水下湿法焊接研究进展

叶建雄 彭星玲 李兵

摘要：水下焊接包含水下干法焊接、局部干法焊接和湿法焊接三类，其中湿法焊接因其简单方便受到了广泛关注。介绍不同水下焊接方式的特点，并重点介绍水下湿法焊接在专用焊条研制、电弧稳定性分析以及焊缝成形建模三个方面的研究发展历程及最新研究成果，提出还需在湿法焊接专用传感器的研制、电弧燃烧过程及机理分析等方面进一步开展深入探索，以推动湿法焊接的高质量发展。

关键词：湿法焊接;焊条;电弧稳定性;焊缝成形;研究进展

中图分类号：TG456.5            文献标志码：A           文章编号：1001-2003（2020）09-0111-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.12

0    前言

随着我国海洋资源开发的深入，大型的海洋工程和海洋工程装备持续增加，中集集团于2017年交付使用的半潜式钻井平台“蓝鲸1号”，其最大作业水深达3 658 m，最大钻井深度达15 250 m[1]。不断出现的海上石油平台、海底输油、输气管线施工、海上船舰紧急维修、码头设施、水下矿产开发、水闸以及核电设施等，对水下焊接技术提出了更高的要求。同时，作为世界第一大船舶制造国，大量的船舶制造与维护也迫切需要水下维修的焊接技术。

目前，虽然水下焊接在焊接手段、工艺、焊接材料及焊接机理等方面已有不少成果[2]，但工作环境的复杂性和特殊性，使水下焊接既不同于陆地焊接，也不同于普通高气压下的电弧焊接。作为水下工程开发、建设和维修不可缺少的关键技术，对其水下焊接方法、焊接材料以及电弧特性等进行研究具有非常重要的意义。

文中介绍了水下焊接方法的分类，并重点介绍了水下湿法焊接在焊接材料、电弧稳定性分析及焊缝成形建模三个领域中的最新研究成果。

1 水下焊接方法分类

水下焊接方法除传统的电弧焊、爆炸焊外，还有激光焊、摩擦焊、螺柱焊、等离子焊等近20 种。按照焊接时电弧所处环境的不同，可以分为干法焊接、局部干法焊接和湿法焊接三大类。

干法焊接又分为高压干法焊接和常压干法焊接，由于焊前排除了水的存在，故焊接质量与陆地焊接时基本一样。高压干法焊接由美国于1954年提出，目前很多国家都有高压模拟试验装置，如巴西CENPES中心的高压焊接舱，挪威SINTEF的无人高压试验舱（见图1），以及英国Cranfield大学于1990年初研制的Heper-wedl250，它是一种无人高压干法试验装置，可模拟水下250 m的压力[3-4]。哈尔滨焊接研究所于20世纪80年代开始研究高压干法焊接，先后研制了HSC-1和HSC-2试验装置，可进行TIG焊和焊条电弧焊（MMA）试验。北京石油化工学院制造了压力为1.5 MPa的试验装置（见图2），研发了钨极氩弧自动焊机，进行了0.1～0.7 MPa压力下的16Mn管道全位置自动焊接[5-6]，并于2006年末完成了为期一周的海上试验，获得了满意的效果。常压干法焊接需在密封的压力舱中进行，其要求比高压法更高，国内目前还没有此类试验装置。总之，水下干法焊接质量可靠，但装备造价昂贵、准备工作繁杂。

局部干法焊接由于电弧的燃烧及熔池凝固都在气相环境中完成，所以焊接质量良好[7]，其形式主要有可移动气室式、水帘式、气罩式三种。可移动气室式水下焊接利用气体将气室内的水排出，首个气室直径约为100 mm，由美國提出并于1973年投入应用[8];水帘式由美国人Sagara在1977年首先提出，通过焊枪外围的高压水流构成一个高挺度的圆锥水帘，通过此水帘将外围水挡住，然后在其内部通入保护气体实现局部干法焊接[9];华南理工大学的王国荣于20世纪90年代研制了气罩式方法，利用带有空腔的弹性密封材料与母材紧密贴合，然后向其内通以保护气体构成微型排水罩，利用此装置和专用焊条获得了良好的焊接效果[10];北京石油化工学院与上海核工程研究设计院合作研制了一套局部干法水下自动焊接系统，并模拟水下5 m和15 m条件下的局部干法自动焊接，取得了满意的效果[11];天津大学的沈相星[12]等开发了一种带有预热功能的局部干法焊接专用排水罩，可以显著提高焊接接头的韧性[12];哈尔滨工业大学的郭宁等提出了一种适用于水下激光局部干法焊接的排水装置，不仅能够形成稳定的局部干燥腔，而且气流在镇静气室中呈环形分布，气体运动近似层流，有利于减少对熔池的搅动[13];近年来，计算机仿真技术也应用于水下局部干法焊接排水罩的设计中，北京石油化工学院的薛龙以及南昌航空大学的高延峰等分别对排水罩内的高压流体运动形态进行了仿真[14-15]，对模拟结果进行分析并通过试验进行了验证。虽然现在开发的排水装置较多，但局部干法焊接也有明显缺点，主要表现在气室小，保护气体和烟尘将焊接区的水搅得混浊且紊乱，焊接效果难以观察。

