材料成型與加工報告

1、高壓環(huán)境下GMAW焊接熔滴過渡特征研究1.1 水下焊接的歷史及現(xiàn)階段發(fā)展海洋擁有無限廣闊的發(fā)展空間，近年來隨著陸上石油資源的日漸枯竭，海上石油的勘探開發(fā)正在逐漸上升為國家戰(zhàn)略，而科學技術的快速發(fā)展為我們探索海底世界提供了可靠的工具。很多學者都認為沒有系統(tǒng)的海洋科學研究就沒有國家的未來，我們要清醒的認識到，海洋石油的競爭是國家整體實力的競爭。當今世界的主要發(fā)到國家如美國、日本、英國、德國等等，在海洋石油開發(fā)領域已經(jīng)積累了大量的成果。我國擁有的海洋國土面積達300多萬平方公里，但我們在海洋資源的開發(fā)方面還處于較低的水平上，海洋油氣資源的開發(fā)很大程度上要依賴國外的技術力量。為了更好的利用海洋油氣資源

2、，使我國成為真正的海上強國，必須增大我們對海洋石油領域的技術研發(fā)投入。水下焊接技術是海洋資源開發(fā)過程中遇到的重要技術難題之一，是發(fā)展海洋事業(yè)的一個技術瓶頸。近十幾年來，水下焊接技術得到了很大的發(fā)展，其應用領域涉及海洋工程中的船舶、船塢、海上石油平臺、海底輸油管線、核電站維修等。 海上石油開采是一個“高風險”、“高技術”、“高投入”的產(chǎn)業(yè)，據(jù)測算，每鉆井一米耗資約一萬人民幣，而海上剛結構平臺每平方米造價高達兩萬美元，如此算來，建設一個中型海上油田投資將在3億到6億美元之間，而一個大型油田總投資將高達20到30億美元。海底管道是海上油氣輸送的重要手段，被稱為海上油氣田的生命線，是海上油氣田的重要組

3、成部分，對海上油氣田的開采、生產(chǎn)和產(chǎn)品外輸起著關鍵性的作用。我國近海已建成的油氣田海底管道有60多條，總長度超過3700km。水下環(huán)境的復雜性導致海洋平臺的水下部分和海底管道的維修是一項技術含量高、操作復雜、涉及面廣泛、投入高、風險大的海洋工程?，F(xiàn)階段水下結構物的主要維修手段由圖1.1所示。水上焊接維修主要適用于淺水區(qū)域和小管徑的管道，而水下維修中應用最為廣泛的是水下焊接法。水下焊接包括水下濕法焊接、水下局部干法焊接和水下干式焊接。近年來水下摩擦疊焊和等離子焊接等新方法的探索又為水下焊接開辟了新的道路。高壓干法焊接由于其在技術較易實現(xiàn)和價格上相對低廉成為了國際上一些海洋石油工程公司最常使用的水

4、下焊接方法。高壓干法焊接在深水石油管道的焊接領域有著潛在的優(yōu)勢，他的焊接工藝特性決定了其是水下結構物修復和水下管線焊接的最佳選擇。高壓干法焊接無需將水下結構拖出水面進行處理，與機械連接器相比有更大的靈活性，而它的應用的范圍更廣泛。另外，熔焊對于工裝系統(tǒng)和構件有較高的容差，這又降低了施工成本和設備的復雜性。圖1.1 水下結構物維修手段Fig.1.1 Maintenance technique of underwater structure 大量國內(nèi)外的研究表明：在相對低壓環(huán)境下，即0.1-1MPa，環(huán)境壓力對焊接電弧的影響尤為明顯?；谝陨显?，本文旨在通過高壓實驗和數(shù)值仿真的方法研究GMAW焊

5、接電弧和熔滴過渡各個參數(shù)（溫度場、電流密度、電弧電壓等）在高壓環(huán)境下的變化規(guī)律，得到高壓環(huán)境對焊接電弧形態(tài)和熔滴過渡的影響，從而為改善水下焊接質量，開發(fā)相應的焊接新材料和新工藝奠定基礎。英國是最早使用了水下焊接技術的國家。早在1917年，英國海軍將水下濕法焊接技術應用到船體鉚釘?shù)臐B漏修補中。后來各種水下焊接技術陸續(xù)出現(xiàn)，高壓干法焊接是由美國人于1954年率先提出的，在1966年美國開始將這一技術用于水下作業(yè)。目前階段，海底管道的水深一般不超過200m。在這種深度環(huán)境下，填充焊和打底焊采用手工焊或者TIG焊就可以滿足焊接質量要求。但是隨著海洋石油產(chǎn)業(yè)向著深海發(fā)展，海底作業(yè)已經(jīng)延伸到1000m左右

6、甚至更深的海域。要大規(guī)模開采深海的油氣資源，目前被廣泛應用的水下焊接技術就有點力不從心，必須進行適當?shù)恼{(diào)整和研究才能適應更高的要求。 當水深達到500米以下時，有兩個因素嚴重限制著水下焊接操作：首先，水深超過250米時，會引起潛水員身體的不適，比如高壓神經(jīng)綜合征（HPNS）。這種癥狀會導致潛水員注意力下降，而焊接過程需要潛水員保持注意力高度集中，所以這種病癥對深水作業(yè)造成很大限制。人類潛水的極限水深大概是605米，當水深超過這一極限，就會對潛水員身體造成損害。挪威政府認為超過180米的水下作業(yè)為特別危險工作；其次，從上個世紀八十年代開始，科研人員發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境壓力的增大，TIG焊接電弧的穩(wěn)定性變

