300米水深药芯焊丝水下焊接冶金及电弧特性的基础研究

海洋油气设施和核电压力容器、管道等结构物长期负荷运营后由于腐蚀、撞击、事故或自然灾害等原因，易发生损坏，这些结构物的维修需使用水下焊接技术。水下焊接过程由于受到水和压力的影响，焊接电弧不稳定，焊缝容易产生气孔、裂纹等缺陷，焊缝成形差，焊接接头性能显著低于空气中焊接。因此，进行水下焊接电弧特性、冶金、工艺及组织性能的研究，具有重要意义。 本项目主要研究内容及结论包括：1）水下药芯焊丝焊接及数据采集分析系统的研发；该系统可进行水下焊接试验，调节焊接参数，并可采集焊接电流、电压信号及焊接电弧图像；2）水下焊接电弧特性及水下焊接电源的研究；建立了水下湿法焊接电弧静特性曲线，提出了一种评价水下焊接电弧稳定性的定量指标，建立了优化的水下湿法焊接参数库和测算电弧稳定性的经验公式，在此基础上分析了各焊接参数对电弧稳定性的敏感度。3）水下焊接焊缝成形的研究。建立了预测水下湿法焊接焊缝成形的数学模型，并进行了敏感度分析，确定了各水下焊接参数对水下湿法焊缝成形的定量影响；提出了采用余高均衡系数作为水下焊缝成形质量指标，建立了水下湿法FCAW成形质量响应曲面模型，并分析了参数之间的交互作用对焊缝成形的影响；研究了水下脉冲焊接参数对焊缝成形的影响；比较了恒流焊接电源和脉冲焊接电源对焊缝成形的不同影响。研究成果可以为水下焊缝成形控制提供理论指导，也可为水下焊接电源的研究提供理论指导。4）水下焊缝气孔的研究。本项目提出了一下计算水下焊缝气孔率的方法，建立了水下焊缝气孔率响应曲面模型，研究了各参数的交互作用对焊缝气孔率的影响。研究成果可为水下药芯焊丝焊接以及水下脉冲焊接工艺参数优化提供指导，也可为采取措施减少水下焊缝的气孔率提供思路。5）水下焊接冶金、金相及力学性能的研究。进行了双相不锈钢水下湿法焊接焊缝及热影响区的金相组织的研究，分析了水深、焊接电压、电流、焊接速度等参数对焊缝及HAZ金相组织的影响。研究了不同焊丝对水下焊接接头力学性能和硬度的影响。 本项目通过大量试验，研究不同焊接条件下的水下焊接电弧稳定性、焊缝成形、气孔、组织和力学性能等基础科学问题，研究成果可为水下焊接材料研发、焊接工艺优化、水下焊接电源开发和海洋设施水下焊接维修等提供理论指导。 2100433B

水下焊接是海洋油气设施及核电站维修的关键技术之一。随着水深增加，药芯焊丝水下焊接质量变差，其主要原因是电弧不稳定。本项目的研究思路是从药芯成分和焊接电源输出特性的角度考虑，研究提高水下焊接电弧稳定性的方法，从而提高水下焊接质量。主要进行300米以浅水深湿法和微型排水罩局部干法药芯焊丝水下焊接电弧静特性的测量，研究水压对电弧弧根漂移、电压、电场强度和电流密度、电弧电信号等电弧稳定性的影响，研究如何改变药芯成分以提高高压下电弧的稳定性，研究电弧电信号稳定性与焊接工艺稳定性之间的关系。在此基础上，研究水下焊接对焊接电源输出特性的要求，从而从焊接电源的角度进一步提高水下焊接电弧的稳定性。本项目有利于弄清药芯焊丝水下焊接电弧的本质，研究成果将为进一步开发适合300米水深的湿法和微型罩局部干法水下焊接药芯焊丝和水下焊接电源提供理论基础。

前已述及药芯焊丝突显了许多焊接方法的有利特性，例如焊剂部分扮演了与被覆焊条能改善熔填金属化学成分与机械性之功能。生产效率上又有气体保护金属电弧焊及埋弧焊的特点。

药芯焊丝可用于碳钢，低合金结构钢，耐热钢，高张力钢，高强度淬火回火钢，不锈钢以及硬面耐磨钢材等的焊接。

药芯焊丝是很有发展前途的新型焊接材料

（1）优点：

1）对各种钢材的焊接，适应性强 调整焊剂（通用型药芯焊丝常称添加物为药芯，焊剂的说法只在特定的药芯焊丝中出现）的成分和比例极为方便和容易，可以提供所要求的焊缝化学成分。

2）工艺性能好，焊缝成形美观 采用气渣联合保护，获得良好成形。加入稳弧剂使电弧稳定，熔滴过渡均匀。

3）熔敷速度快，生产效率高 在相同焊接电流下药芯焊丝的电流密度大，熔化速度快，其熔敷率约为85%-90%,生产率比焊条电弧焊高约3-5倍。

4）可用较大焊接电流进行全位置焊接。

（2）缺点

1）焊丝制造过程复杂

2）焊接时，送丝较实心焊丝困难

3）焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，因此对药芯焊丝保存一管理的要求更为严格

3.1、焊剂成份所扮演的功能：

与被覆焊条相同，药芯焊丝的制造商对焊剂成份均为其特有的配方，随着焊材适用的功能不同，焊剂成份组成亦各不同。

焊剂成份的基本功能略述如下：

（1）除氧剂与除氮剂

由于氮与氧可使焊道金属造成气孔或脆化，焊剂中必须添加强脱氧剂如Al粉 和弱 脱氧剂锰与硅等，至于自保护药芯焊丝，焊剂中另需添加AL为除氮剂。以上添加除氧剂及除氮剂目的均在于净化熔填金属。

（2）焊渣形成剂

钙、钾、钠等硅硅酸盐类物质为焊渣（也称熔渣）形成剂，添加在焊剂中可以有效保护熔池不受大气污染，焊渣可使焊道具较佳的外观而且快速冷却后又可以支撑全姿势焊接时的熔池。焊渣的覆盖更可缓和熔填金属冷却速率，此功能对低合金钢的焊接尤其重要。

（3）电弧稳定剂

钠及钾可以使电弧保持柔和顺畅而且降低飞溅。

（4）合金元素

锰 、硅、钼、铬、碳、镍及钒等合金元素的添加，可以提高（改善）熔填金属的强度、延性、硬度及韧性等。

（5）气体形成剂

氟石、石灰石等需添加在自保护药芯焊丝中使燃烧产生保护气体。

3.2 焊渣的类别

焊剂的成份决定焊材的焊接作业性与熔填金属的机械性，焊剂成份中若以酸性为主，焊接后便生成酸性焊渣，同样的以碱性（石灰质）焊剂为主将产生碱性焊渣。酸性系统的焊材焊接工艺性非常好，焊接过程中电弧平顺稳定，多以喷射过渡，飞溅量少，作业上广为焊接人员所喜欢，熔覆金属机械性普通可达AWS规范的要求。

焊剂为碱性系统的焊材可使熔填金属获得非常优良的延性与韧性，但作业性远较酸性系为差。熔滴的过渡多以球滴过渡为主，飞溅较多。