水下湿法焊接接头质量控制技术研究现状

周超, 李海新, 杨振林， 姜风春， 王琪晨， 张文杰

(1.哈尔滨工程大学烟台研究院，山东 烟台 264010；2.中集海洋工程研究院有限公司，山东 烟台 264000；3.威海东海船舶修造有限公司，山东 威海 264200)

0 前言

随着中国在深海探索、核电开发和水利水电等方面的大力建设，一些先进的深水装备在工程中发挥着越来越重要的作用。深水装备的开发与应用，使得该类装备的维修与养护需求极大地提升，因此采用合理的水下维护技术就显得很重要。水下湿法焊接因操作灵活、效率高且成本低，在水下设备维护中得到了极大的应用[1-3]。

水下湿法焊接的焊件直接置于水中，熔滴过渡和焊接接头冷却过程也是直接在水环境中进行，水环境会造成电弧压缩、熔池快速冷却和高压，导致湿法焊接的热循环过程及影响焊接接头性能的因素相对陆上焊接要复杂得多[4]。研究水下湿法焊接过程中诸多因素对焊接过程的影响，将对提高接头质量以及创新水下湿法焊接方法和工艺有很大帮助。

1 水下湿法焊接常见问题

到目前为止，水下湿法焊接技术的研究还远不能满足实际发展的需要，这就要求它在达到临时应急修复水平的同时，还要有足够的强度、韧性和耐腐蚀性[5-6]。由于水下湿法焊接的接头直接暴露在水环境中，周围的水会使得水下湿法焊接的焊接接头更窄，接头的显微组织与陆上焊接相比也容易出现更多的焊接缺陷。

容易产生氢裂纹：水环境是水下湿法焊接接头扩散氢的直接来源，焊接过程中产生的气泡也主要由氢和氧组成[7]。焊接接头中氢的存在会影响钢对形成冷裂纹的敏感性，而氢也是决定和改善钢的可焊性的关键因素[8-11]。如果接头扩散氢含量太高，意味着在焊接碳含量较高的钢时形成冷裂纹的可能性就会增加，这会极大地降低接头的力学性能。

焊接接头质量差：由于水的热导率比空气大50倍，因此水下湿法焊接接头金属及热影响的冷却速度更快。这使得t8/5比陆上焊接短得多，导致钢的焊接接头和热影响区会产生更多马氏体等淬硬组织[12]。Wang等人[13]通过显微组织分析也证实了这点：即在相同的焊接参数下，水环境的快速冷却会导致水下湿法焊接接头的脆性更大。Xu等人[14]通过观察X光图像和熔池波形特征也证实水下熔池比陆上熔池更易挥发。这是由于熔池周围的气泡引起熔池剧烈波动，从而导致水下湿法焊接接头质量差、成形不均匀，且接头除了存在焊后残余应力外，还有较高的孔隙率。

焊接过程不稳定：Omajene等人[15]指出，由于水和气体密度的差异，熔池受到周围的电弧气泡周期性地形成、生长、上升、脱离并再次产生而剧烈波动。焊接过程中的焊接电弧除了稳定燃烧阶段，也会频繁地出现断弧和短路导致焊接过程不稳定。此外Guo等人[16]通过观察焊接飞溅过程的高速图像观察到湿法焊接熔滴过渡还分为熔滴排斥飞溅、爆炸飞溅和熔池冲击飞溅。上述变化因素将直接导致湿法焊中作用在熔滴上的6种主要作用力(包括重力G、电磁力Fe、等离子体拖拽力Fp、点压力Fa、表面张力Fs和气流阻力FL，如图1所示)的变化，导致湿法焊接过程不稳定[17]。

图1 作用在熔滴上的6种主要作用力

2 焊接接头扩散氢含量控制技术研究

在水下湿法焊接的实际焊接过程中，氢是由电弧柱中气态氢分子的分解所产生的，而水下湿法焊接氢的主要来源是周围水环境和焊接使用的焊接材料。电弧的电离作用除了使熔池周围的水分解成大量的氢和氧，也使得焊丝中的含氢成分分解出来，大大增加了水下湿法焊接接头吸收氢的可能性。

2.1 试验参数对扩散氢含量的影响

为减少水下湿法焊接接头常见问题的发生，可以采取有效的试验措施从试验源头上加以控制，结合试验条件来控制扩散氢含量是提升水下湿法焊接街头质量最经济实用的方法之一[18-19]。

