300米水深藥芯焊絲水下焊接冶金及電弧特性的基礎(chǔ)研究

海洋油氣設(shè)施和核電壓力容器、管道等結(jié)構(gòu)物長期負(fù)荷運營后由于腐蝕、撞擊、事故或自然災(zāi)害等原因，易發(fā)生損壞，這些結(jié)構(gòu)物的維修需使用水下焊接技術(shù)。水下焊接過程由于受到水和壓力的影響，焊接電弧不穩(wěn)定，焊縫容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，焊縫成形差，焊接接頭性能顯著低于空氣中焊接。因此，進行水下焊接電弧特性、冶金、工藝及組織性能的研究，具有重要意義。 本項目主要研究內(nèi)容及結(jié)論包括：1）水下藥芯焊絲焊接及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的研發(fā)；該系統(tǒng)可進行水下焊接試驗，調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，并可采集焊接電流、電壓信號及焊接電弧圖像；2）水下焊接電弧特性及水下焊接電源的研究；建立了水下濕法焊接電弧靜特性曲線，提出了一種評價水下焊接電弧穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，建立了優(yōu)化的水下濕法焊接參數(shù)庫和測算電弧穩(wěn)定性的經(jīng)驗公式，在此基礎(chǔ)上分析了各焊接參數(shù)對電弧穩(wěn)定性的敏感度。3）水下焊接焊縫成形的研究。建立了預(yù)測水下濕法焊接焊縫成形的數(shù)學(xué)模型，并進行了敏感度分析，確定了各水下焊接參數(shù)對水下濕法焊縫成形的定量影響；提出了采用余高均衡系數(shù)作為水下焊縫成形質(zhì)量指標(biāo)，建立了水下濕法FCAW成形質(zhì)量響應(yīng)曲面模型，并分析了參數(shù)之間的交互作用對焊縫成形的影響；研究了水下脈沖焊接參數(shù)對焊縫成形的影響；比較了恒流焊接電源和脈沖焊接電源對焊縫成形的不同影響。研究成果可以為水下焊縫成形控制提供理論指導(dǎo)，也可為水下焊接電源的研究提供理論指導(dǎo)。4）水下焊縫氣孔的研究。本項目提出了一下計算水下焊縫氣孔率的方法，建立了水下焊縫氣孔率響應(yīng)曲面模型，研究了各參數(shù)的交互作用對焊縫氣孔率的影響。研究成果可為水下藥芯焊絲焊接以及水下脈沖焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)，也可為采取措施減少水下焊縫的氣孔率提供思路。5）水下焊接冶金、金相及力學(xué)性能的研究。進行了雙相不銹鋼水下濕法焊接焊縫及熱影響區(qū)的金相組織的研究，分析了水深、焊接電壓、電流、焊接速度等參數(shù)對焊縫及HAZ金相組織的影響。研究了不同焊絲對水下焊接接頭力學(xué)性能和硬度的影響。 本項目通過大量試驗，研究不同焊接條件下的水下焊接電弧穩(wěn)定性、焊縫成形、氣孔、組織和力學(xué)性能等基礎(chǔ)科學(xué)問題，研究成果可為水下焊接材料研發(fā)、焊接工藝優(yōu)化、水下焊接電源開發(fā)和海洋設(shè)施水下焊接維修等提供理論指導(dǎo)。 2100433B

水下焊接是海洋油氣設(shè)施及核電站維修的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著水深增加，藥芯焊絲水下焊接質(zhì)量變差，其主要原因是電弧不穩(wěn)定。本項目的研究思路是從藥芯成分和焊接電源輸出特性的角度考慮，研究提高水下焊接電弧穩(wěn)定性的方法，從而提高水下焊接質(zhì)量。主要進行300米以淺水深濕法和微型排水罩局部干法藥芯焊絲水下焊接電弧靜特性的測量，研究水壓對電弧弧根漂移、電壓、電場強度和電流密度、電弧電信號等電弧穩(wěn)定性的影響，研究如何改變藥芯成分以提高高壓下電弧的穩(wěn)定性，研究電弧電信號穩(wěn)定性與焊接工藝穩(wěn)定性之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，研究水下焊接對焊接電源輸出特性的要求，從而從焊接電源的角度進一步提高水下焊接電弧的穩(wěn)定性。本項目有利于弄清藥芯焊絲水下焊接電弧的本質(zhì)，研究成果將為進一步開發(fā)適合300米水深的濕法和微型罩局部干法水下焊接藥芯焊絲和水下焊接電源提供理論基礎(chǔ)。