湿法焊接条件下，工件完全置于水中，焊接条件恶劣。特别是在湿法电弧焊中，电弧是通过焊接产生的水泡进行保护，虽然操作快捷方便，但焊接电弧并不稳定，一直以来被认为是低质量的焊接方法，主要用于应急修理等场合。直到近年来在水下湿法焊接材料、焊接工艺及方法等方面的突破，湿法电弧焊才逐渐被认可，目前已成为研究热点。

2 湿法电弧焊焊材进展

气孔和氢致裂纹是湿法电弧焊中最常见的两种缺陷。前者是由于焊缝快速冷却时，熔池中的气体来不及逸出而残留在焊缝中;后者是由于焊接中产生的氢原子渗透到焊件内部，降低被焊件晶粒间原子结合力，当水的急冷作用产生的残余应力在含氢量较高的部分集中时产生的裂纹。所以在水下湿法焊接中经常采用药芯焊丝，利用药皮的熔敷作用覆盖在焊缝表面，减缓水的急冷作用，同时还在药皮里加入特定的物质来提高电弧稳定性和减少氢含量。

先进焊条的研制使湿法焊接实现了从“能焊”向“焊好”的转变。英国的Hydroweld FS焊条、Hanover大学开发的双层自保护药芯焊条、美国的7018S和“Black Beauty”等的焊接质量都已达到甚至超过了美国船级社AWS D3.6的标准，且已在桥梁、船舶的维修中得到了应用[16];我国自20世纪50年代开始运用水下湿法焊条电弧焊，60年代开始研发水下专用焊条，目前国内常用的焊条有TS202、TS203、TSH-1，吴伦发等于2005年研制了一种高强度专用湿法焊条TS208，并在重点工程中得到了应用，焊条即使长期浸水仍具有优异的焊接工艺性，并且接头的抗拉强度不小于530 MPa，通过与英国FS焊条的对比性测试，焊接后的金属力学性能更好，焊接效果如图5所示[17]。郭宁等也开发了一种新型水下湿法自保护药芯焊丝，可以在30 m以内水深完成CCSE36等级钢的焊接，焊缝形貌美观，无咬边、焊瘤、气孔、裂纹等缺陷，焊接效果如图6所示，接头性能达到AWS D3.6的标准，此项技术还申请了发明专利[18]。为提高湿法焊接的质量，专家们还展开了焊接工艺的研究，冯吉才等利用中频感应加热的方法对母材进行焊前及焊后的热处理，达到了减少焊缝淬硬组织、降低冷裂纹倾向的效果[19]。

3 湿法焊接电弧稳定性

对焊接电弧燃烧行为和稳定性的研究，起步于对焊接电流和电弧电压信号的监测、处理和分析，由于焊接电弧传热过程的复杂性，使得许多问题难以用试验的方法确定，基于数值模拟的电弧稳定性研究，有助于深入理解湿法焊接的电弧特性。

3.1 基于电流和电压的电弧稳定性分析

Mita等于1987年最早提出基于焊接电流和电弧电压波形的电弧稳定性评价体系[20];Suban等通过焊接电流和电弧电压的动态变化波形和特征参数概率分布、工作点电流和电压的耦合分布，分析了不同保护气体下的电弧稳定性[21];高理文等提出了基于自相关分析的定量评价方法，从焊接电流和电弧电压信号中提取自相关函数峰值间距的变异系数，作为电弧焊熔滴过渡过程稳定性评价的量化指标[22]。以上方法被沿用到湿法焊接中，根据电压、电流的标准偏差ΔU和ΔI，以及变异系数倒数δ（平均值/标准偏差）进行电弧稳定性的判断，已得到学者们的一致认可，且δ值越大电弧稳定性越好，此外，根据短路电压、电流和短路时间的统计数据进行电弧稳定性分析也是常用的方法[23-24]。

格列茨基基于试验数据，获得了焊接电流、电弧电压与水深之间的约束关系，指出随着水深的增加，电压和电流的组合范围会变小，见图7[25];石永华等在数据处理的基础上，制作了如图8所示的U-I相平面图，以辅助分析电弧稳定性与水深的关系，并且给出了参数组合的稳定边界范围[26]。

