水下焊接技术的现状及发展趋势

摘 要：文中主要介绍了水下焊接面临的问题，包括水下焊接的可见性差，水环境对焊缝的影响，水对焊件冷却速度的影响和焊件连续性的影响等；介绍了常用水下焊接的主要方法，包括高压干法焊接、常压干法焊接和局部干法焊接等；并结合国内外水下焊接的特点、发展现状及发展趋势，对国内的水下焊接技术的进一步发展进行了探讨。

关键词：水下焊接技术；干法焊接；湿法焊接

一、 水下焊接面临的基本问题

水下焊接由于水环境和水下压力的存在，致使其焊接过程与陆地焊接相比存在更大的难度，并且更复杂。

1. 水下焊接的可见性差

在水下，由于水对光线的吸收、反射、折射等作用，致使水中的能见度比空气中差很多；在焊接过程中，焊材燃烧产生的大量保护气体和烟雾也使操作者对焊接过程难以做到精确的把握；此外，在海底有大量海藻和淤泥的情况时，更使焊接过程的可见性降低。因此，在水下焊接过程中，由于水下可见性差，操作者对焊接熔池、焊缝的成型及焊接的弧光很难做到精确把握，致使整个焊接过程基本属于“盲焊”，造成焊缝缺陷较多、焊接接头质量差。

2. 水环境对焊缝的影响

在水下焊接，电弧的高温燃烧极易使焊材周围的水分解，产生大量的氢气和氧气，致使焊缝中的氢含量过高，产生大量裂纹。一般水下焊接焊缝中的氢含量可达30-40 mL/l00 g，最高可达60-70 mL/l00 g，比陆上焊接高几倍。

3. 水对焊件冷却速度的影响

在水下焊接，由于水具有高传导热系数，致使焊件的热影响区和焊缝急速冷却，产生大量的淬硬组织，使工件的韧性变差，寿命降低。

4. 水压的影响

在水下，随着深度的增加，水压会随之增大，致使焊接电弧弧柱变细，焊道变窄，焊缝高度增加，同时导电介质密度增加，从而增加了电离难度，电弧电压随之升高，电弧稳定性降低，飞溅和烟尘也增多。因此，压力增加时对焊接过程的工艺特性、焊缝性能以及焊缝的化学成分等都会产生不利的影响。

5. 焊接的连续性差

由于水下的特殊环境，焊接操作的不便性，焊接过程很难连续操作。

二、 常用水下焊接的分类及特点

1. 湿法焊接及其特点

湿法焊接是指在焊接过程中把工件直接置于水中，水与焊件之间没有任何隔离措施。焊接的熔滴过渡和焊缝的结晶直接在水中完成。电弧仅仅依靠焊材在燃烧过程中产生的气体及水汽化产生的气泡进行保护。

湿法焊接的优点是设备简单，成本低廉，操作灵活，适应I生强；缺点是焊接质量较差，难以得到较好的焊接接头，一般用于一些非关键性的构件，目前，应用的深度不超过100 m.

2. 干法焊接及其特点

干法焊接是指把包括焊接部位的较大范围内的水排开，使操作者能在干的气相环境进行焊接的方法，即操作者在水下一个大型干式气室中焊接。这种方法多用于深水，需要预热或焊后热处理的材料，且结构较重要，或质量要求很高的结构的焊接。根据水下气室中压力的不同，干法焊接又可分为高压干法焊接及常压干法焊接。

2.1 高压干法焊接

高压干法焊接是指焊接过程中，在气室底部通人气压稍大于工作水深压力的气体，把气室内的水从底部开口排除，焊接是在于的气室中进行的。一般采用焊条电弧焊或惰性气体保护电弧焊等方法进行，是当前水下焊接方法中焊接质量最好的方法之一，基本上可达到陆上焊缝的水平，目前最大实用水深为300米。该方法面临的主要问题是：

（1）因为气室受到工程结构形状、尺寸和位置的限制，适应性弱，目前仅用于海底管线等形状简单、规则结构的焊接。

（2）必须配有一套生命维持、湿度调节、监控、照明、安全保障、通信联络等系统，辅助工作时间长，水面支持队伍庞大，施工成本较高。例如：美国TDS公司的一套可焊接直径813mm管线的焊接装置（MOD一1）价值高达200万美元。

（3）同样存在“压力影响”等问题。在深水进行焊接（如几十米到几百米）时，随着电弧周围气体压力的增加，焊接电弧性、冶金特性及焊接工艺特性都要受到不同程度的影响。因此，要认真研究气体压力对焊接过程的影响，才能获得优质的焊缝。

