水下焊接排水罩设计

本试验在水箱中进行，试验水深为150mm，焊接电源为林肯CV500-1直流焊机，极性为正接。焊接试验为平板堆焊和V形坡口对接焊，试板为Q235钢，焊丝采用TWE-71及SQJ501气保护药芯焊丝（φ1．2mm），它们都相当于AWS A5．20标准型号E71T-1。考虑到水下焊接施工时的方便，试验时不外加CO2保护气体，分别进行水下湿法和水下微型排水罩两种焊接方法的试验。焊接工艺参数如表3-7所示，在焊接过程中，采用TSD-340A记忆示波器记录电弧电压和流，用甘油法测定焊接接头的扩散氢含量，对焊缝金属进行化学成分分析、金相分析，对焊接接头进行硬度和机械性能测试。

表3-7　焊接工艺参数

（1）药芯焊丝微型排水罩水下焊接实施过程

水下湿法焊接电弧是在电弧气泡中燃烧的电弧在水下的金属和熔化极之间引燃后，由电弧放射出的炽热气体、过热水蒸气和水分解的氢气、氧气以及其他气体的混合物，将电弧与水隔开，这是水下焊接过程区别陆上焊接过程的主要现象之一。电弧气泡开始只是形成一个小气泡，然后逐渐长大，直至最后破裂，离开电弧区域向水面上浮，这样周而复始。但是在这一过程中，气泡只是部分破裂上浮，留下一个直径为6～9mm的核心气泡。湿法焊接时，电弧气泡的周期破裂干扰了电弧气泡的稳定性，严重影响了焊接质量。药芯焊丝微型排水罩水下焊接就是从实用经济的角度进行开发，完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开水而形成一个稳定的局部无水区域，使得电弧能在其中稳定燃烧。因此微型排水罩的尺寸和结构决定了焊接过程中无水区（局部排水区）的大小和稳定程度，它的设计是该法焊接成功与否的关键。通过反复试验，最后采用的微型排水罩的结构如图3-19所示。微型排水罩底部的密封垫是涂有防火涂料的高分子材料，可以耐400℃高温。高分子材料的柔韧较好，可以和工件紧密接触，以取得良好的密封效果，并使密封垫起到气体可以溢出、水不容易进来的“单向阀”作用。密封垫、微型排水罩和焊接试板共同构成的空间（即图3-19中的B、C）形成无水区，其大小直接决定了电弧气泡和电弧的稳定程度，并最终影响到焊接接头冷却速度、微观组织和焊缝性能。无水区越小，焊接时空腔内的由药芯焊丝本身产生的气体气压越高，排水效果越好；当排水罩内腔体积大到一定程度时，仅靠药芯焊丝产生的气体排不干净罩内的水，罩内水的分解量增加，导致焊缝产生气孔。兼顾保护效果和操作方便以及对熔池和热影响区的缓冷，本试验最后确定微型排水罩空腔体积为14．76cm3，用于缓冷焊缝的后拖尺寸T为25mm。

1—焊枪；2—绝缘套；3—连接套；4—微型罩；5—密封垫；6—试板

图3-19　微型排水罩结构示意图

（2）电流电压波形检测与分析

由示波器中取出的焊接过程电流电压波形图如图3-20所示。从波形图可以看出，两种焊接方法的熔滴过渡形式均为短路过渡。（a）所示的水下湿法焊接波形图中，短路电在5V左右波动，燃弧电压则在30V左右，电流波形的最大特点是数值有时为0，这意味着会出现断弧现象。（b）为加入微型排水罩时的波形图，电流电压波形呈周期性变化，短路电压保持在10V左右，燃弧电压同样稳定在30V左右，维弧电流保持在120A左右，显示出了微型排水罩法水下焊接稳定的短路过渡过程。运用统计分析的方法可以得出电极区压降、短路峰值电流、短路时间、短路过渡频率以及短路时间和熄弧时间等短路过渡特性参数，如表3-8所示。在湿法水下焊接中，电弧同时受到水和电弧气泡内高氢高氧气氛的压缩和冷却，致使电弧产生收缩作用，从而增大了弧柱电流密度和电弧温度，增加了弧柱区的电场强度。通常人们认为水下焊接的电压增高只与弧柱区的电场强度增加有关。我们注意到水下湿法焊接电极区压降达到20．4V，远远高于陆上焊接12V左右的数值，由此可见水下焊接的特殊环境同时改变了电弧电极区域的工作机理。其中阳极区压降变化较小，其压降变化的主要原因是药芯焊丝水下焊接电弧弧柱温度达到9 000K，弧柱和阳极之间的温度差升高，而影响阴极压降的原因就更为复杂，包括氛围气体、弧柱和电极电子发射等，从湿法与微型排水罩法电极区压降的差异来看，氛围气体的变化是最主要的原因。由于水下湿法焊接电弧区域直接和水接触，而排水罩中的电弧相应地处于一个稳定的电弧气泡中，因此水下湿法焊接电弧收缩，促使熔滴过渡的电磁力更大，使得湿法焊接的短路时间比微型排水罩法的短，其短路频率相应高于微型排水罩法。水下的高电流密度还显著地造成了水下焊接平均短路峰值电流的增加，比陆上方法焊接的峰值电流高出100A以上，而且微型排水罩法平均短路峰值电流比湿法的高，主要原因是其焊接过程稳定，电流波形范围小，短路时间长；同时由于该焊接方法中，焊接电弧比较少地受到水的冷却，引起电弧温度较湿法高一些，因此短路电流显示出高的特性，而湿法焊接测试范围内的最大短路峰值电流达到592A，高于平均短路峰值电流将近1倍，显示了该方法焊接过程中电弧剧烈的波动性。压缩的电弧和增高的电流密度还将导致以下现象的发生：阴极斑点和阳极斑点受到压缩，电弧温度将达到更高，使得更多的电极金属被蒸发和烧损；增加的能量密度将影响到焊缝形状的改变，特别是熔深，对于电弧下面的熔池中熔敷金属液体的表面张力和流动性能也产生影响；大量的气体被吸附于熔池金属，特别是造成Si、Mn等元素的烧损以及含碳量的上升。焊接工艺性能焊接过程表明，对比两种焊接方法，工艺性能较不稳定的为水下湿法焊接，主要表现为电弧漂移，飞溅较多且颗粒大，并有成段焊丝爆断现象，在焊缝区域留下大量飞溅和短节焊丝，微型排水罩中的焊缝表现为较光滑。计算表明，水下湿法达到91．9kA／s时，微型排水罩法的则只有49．8kA／s。但是湿法焊接中成段焊丝的爆断显示出短路电流上升速度过小的现象，这同样证实了该焊接过程的不稳定性。在焊接过程中，还发现在水下湿法焊接焊缝周围存在大量的细颗粒金属粉末，分析认为，这是由于电弧空间温度较高，形成了大量的金属蒸气，蒸气在电弧空间紊流的作用下被卷入电弧区域外围部分，迅速被水冷却凝固，沉落于焊缝周围。金属蒸气以及大量气泡的出现，浑浊了焊接区域，对焊工或者监视系统的可视性产生了严重的干扰。湿法和微型排水罩法水下焊接焊缝的熔宽和余高分别为10 mm、4．7mm和7．5mm、4．5mm。水下焊接特别是湿法焊接出现了狭窄而余高高的焊缝，增加了未熔透的可能性，同时在进行多道焊时增加了清理焊缝的工序。湿法焊缝还出现了大量的咬边现象，微型排水罩法则很少出现这种情形，这是因为湿法焊缝保护气穴不稳定，气流和水流对熔池区域产生冲击作用，影响了焊缝成型。而微型排水罩法形成了稳定的气穴，产生了良好的保护作用。