目前关于试验源头的研究结果，大多是通过控制试验参数来实现对焊接接头扩散氢含量的控制，主要包括：①选择合适的焊丝伸出长度 (即焊接材料端头至焊枪导电嘴端头的距离)。大的焊丝伸出长度可以使焊接材料电阻加热区产生更多的热量，部分氢在熔滴过渡之前受热从焊接材料中逸出[20-21]；②选择合适的电弧电压。电弧电压是通过控制电弧长度来影响氢的产生，进而控制焊接接头接触到的氢浓度[20-22]；③选择合适的送丝速度。提高送丝速度不仅会增加焊丝伸出长度，同时还会增加焊接接头的填充金属量，导致氢气来不及逸出就被填充金属所覆盖，使焊接接头的氢浓度增加[23]；④选择合适的焊接速度。焊接速度的提高可以使熔池长度增加，同时由于热输入减少，会有更快的冷却速度。而快速凝固导致焊接接头中溶解的气泡来不及逸出，增加了焊接接头扩散氢的含量[24]。⑤选择合适的焊接水深。焊接水深的增加导致水下压强增大，压力的升高压缩了气体的体积，也阻止了气体的逸出，将导致焊接接头的氢含量显著变化[25]。⑥选择合适的水温。较低的水温有更高的冷却速度，不仅熔池中气体来不及逸出，热影响区的扩散氢也有明显升高[26]；⑦选择合适的焊接角度。米纳斯吉拉斯联邦大学工程系的科研团队通过试验研究证实了在水下湿法焊接过程中，选定合适的工作角度，可以有效的干预焊接接头的气孔量[27]；⑧选择合适的焊接电流。 Bracarense等人[28- 29]利用焊接金属扩散氢分析、熔滴采集和熔滴过渡高速记录的试验方法来评价焊接电流对焊接接头扩散氢含量的影响。结果证明，焊接接头氢含量确实随焊接电流的增加而增加。

较为全面的了解水下湿法焊接过程中试验参数对焊接接头扩散氢含量的影响，可以为试验预调控试验参数提供便利，也为控制水下湿法焊接接头的氢含量提供了新的思路。

2.2 焊接选材对扩散氢含量的影响

除了与水下湿法焊接接头质量直接相关的水环境以外，焊接材料和母材本身的性质在很大程度上也决定着焊接接头的质量。通过改变焊材或母材本身的物化性质可以减少水下湿法焊接接头包含扩散氢在内的多种有害物质，从而实现对接头的力学性能的改善[30-31]。

在焊接材料的选择方面：①尽可能地选用优质的低氢焊接材料。因为在焊接生产中，碱性焊条每百克接头金属中的扩散氢含量仅几毫升，而酸性焊条可高达几十毫升，因此对于重要的低合金高强度钢结构的焊接，原则上都应该选择碱性焊条；②要严格的烘干焊丝或者焊剂，因为根据实践生产表明：随着烘干温度的升高，焊条本身的扩散氢含量明显下降；③选用奥氏体焊条。采用奥氏体焊条焊接淬硬倾向较大的低、中合金高强度钢能很好地避免冷裂纹，这是因为奥氏体焊接接头可以溶解较多的氢。同时奥氏体本身塑性好，也可以削弱接头存在的应力[32]；④提高焊接接头金属韧性。通过向焊接材料加入某些微量元素，例如Ti，Nb，Mo，Ni，B，Ce等元素来改善接头韧性，利用焊接接头足够的韧性可以减轻扩散氢的负担，从而提高焊接接头的质量[33-38]。

在母材选择方面：在设计上应该选用抗冷裂性能好的材料。尽量选择碳当量Ceq或冷裂纹敏感系数Pcm小的钢材，因为钢种的Ceq和Pcm愈高，淬硬倾向就越大，扩散氢导致的冷裂纹敏感性就越大[39]。

3 接头组织及力学性能优化研究

在水下湿法焊接的实际生产中，单靠控制焊接参数来实现大范围和高密度的修复，会导致效率低、成本高和设备复杂等问题，因此需要寻找更加直观经济的焊接方法和修复工艺来提高水下湿法焊接焊接接头的质量。

3.1 操作设备对接头组织和性能的影响

近年来，通过改进焊接装备来提升水下湿法焊接接头组织及力学性能也备受关注。焊接装备的改进是从多方面入手的，目前的研究主要集中在焊接装置和水下装置两方面。焊接装置包括焊枪、焊接电源和焊接整机，而水下装置主要在集中于控制某一试验参数而开发的装备。