高压干法焊接能消除水对焊接过程的影响，但装备复杂，施工费用较高，对水深压力的影响无法完全排除，且适用的接头形式有限，一般用于管线接头的焊接。

2.2 常压干法焊接

常压干法焊接是指在深水下，操作者仍然在与陆地环境相当的气相环境中焊接，这种方法排除了水深的影响。

常压干法焊接的最大优点是可以有效地 肖除水对焊接质量的影响，焊接条件几乎和陆地一样，焊接质量达到最好，但焊接设备复杂，提供保障的人员更多、施工的费用更高，比高压干焊法更复杂，且焊接接头的形式也有局限I生，一般只能用于管线接头的焊接。

3. 局部干法水下焊接及其特点

局部干法水下焊接技术是利用气体使焊接局部区域的水排开，形成局部干的气室进行焊接。该法既具有湿法焊接简单灵活的优点，又能像于法焊接那样获得优质的焊缝，它有效降低了水对焊缝的影响，从而提高了焊缝的质量，是一种比较先进的水下焊接方法。小型局部干法设备简单并易于进行自动及半自动焊接，是当前水下焊接研究的重点。

局部干法焊接种类较多，较典型的有日本的水帘式及钢刷式焊接法，美国和英国的干点式及气罩式焊接法，此外还有法国的旋罩式焊接法。

4. 可移动气室式水下焊接

可移动气室式水下焊接有1个可以移动的一段开口的气室，通入的气体既是排水气体又是保护气体，用气体将气室内的水排出，气室内呈气相，电弧在其中燃烧。焊接时，将气室开口端与被焊部位接触，在开口端装有半透密封垫与焊枪柔性密封，焊枪从侧面伸人气室，排水气体将水排出后，便可借助气室中的照明灯看清坡口位置，而后引弧焊接，焊一段移动一段气室，直至焊完整条焊缝。该法可进行全位置焊接。

该法的优点是气室内的气相区较稳定，电弧较稳定，焊接质量较好，接头强度不低于母材，面弯和背弯均180度，焊缝无加渣、气孔、咬肉等缺陷，焊接区硬度也较低。焊接接头性能满足美国石油学会规程的要求，并在最大水深30～40米中应用。但这种水下焊接法也存在一些不足之处：不能很好地降低焊接烟雾的影响；气室与潜水面罩之间仍有一层水，在清水中对可见度影响不大，但在浑水中可见度问题仍未解决；焊枪与气室是柔性连接，焊一段停一段，移动一次气室，焊缝不连续，焊道接头易产生缺陷。

综上所述，合理采用局部排水措施可有效解决水下焊接的主要问题，从而提高电弧的稳定性，改善焊缝成形，减少焊接缺陷，在水深不超过40 m的情况下，可以获得性能良好的焊接接头，局部干法水下焊接是很有前途的水下焊接方法。但是，目前提出的几种小型局部干法水下焊接方法，除了干点式已初步在实际中应用外，其他尚处于试验阶段。

三、 水下焊接的应用和发展

湿法焊接的发展主要是焊接材料的发展。目前，湿法焊接焊条主要有钛钙型和铁粉钛型。其中较典型的焊条有英国Hydroweld公司开发Hydroweld FS水下焊条，美国水下专利焊条7018‘S，德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡过程的影响和保护机理研制开发了双层自保护药芯焊条。此外，英国TwI与乌克兰巴顿研究所合作完成了一套水下湿法药芯焊丝焊接送丝机构、控制系统及焊接工艺。近年来，美国、英国、德国和日本均开展了相关的研究工作，开发的不锈钢及镍基合金药芯焊丝，改善了湿法水下焊接的性能，这种焊丝可在水深6米以内成功地用于不锈钢或镍基合金结构的湿法水下焊接及表面堆焊。

高压干法焊接由美国在1954年首先提出，1966年开始生产，目前最大实用水深为300米.目前，国外用于水下维修作业的高压干法焊接，多采用高压轨道TIG焊系统进行，如PRS系统（由挪威的Statoil公司组织开发）和OTFO系统（由英国开发）。

在国内，水下焊接技术也一直受到重视和应用。早在20世纪50年代，水下湿法焊条电弧焊已得到应用。20世纪70年代，由华南理工大学开发的D型湿法深水用焊条具有与美国生产的湿法焊条（E6013）相近的良好焊接工艺性能。20世纪70年代后期，哈尔滨焊接研究所等开发了LD—C02焊接法，属于局部焊接法。目前，北京石油化工学院已设计并建立了国内第一个高压焊接实验室，设有高压焊接试验舱，可以进行不同压力等级的焊接试验和研究。随后开始按年度计划进行高压焊接工艺实验和工艺评定。同期，清华大学进行了水下局部干法激光焊接的实验研究。

参考文献

[1] 唐德渝.海洋石油工程水下焊接技术的现状及发展趋势.现代焊接，2009（4）：1-5.

[2] 朱加雷，焦向东，蒋力培.水下焊接技术的研究与应用现状.焊接技术，2009（8）：4-7.