3.2 基于数值模拟的电弧稳定性分析

由于湿法焊接存在着大量干扰，目前对其进行电弧模拟的研究很少，主要是定性地分析湿法焊接条件下的电弧行为。哈工大的陈弈等根据焊丝熔化理论，基于流体运动学理论对FLUENT进行二次开发，实现了湿法焊接中液桥断裂过程的模拟[27]，如图9所示。

华东交通大学的李志刚等利用纳维-斯托克斯（N-S）方程和麦克斯韦方程组，结合FLUENT和VOF模型，对高压环境下的水下旋转电弧进行了仿真，得到了不同压力下的电弧温度梯度及电弧形状，此外，还利用毕奥-萨伐尔定律描述带电粒子感应磁场，完成了水下电弧在旋转磁场下的运动仿真[28-29]，部分成果如图10所示。

4 湿法焊接焊缝成形建模

焊缝形态是电弧特性的直接反映，開展焊缝成形的建模研究可得到焊接参数与成形效果之间的映射关系。焊缝成形建模按所用方法可分为机理仿真建模、统计分析建模、人工智能建模三大类。湿法焊接的熔池除受热源的影响外，还受到汽泡、水的激冷、紊流等随机因素的影响，复杂程度远高于陆地焊接。

4.1 统计分析建模

统计分析建模包括线性回归（LR）、多元非线性回归（MNR）、指数模型法、田口方法、响应曲面法等，这些方法的共性是通过先验性的假定，将成形建模问题转变为基于统计学的参数估计问题，模型精度与假设密切相关。在湿法焊接的相关研究中，Chen Bo等采用回归方法进行了焊缝形状的预测[30]，石永华等利用多元曲线回归方法建立了湿法焊接中工艺参数和焊缝成形尺寸之间的数学模型，并进一步进行参数敏感度分析，定量分析了各参数对成形的影响[31]。湿法焊接中熔宽与斜高与焊接参数的关系如图11所示。

4.2 人工智能建模

人工智能建模是以人工神经网络（ANN）——包括BP神经网络、支持向量机（SVM）、粗糙集（Rough Set）以及目前基于机器学习的深度神经网络（DNN）、卷积神经网络（CNN）等为代表的建模方法。此方法以现代数学成果为基础，实现从输入到输出的映射，而不考虑系统的具体特征，又称为“黑箱”建模方法。Ahmed等采用RBF（径向基神经网络）和MLP（多层感知神经元网络）进行气体保护焊的成形建模，选择焊接电流、焊接速度、电弧长度作为输入，以熔深、熔宽和强度作为输出，模型拟合精度良好[32];W. Tao将人工神经网络和有限元分析法结合起来，建立了激光搭接焊焊点形状的模型，模型预测相对误差小于10%[33];刘剑在高压GMAW焊缝成形建模中，利用BP神经网络构造成形模型，并与回归方法进行对比，认为神经网络模型的精度更高[34];Nagesha等结合BP神经网络的非线性映射能力和遗传算法（GA）的全局寻优能力，进一步提高了模型精度[35];在湿法焊缝形建模研究中，Du Jianhui利用RVM（关联向量机）进行建模，获得了满意的效果[36];叶建雄利用SVR（支持回归向量机）进行建模，并与MNR模型及BP模型进行比较，证明SVR模型可以显著提高焊缝成形的拟合精度[37]。水下湿法焊接中不同方法的拟合误差如图12所示。

5 结论

水下湿法焊接因其简单方便得到了众多学者的关注，是一项极具发展前景的焊接方法，目前在焊接材料、电弧稳定性以及焊缝成形等方面的研究取得了诸多成果，已经进入工程应用阶段。但仍有很多问题亟待解决，如湿法焊接专用传感器的开发、湿法焊接起弧机理及电弧燃烧过程的分析、基于图像的电弧稳定性研究等，需要更多的学者和工程技术人员投入到相关研究中去，以推动湿法焊接的高质量发展。

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Research development of underwater wet welding

YE Jianxiong， PENG Xianling， LI Bing

（School of Mechanic & Electric Engineering， Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330099，China）

Abstract： There are three kind of welding method of underwater welding， they are underwater dry welding， underwater local dry welding and underwater wet welding， in which， the wet welding has been gained compressive attention for its easy and convenient operation. The properties of different wet welding are introduced at first. And then， the research development and achievements of wet welding are discussed from three aspects， which are welding rod study， arc stability study and welding shape modeling. At last， some suggestions are proposed that we should increase the study on the wet welding special sensors and arc discharging mechanism， and so as to promote high quality development of wet welding.

Key words： wet welding; wet welding electrode; arc stability; welding shape; research development