3]。虽然局部干法水下焊接方法综合了湿
法水下焊接和干法水下焊接两者的优点, 是一 种相对比较先进的水下焊接方法, 但也存在一 些不足之处[ 4]: ( 1) 焊接区域未能很好地排除焊
接烟雾的影响; ( 2) 气室与焊工的潜水面罩之间 有一层水, 对焊接 区域的可见度 有较大影 响;
( 3) 焊枪与气室是柔性连接, 焊一段, 停一次弧, 移动一次气室。焊缝不连续, 焊道接头处易产 生缺陷; ( 4) 在一些焊工无法进入的特殊工作场 合, 比如核反应堆内部设备的焊接, 此种焊接方 法还无法进行。为此, 北京石油化工学院光机 电装备技术北京市重点实验室的海洋工程连接 技术研究中心与上海核工程研究设计院以 核 电厂检修水下焊接实验系统与原理样机 项目 为依托, 共同研制了一套核电厂水下焊接实验 系统, 用于核电厂的水下检修工作[ 5]。经试验 验证, 该实验系统可以实现局部干法自动水下 焊接。
1 试验装置、 材料与方法
试验在一个水下焊接试验系统中进行, 该 试验系统由水下焊接试验舱、焊接电源、液压驱 动自动焊接平台、排水罩、试验环境系统、水下 焊接试验摄像系统六个部分组成, 能够实现水 下微型排水罩式脉冲 M IG 全自动焊接。水下 焊接试验舱为立式快开结构压力容器, 最大作 业水深为 15 m , 设计最高工作压力 0 3 M P a。
焊接 电源 为 Kemppi PRO 4200 Evolution 焊 机, 选用配套的 Pr oMIG 501 送丝机, 并根据实 际工作需要, 将电焊机与送丝机分离, 焊接电源 放在试验舱外部, 送丝机置于试验舱舱内。液 压驱动自动焊接平台包括升降油缸和焊接平台 两个部分, 升降油缸将焊接平台抬升到适当高 度后, 焊接平台可以在油缸的驱动下通过手控 盒控制完成行走、摆动、跟踪和小幅 度高度调 节。排水罩是局部干法水下焊接的重要设备, 是局部干法水下焊接能否成功的关键所在, 它 的尺寸、结构以及密封是设计中要考虑的主要 问题[ 6], 排水罩内径大小直接决定焊接时无水 区的大小, 而无水区是影响焊接接头冷却速度、
组织和性能的重要因素[ 7-8 ]。为了适应全自动 水下焊接, 自行设计制造了局部干式自动焊接 排水罩。试验环境系统包括舱内注水、排水, 舱 内加压、卸压, 以及排水罩和焊枪的供气, 所有 这些系统的控制均由 P L C 通过控制水路、气路 的阀门以及水泵的启停来实现。舱内加压所需 压缩空气由专门的空气压缩机提供。水下焊接 摄像系统共包括 3 套子系统, 分别为舱内水面 场景摄像系统、焊接摄像系统、舱内水下场景摄 像系统。其中舱内水面场景摄像系统位于水面 之上, 用于对整个舱内的水面以上的设备进行 监视, 焊接摄像系统位于排水罩的上端, 通过法 兰与排水罩连接在一起, 用于对排水罩内部情 况包括焊接过程中的电弧、熔池等进行监控, 舱 内水下场景摄像系统位于水面以下、液压升降 台底盘以上, 可以对舱内水下部分设备进行实 时监控。整套摄像系统由控制箱、监视器、摄像 头组成, 摄像头采用独特的内置照明, 具有亮度 高、发热低的特点。控制箱和监视器位于舱外, 采用了集控制、录像、监视、配音、深度显示、时 间区域字符叠加于一体的多功能控制台, 从而 实现了对 舱内整套设备以及焊接过程的整体 监控。
试验以厚度为 10 mm 的 16M n 钢板作为 焊接试验用母材, 采用平板堆焊的焊接方式, 选 用锦州锦泰金属工业有限公司生产的 1 2 m m 的气保护焊丝, 以纯 Ar 或者 A r+ CO2 作为焊 接保护气, 分别进行了排水罩的密封排水试验 和空气中的半自动焊接试验, 并以此为基础, 开 展了局部干法自动水下焊接试验, 其中在空气 中的半自动焊接过程中, 主要研究了保护气体、
送丝速度以及电焊机设置弧长等参数的变化对 焊接过程的影响。
焊接过程中, 排水罩固定不动, 自动焊接平 台可以在液压驱动下完成三维方向上的运动。
除可以完成 直线 形焊 接, 还可以 实现 弓字 形 、之字形 、点之 等摆动方式焊接; 焊接速 度、摆动幅度及其左右停留时间可根据工况要 求实时调节; 完全能够满足水下自动焊接试验 的需要。
2 试验结果与分析
2 1 排水罩密封排水试验
为了确定达到理想排水效果时所需的排水 气体流量, 同时了解用作密封垫的海绵密度的 不同对排水效果的影响, 进行了一系列的排水 实验。试验时, 自排水罩底端到水面的距离为 150 mm, 排水 罩相 对工件 的移 动速 度为 1 8 m/ min, 分别采用密度为 40 D 和 60 D 的海绵 进行试验, 排水气体流量对排水效果的影响如 图 1 所示, 图中以罩内中心残留的水珠直径来 表征排水效果。
图 1 排水气体流量对排水效果的影响
从图 1 可以看出 在同样大 小的气体 流量 下, 以同样的速度移动排水罩, 其排水效果随着 海绵密度的增大而提高。这是因为海绵密度增 加, 海绵的吸水能力增强, 挺度增大, 这样有利 于罩体的密封, 并且密度大的海绵在移动过程 中还可以吸收更多的残留在海绵周围的水分, 因此在较小的排水气体流量下, 可以获得较好 的排水效果。一般情况下, 同样的排水效果, 60 D 海 绵 需 要 的 气 流 比 40 D 海 绵 可 以 少 2 5 L / min。