前已述及藥芯焊絲突顯了許多焊接方法的有利特性，例如焊劑部分扮演了與被覆焊條能改善熔填金屬化學(xué)成分與機械性之功能。生產(chǎn)效率上又有氣體保護金屬電弧焊及埋弧焊的特點。

藥芯焊絲可用于碳鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼，耐熱鋼，高張力鋼，高強度淬火回火鋼，不銹鋼以及硬面耐磨鋼材等的焊接。

藥芯焊絲是很有發(fā)展前途的新型焊接材料

（1）優(yōu)點：

1）對各種鋼材的焊接，適應(yīng)性強 調(diào)整焊劑（通用型藥芯焊絲常稱添加物為藥芯，焊劑的說法只在特定的藥芯焊絲中出現(xiàn)）的成分和比例極為方便和容易，可以提供所要求的焊縫化學(xué)成分。

2）工藝性能好，焊縫成形美觀 采用氣渣聯(lián)合保護，獲得良好成形。加入穩(wěn)弧劑使電弧穩(wěn)定，熔滴過渡均勻。

3）熔敷速度快，生產(chǎn)效率高 在相同焊接電流下藥芯焊絲的電流密度大，熔化速度快，其熔敷率約為85%-90%,生產(chǎn)率比焊條電弧焊高約3-5倍。

4）可用較大焊接電流進行全位置焊接。

（2）缺點

1）焊絲制造過程復(fù)雜

2）焊接時，送絲較實心焊絲困難

3）焊絲外表容易銹蝕，粉劑易吸潮，因此對藥芯焊絲保存一管理的要求更為嚴(yán)格

3.1、焊劑成份所扮演的功能：

與被覆焊條相同，藥芯焊絲的制造商對焊劑成份均為其特有的配方，隨著焊材適用的功能不同，焊劑成份組成亦各不同。

焊劑成份的基本功能略述如下：

（1）除氧劑與除氮劑

由于氮與氧可使焊道金屬造成氣孔或脆化，焊劑中必須添加強脫氧劑如Al粉 和弱 脫氧劑錳與硅等，至于自保護藥芯焊絲，焊劑中另需添加AL為除氮劑。以上添加除氧劑及除氮劑目的均在于凈化熔填金屬。

（2）焊渣形成劑

鈣、鉀、鈉等硅硅酸鹽類物質(zhì)為焊渣（也稱熔渣）形成劑，添加在焊劑中可以有效保護熔池不受大氣污染，焊渣可使焊道具較佳的外觀而且快速冷卻后又可以支撐全姿勢焊接時的熔池。焊渣的覆蓋更可緩和熔填金屬冷卻速率，此功能對低合金鋼的焊接尤其重要。

（3）電弧穩(wěn)定劑

鈉及鉀可以使電弧保持柔和順暢而且降低飛濺。

（4）合金元素

錳 、硅、鉬、鉻、碳、鎳及釩等合金元素的添加，可以提高（改善）熔填金屬的強度、延性、硬度及韌性等。

（5）氣體形成劑

氟石、石灰石等需添加在自保護藥芯焊絲中使燃燒產(chǎn)生保護氣體。

3.2 焊渣的類別

焊劑的成份決定焊材的焊接作業(yè)性與熔填金屬的機械性，焊劑成份中若以酸性為主，焊接后便生成酸性焊渣，同樣的以堿性（石灰質(zhì)）焊劑為主將產(chǎn)生堿性焊渣。酸性系統(tǒng)的焊材焊接工藝性非常好，焊接過程中電弧平順穩(wěn)定，多以噴射過渡，飛濺量少，作業(yè)上廣為焊接人員所喜歡，熔覆金屬機械性普通可達AWS規(guī)范的要求。

焊劑為堿性系統(tǒng)的焊材可使熔填金屬獲得非常優(yōu)良的延性與韌性，但作業(yè)性遠(yuǎn)較酸性系為差。熔滴的過渡多以球滴過渡為主，飛濺較多。