中国人民解放军军械工程学院[40]重点针对水下湿法焊接能源装备笨重不易携带这一问题，开发了便携式水下湿法无电焊接装备,该装备由控制焊条运动的滑台和推送机构组成，可以有效地解决利用自蔓延燃烧型焊条进行水下湿法手工焊的焊接缺陷；而针对水下湿法焊接存在的氢含量、烟尘、气泡等问题开发了诸多实时跟踪干预装置，这些装置都将水下湿法焊接的工作环境进一步优化，实现更为智能化的水下湿法焊接调控，从而获得高质量的水下湿法焊接接头。其中哈尔滨工业大学威海校区的研究团队[41]开发了一种改善水下湿法焊接接头组织性能的方法和装置，还包括双丝水下湿法焊接装置及方法和水下湿法焊接焊接接头跟踪器等多种先进装备。此外，山东省科学院海洋仪器仪表研究所的研究人员[42]研发了一种水下焊接弧焊电源，进一步实现了水下湿法焊接装置的轻便化。在设备研发方面，中国目前很多科学研究单位具有很强的研发能力，可以为水下湿法焊接的发展提供强有力的支持。

图2 携式水下湿法无电焊接装备示意图

3.2 外加辅助能场对接头组织及性能的影响

运用能量场对水下湿法焊接过程进行干预已经成为近几年的热门研究对象，外加能量场的控制效果持续而稳定，可以贯穿水下湿法焊接整个过程，且不受外界因素的干扰。

超声波依靠空化作用和声流，可以促进熔融金属的润湿和扩散，细化晶粒的同时还可以消除气孔或未融合等缺陷，且随着超声功率的增加有效的控制了扩散氢含量，进而水下湿法焊接接头的机械性能得到有效的提升[43-46]；采用实时感应加热的辅助热源水下湿法焊接可以降低接头在水环境中的冷却速度，改善接头的显微组织和力学性能，且机械性能随着感应加热电压的增加也有所提升[47]。与之原理相同的研究进一步提出：采用预热、层间温度和焊后加热均能够达到优化水下湿法焊接接头的目的，但高温预热和层间温度会导致高的残余应力和反应应力[48-49]。因此，焊后热源辅助是优化接头质量更为有效的方法[23]。磁场也可以优化焊接接头质量，合适的磁场可以平衡水下高压急冷环境的影响,改变水下湿法焊接接头深而窄的特点。引入适当的外加磁场不仅可以细化焊层金属组织的晶粒,而且由磁场产生的电磁搅拌能够提高接头金属的硬度和耐磨性,从而提高接头金属的综合力学性能[50]。

3.3 焊接工艺对接头组织的影响

针对水下湿法焊接接头质量优化的焊接方法可以从冶金和工艺2个方面入手。其中冶金方面的工艺创新重点在于对接头组织的回火处理(焊后热处理)：通过回火处理的热量可以细化原有焊接接头的热影响区粗晶，进而可以降低热影响区的硬度[5]。格但斯克理工大学的Jacek等人[51-52]通过试验也证实了这一理论的可行性，且发现运用回火处理的高温堆焊技术可以降低在水环境中所制作样品的热影响区硬度，而合理的焊道顺序也可将热影响区的硬度明显降低，并且可以降低对冷裂纹的敏感性，实现了水下湿法焊接接头质量的优化。

对比陆上焊接，水下湿法焊接的工艺方法起步较晚，所以在湿法焊接方面除了普通的电弧焊外，主要集中于将陆上焊接方法引申到水下湿法焊接。山东大学材料连接研究所[53]在焊接区域预设了以环氧树脂和埋弧焊剂组成的混合焊剂进行水下埋弧焊，与传统的水下湿法焊接相比，该法显著优化了电弧燃烧环境，有效提高了焊接过程的稳定性。且接头具有细小针状铁素体的显微组织和高质量的力学性能，特别是具有优异的极限强度。石家庄铁道大学的韩凤起等人[54]基于自蔓延高温合成技术 (SHS技术) 和湿法电弧焊原理，研究了一种用于水下金属结构应急维修的新型水下湿法手工自蔓延焊接技术，试验结果表明，该技术可在无电、无气、无其它设备的条件下实现水下金属构件的水下湿法焊接，且单面焊双面成形，接头抗拉强度和韧性均满足应急维修的需求。陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心的秦航等人[55]使用光纤激光器对钛合金进行了水下湿法激光焊接试验，通过在金属表面预置焊接辅助剂增加水下湿法焊接熔深，焊接接头中裂纹减少，实现了对焊接接头的保护。