排水罩的移动速度对排水效果的影响如图 2 所示, 从 图 2 中可以 看出, 同样 的气体 流量 下, 排水罩的移动速度越小, 排水效果越好, 这
种规律对于 40 D 的海绵来说尤为明显。
图 2 排水罩移动速度对排水效果的影响
因此, 如果单纯考虑排水罩的排水效果, 同 样的密封海绵在相对较高的气体流量和相对较 低的移动速度下能够获得较好的排水效果。
2 2 空气中半自动焊接试验
试验主要确定在脉冲 M IG 焊接方式下, 保 护气体中各组分含量、焊机设置的弧长以及送 丝速度等参数的变化对焊接过程的影响。通过 焊接录 像 截图 分 析 焊 接 过程 中 电 弧 的 变化 情况。
图 3 是随着保护气体中 CO2 含量的不同 焊接电弧的图像变化, 从图中可以看出, 随着保 护气中 CO2 含量的降低, 焊接过程中的飞溅也 逐渐减少, 到纯 Ar 气 的时候, 基 本上无飞溅。
随着 CO2 含量的降低, 焊接电弧的强度逐渐增 强, 在 Ar+ 18% CO2 保护气时, 焊接电弧相对 比较柔和, 在纯 Ar 保护气的时候, 电弧强度较
大, 相应的焊接过程中的噪声也增大。Ar 的含 量越高, 焊接电弧的燃烧越稳定, 不易断弧, 维 持电弧正常燃烧所需要的弧长值也越小。
图 3 保护气体中 CO2含量对焊接过程的影响
图 4 所示的 4 幅图片是焊接电弧随焊机设 置的弧长变化而变化的照片, 从图中可以看出, 在其它条件不变的前提下, 随着焊接电源设置 弧长的逐渐减小, 焊接电弧的强度逐渐减弱, 稳 定性也在减弱, 焊接电压逐渐降低, 焊接电弧的 长度也在逐渐缩短, 相应的焊接过程中的噪声 也逐渐降低。设置的弧长越长, 焊接电弧的燃 烧越稳定, 但设置的弧长过长时, 会影响焊缝的 成型, 弧长的选择要随着送丝速度的改变而做 适当的变化。
图 5 是送丝速度 的变化对 焊接过程 的影 响, 从图中可以看出, 随着送丝速度的增加, 焊 接电弧逐渐变长, 强度逐渐增加, 稳定性也在加 强, 焊接电流值也逐渐增大, 相应的焊接过程中 的噪声也逐渐增强。单纯考虑送丝速度对焊接 电弧的影响, 在一定范围内, 送丝速度越大, 焊 接电弧的燃烧越稳定。
图 4 焊机设置的弧长对焊接电弧的影响
图 5 送丝速度对焊接电弧的影响
上面的试验只是考查了单个焊接参数对焊 接过程的影响, 在实际焊接中, 要根据工件的材 料和厚度、焊丝材料和焊丝直径以及焊接方式 等因素, 综合考虑选择合适的焊接工艺。
2 3 水下局部干法自动焊接试验
为了检验液压驱动自动焊接试验平台、水 下摄像系统、焊接电源以及试验环境系统等在 自动焊接中的协调性能, 进一步验证排水罩的
排水焊接效果, 进行了水下环境的自动焊接试 验。试验过程中, 包括焊机的焊接启停、排水气 体和保护气体的启停、液压工作台的移动以及 焊接过程中不同部位的监视切换都是在焊接试 验舱外, 由操作人员通过焊接手控盒、电控柜及 焊接电视系统控制柜来完成。因为目前采用的 焊接保护气体和排水气体都是 Ar, 因此, 在自 动水下焊接试验过程当中, 可以只对排水罩进 行供气, 排水气体同时用作焊接保护气体, 这样 就可以将焊枪前端的陶瓷喷嘴以及保护气嘴卸 掉, 使焊接电视能够更全面清晰的对焊接过程 进行监控。焊接过程中电弧照片如图 6 所示。
图 7 是局部干法自动水下焊接焊缝照片与湿法 水下焊接焊缝照片的对比, 其中湿法焊接焊缝 照片是采用手工焊条电弧焊直接在水里进行焊 接获得的, 没有外加的保护措施, 只是通过焊条 在熔化过程中放出的大量气体来排开焊接电弧 周围的水使焊接过程稳定, 水下电弧气氛中含 氢量高, 水对焊接接头的冷却作用剧烈, 接头更 容易产生 硬脆现象和氢 裂。从图中 可明显看 出, 局部干法水下焊接的焊缝在外观上明显优 于湿法水下焊接, 焊缝宽窄均匀, 形状平坦, 没 有湿法水下焊缝中所带有的明显的焊接气孔和 夹渣等缺陷。从整个焊接过程来看, 排水罩排 水效果良好, 焊接平台运行稳定, 试验环境系统 工作可靠, 焊接电弧燃烧稳定, 焊缝成型较为美 观, 无明显的焊接缺陷, 水下焊接电视系统能够 在焊接过程中对试验舱内不同部位进行监控, 整套局部干法自动水下焊接试验设备能够实现 局部干法自动水下焊接。
图 6 焊接电弧照片
3 结论
( 1) 采用自行设计加工的微型排水罩, 能够
图 7 自动水下 焊接的焊缝照片
取得满意的密封排水效果, 自动水下焊接试验 系统能够满足试验要求。
( 2) 局部干法自动水下焊接的焊缝成形明 显优于湿法水下焊接。
( 3) 保护气体中 CO2 的含量、焊接电源设 置的 弧长 以 及 送 丝速 度 等 对 焊 接过 程 均 有 影响。
( 4) 与以往的局部干法水下焊接方法相比, 实现了全自动化连续焊接, 焊缝成形良好, 水下 焊接电视系统能够实现对 焊接过程的全程监 控。有较好的实际应用前景。
( 5) 试验目前仅对局部干法水下堆焊进行 了研究, 对于坡口焊接的参数还需要进一步的 试验确定, 焊缝的金相组织及力学性能等还有 待于进一步的研究。
参考文献
[ 1] 陈 洋, 单宇翥, 王全增. 水下湿 法焊接技 术在水 下工 程 中 的 应 用 [ J] . 大 坝 与 安 全, 2005 ( 5) : 67- 70.