图3-20　不同焊接方法电流电压波形图

表3-8　短路过渡过程电弧区域参数表

（3）焊接接头成分、组织及硬度分析

对两种焊接方法的焊缝熔敷金属进行化学成分分析，为便于比较，列出了陆上焊接接头的化学成分数据，结果列于表3-9，证实了由于电弧压缩和氧化性气氛的影响，药芯加热阶段就发生了先期脱氧，在熔滴反应阶段，发生了强烈的氧化反应，造成了焊丝中Mn、Si等金属元素的严重烧损。药芯焊丝在熔池阶段进行的焊接化学冶金反应也是十分激烈的，但由于水下焊接的冷却速度远远高于陆上，熔渣向熔池过渡金属的时间很短，造成合金元素的残留氧化损失变大。所以水下焊接焊缝中Mn和Si的含量比空气中焊接时要低，而C与O的亲和力较前面两种元素要低，因此C的含量增加，同时由于微型排水罩法中燃弧时间比率为84．6%，在一个短路周期中，熔滴在电弧气泡中的长大时间为28ms，因此其合金元素的烧损要比水下湿法的严重得多，而且Mn具有比Si更低的沸点，饱和蒸气压大，焊接过程中蒸发损失大，由于微型排水罩法的熔滴温度和电弧空间温度较湿法水下焊接的大，因此显示Mn的成分比Si的成分减少得更厉害。焊接接头的金相分析表明，湿法焊缝组织为先共铁素体、珠光体和贝氏体，热影响组织为先共析铁素体、贝氏体和马氏体，粗晶区晶粒细小。微型排水罩法焊缝组织为状铁素体和珠光体，热影响区组织为先共析铁素体和贝氏体，同样，组织的差异主要归咎于输入与冷却速度的不同。硬度测试表明（表3-10），微型排水罩法的焊接接头硬度要低于湿法焊接接头硬度，而且其最高硬度出现在熔合线附近，显示出与陆上焊接相似的特性，而湿法焊接最高硬度出现在焊缝中。该结果证实了微型排水罩对焊缝的保护作用，但是，总体而言焊接接头的硬度比母材要高，这与水下焊接过程中熔池受到水的急剧冷却有关。

表3-9　焊缝金属化学成分

表3-10　焊接接头硬度分布（载荷10kg）

（4）焊接接头机械性能及扩散氢含量

表3-11分别列出了湿法水下焊接与微型排水罩法V形坡口对接接头的机械性能。可以看出，采用微型排水罩法焊接得到的接头性能要明显好于水下湿法焊接的接头性能，特别是其塑性指标。对照美国API 1104和ASME IX标准，也可看到微型排水罩法的机械性能指标完全达到标准的要求。而熔敷金属扩散氢含量的测试表明，微型排水罩法的扩散氢含量远远低于湿法焊接的测量值，该值接近于陆上焊接的水平，但是，由于有水蒸气和潮湿气氛的影响，无法完全避免焊缝金属的增氢。

表3-11　水下焊接对接接头机械性能及扩散氢含量

（5）结论

①在本试验条件下，药芯焊丝水下湿法焊接有断弧现象出现。

②水下焊接电弧的收缩特性与电弧气泡氛围影响到水下焊接短路过渡过程，使得其平均短路峰值电流增高，电极区压降增大。

③通过采用自行研制的药芯焊丝微型排水罩，使得水下焊接短路过渡过程稳定，焊接工艺性能好，能取得较好的焊缝，显示了较好的应用前景，为今后实现水下焊接的自动化奠定了试验基础。