4 水下湿法焊接过程稳定性研究

实践中的水环境往往是波动的，而郭宁等人也已经证实：在快速水流条件下，过大的氧化物夹杂物、微裂纹和大量炉渣夹杂物是接头断裂的主要原因。水下干法焊接虽然能够杜绝水环境的干扰，但是设备高昂、操作复杂等问题，使之依然在实践生产中的应用很少。

水下湿法焊接的实践操作中水环境的波动无法避免，但是可以对焊接过程中产生的气泡进行控制，来实现对焊接过程中涉及的熔滴过渡、电弧、熔池状态进行干预，以削弱水环境所产生的干扰。Jia等人[56]通过试验研究也揭示了气泡特性和熔滴过渡受力之间存在内在联系。且在水下湿法焊接过程中，气泡持续稳定的产生也是稳定焊接过程和提高焊接接头高质量的基础。

Chen等人[57]利用自行设计的气罩装置实现了对水下湿法焊接过程气泡的约束，减小了作用在液滴上的气流阻力，使其产生了更加稳定的液滴转移模式，且装置气体逸出方向促进了熔滴向熔池平稳的过渡。Yang等人[17]通过对熔滴过渡和气泡之间的相互作用研究发现：当电弧电压较低时，金属转移过程受小直径、高频析出气泡干扰极大，导致产生大直径、低频转移的熔滴。熔滴过渡的稳定性，在一定程度上也会决定熔池的动态特性和最终形貌。Zhang等人[58]通过研究焊接材料的填充率对水下湿法焊接过程和焊缝外观的影响发现：增加金属丝的填充率可以改变熔滴过渡的模式。同时随着填充率的增加，熔池的几何形状发生变化，且熔池中气泡的作用使熔合线更加规则，焊接接头变得更加平整光滑。

相比之下，水环境对焊接电弧的稳定性也有重要影响。例如米纳斯吉拉斯联邦技术教育中心[59]研究发现：随着水环境中聚四氟乙烯含量的增加，接头的熔深和强度增加。这是由于聚合物中的氟化物会引起电弧宽度、长度和能量密度的变化，且会导致电弧短路的数量也随着聚四氟乙烯的量的增加而增加，弧长的减少反过来又直接影响氢和氧的吸收的减少，从而提高接头的组织和力学性能。而Guo等人[60]也类似的发现：随着水环境中硼酸浓度的增加，水下湿法焊接过程中的电弧稳定性变差，导致焊接过程中出现更多的气泡和更大的熔滴。而这本质上都是通过对水下燃弧的状态改变，实现对焊接过程的优化。

5 结束语

伴随着深海、核能、水利等新兴能源的大力发展，水下湿法焊接的应用将得到十足的发展。新的焊接方法的可行性得到了论证，接头质量从低到高的飞跃，必须在技术和实践方面花费更多的时间，把更多的试验理论推到实践中去，也需做更多的实践工作。

(1)水下湿法焊接操控自动化。水下湿法焊接技术的潜能是无限的，但是深海、核能本身所具有的特殊性也在一定程度上限制了水下湿法焊接的发展。水下湿法焊接应该朝着安全、便捷和节能的方向发展，不能仅停留在试验阶段，应该将试验研究成果应用到实践生产中去，实现包括对水下湿法焊接焊枪、焊接电源和焊接附属设备智能化和轻便化的改进。同时，将上述控制接头质量的方法也推广到水下湿法焊接设备自动化的研发中，在节约劳动力的同时，还可以在实现自动化操控的同时保证水下湿法焊接的焊接接头质量。

(2)水下湿法焊接实践商业化。目前水下湿法焊接虽然在国内也取得了较大的研究进展，但是多数研究成果都仅仅局限于试验基地的研究，很少对某一项研究的研究成果进行实践推广，应用到商业中的更是少之又少。应该将试验成果推向市场，目前关于焊材的改进较多的应用到水下湿法焊接的实践中，但是除此之外的部分研究专利和试验研究成果始终停留在理论阶段。未来试验成果的发展应该打破这种僵局，这不仅是检验试验成果的方式，更是带动水下湿法焊接发展的源动力。