[ 2] 王中辉, 蒋力培, 齐铂金. 水下管 道焊接技 术研究 现状及发展趋势[ J] . 焊管, 2003, 26( 5) : 6- 10.
[ 3] 杜则裕. 石油管 道及 海洋 结构 的水 下焊 接技 术.
第 四 届 石 油 工 程 焊接 技 术 交 流 研 讨 会 论 文集 [ C] . 天津: [ 出版者不详] , 2007.
[ 4] 俞建荣, 张奕林, 蒋力培. 水下焊 接技术及 其进展 [ J] . 焊接技术, 2001, 30( 4) : 2- 4.
[ 5] 焦向东, 周灿丰, 陈家庆等. 21 世纪海洋工程连接 技术的挑战与对策[ J] . 焊接, 2007, 37( 6) : 75- 80.
[ 6] 王国荣, 易耀勇, 刘世明等. 水下 局部干法 药皮焊 条焊接的研究[ J] . 华南理工 大学学 报( 自 然科学 版) , 1995( 2) : 34- 40.
[ 7] 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, 中国 机械工程学 会焊接 学会. 第九次全 国焊 接会议 论文 集[ C] . 哈尔 滨:
黑龙江人民出版社, 1999: 358- 361.
[ 8] Zhang X D. Effect of shielding co nditions on welds pro per ties in under wat er lo ca-l dry laser welding [ A ] . P resented at the Conference on La-
sers in M ater ial Pr ocessing and M anufacturing [ C ] . Shanghai: SP IE- T he International Society fo r O pt ical Engineering , 2002( 4915) : 97- 106.
Study on Local Dry Automatic Underwater Welding
Zhu Jialei
1Jiao Xiangdong
1Jiang Lipei
1Shen Q iuping
2Zhou Canfeng
1Y u Yan
2( 1. O p to-Mechatr oni c E qui p ment T echnol ogy Beij ing A r ea Maj or L abor ator y , Bei j ing I nsti t ut e of P etr o-chemi cal T echnol og y , Bei j i ng 102617; 2. S hanghai N ucl ear
Engi neeri ng Resear ch & D esig n I nsti tut e, Shanghai 200233)
Abstract T he t est system simulating t he local dry aut omat ic underw ater w elding w hich can be used during a nuclear pow er plant ov er haul w as int roduced. Fo r sem-i aut omat ic w elding exper-i ment in t he air, t he impact of t he param eters, such as t he shielding gas, t he w ir e f eed r at e and t he set t ing arc of w elding machine, on t he w elding pro cess w as studied. T he result s sho w t hat:
aut omat ic underw ater w elding t est sy st em can supply a g ap of ex ist ing local dry underw at er w eld- ing and can m eet the test r equirement s; t he dr ain result s of drain w ater cap is satisfacto ry; t he w elds is bet t er t han w et w elding. During the sem-i aut om atic w elding t est in t he air, the content o f CO2 in t he pro tection g as, t he sett ing arc as w el l as w ire f eed rat e hav e impact on t he welding process.
Key words local dry underw at er w elding; mini draining w at er cover; aut omat ic w elding