7、差。大量科研人員最終確定高壓環(huán)境先TIG焊接的最大工作水深是在500米左右，當水深大于這一深度時，焊接過程就是極其不穩(wěn)定，而電流脈沖焊雖然不受此限制，但是由于其較高的操作靈活性要求和較低的金屬沉積率等缺陷，也難以有大的發(fā)展空間。 基于以上的背景，GTAM焊接難以在水深超過500米的海域使用。其他的連接手段如固相焊、機械連接等雖然可以一定程度上替代電弧焊接，但電弧連接被業(yè)界普遍認為是效率最高、重量小和應用記錄好的連接手段。國外對于高壓干法水下焊接技術的研究開戰(zhàn)比較早，已經(jīng)發(fā)展到了相當成熟的階段。已經(jīng)有許多科研機構都在進行大水深的高壓焊接技術研究，包括德國漢堡聯(lián)邦國防軍大學(UVB)、GKSS研究

8、中心、挪威科技工業(yè)研究院（SINTEF）、美國東南研究所、英國Grandfield大學等。這些研究機構的研究成果表明，等離子弧焊可以和GMAW焊接可以實現(xiàn)100bar環(huán)境壓力下作業(yè)，可以將他們應用于深水連接作業(yè)。等離子弧焊是TIG焊的一種延伸，這兩種焊接方法都不消耗鎢極，它們的區(qū)別體現(xiàn)在焊接過程上。TIG焊引燃電弧后，其電弧自由燃燒和擴展，而等離子弧焊的焊槍電極端部前幾毫米處有一個碳制或銅制的噴嘴，其電弧受到這個噴嘴的限制，從而電弧被壓縮到這個水冷噴嘴中，如圖1.2所示。這樣提高了電弧溫度，縮小了電弧橫截面積，增加了弧束材料的導電性。等離子弧焊電弧性能受到多種因素制約，包括電弧壓力、空口形狀和

9、位置、焊接電流、等離子氣體組成和流量等。這些因素改變，可以調(diào)整電離子弧焊的操作范圍。當采用低等離子體氣流和大直徑孔口時，電弧穩(wěn)定，受控水平下降，而且電弧壓力比同等條件下的TIG焊接的弧壓高百分之十。當采用高等離子氣流和小孔徑時，電弧的受控水平提高，功率密度增加。當功率密度增加到足夠大時，電弧可以穿透數(shù)毫米厚鋼板。圖1.2 等離子流焊接示意圖Fig.1.2 Schematic illustration of Plasma-Arc Welding綜上所述，等離子弧焊與鎢極氬弧焊相似，易于控制，且功能穩(wěn)定。同時，由于其能量密度的適應性使其具有切割方面的潛力。當作業(yè)水深超過TIG焊接穩(wěn)定操作的深度時，

10、等離子弧焊是很好的替代方法。但是等離子弧焊的能量損失較大，效率極低，這是其難以克服的問題。 近年來，我國水下焊接技術的發(fā)展取得了多項重大突破。2006年11月，我國“十五”863計劃“渤海大油田勘探開發(fā)關鍵技術”重大專項研制的“水下干式管道維修系統(tǒng)”在渤海成功進行了海上試驗。這項試驗檢測了該系統(tǒng)的關鍵技術性能和主要技術指標、海上作業(yè)穩(wěn)定性和可操作性。海試的結果表明這套我國自主研發(fā)的水下干式管道維修系統(tǒng)各項性能先進、穩(wěn)定、可靠，具有良好的現(xiàn)場作業(yè)性能。這套系統(tǒng)由海洋石油工程股份有限公司聯(lián)合上海交通大學、中國石油大學（北京）、北京石油化工學院和哈爾濱工程大學五家單位進行研發(fā)。海試的成功，標志著我國

11、水下干式管道維修技術和裝備研究取得了重大進展。 “十五”863計劃在“渤海大油田勘探開發(fā)關鍵技術”重大專項中設立了水下干式管道維修系統(tǒng)課題，該課題的目標是研制一套最大工作水深60米、可以在水質混濁海域進行海底管道維修的裝備，集成海底管道修復技術,對出現(xiàn)故障的海底管道實現(xiàn)水下快速修復，形成海底管道水下干式維修能力。經(jīng)過近5年的研究，課題組突破了“水下干式維修技術”、“水下高壓干式焊接技術”和“干式艙系統(tǒng)設計、建造”等關鍵技術，設計制造了包括“水下干式艙”、“水下金剛石繩鋸機”、“水下開孔機”、“水下干式焊接系統(tǒng)”及“水下挖溝機”等在內(nèi)的完整的水下干式管道維修系統(tǒng)。 “水下干式管道維修系統(tǒng)”的研發(fā)

12、成功，填補了我國海洋工程維修領域的一項空白，打破了國外技術壟斷。該系統(tǒng)投入使用后，能夠形成我國對海底管道的快速維修能力，在海底管道出現(xiàn)故障、發(fā)生油氣滲漏時，能夠實現(xiàn)快速響應、快速修復，減少原油滲漏對海洋環(huán)境的污染，縮短維修周期，恢復海上油氣田生產(chǎn)，減少國家和企業(yè)的損失，保障海上油氣田安全生產(chǎn)。 圖1.1 水下干式高壓焊接試驗裝置Fig.Hyperbaric welding testing chamber1.2 GMAW焊接概述 熔化極氣體保護焊，即GMAW(Gas Metal Arc Welding)是指利用連續(xù)給送的填充金屬和工件作為電極形成電弧，并以此電弧加熱金屬獲得金屬結合的方法。圖1.

13、2是熔化極氣體保護焊的工作原理圖。這種焊接方法有固定焊接和移動焊接兩種操作方式。焊絲被連續(xù)送進、溶化并過渡到熔池中，和溶化的母材金屬混合冷卻形成焊縫。噴嘴不斷向焊接區(qū)域輸送保護氣體，使熔滴、熔池和金屬母材處于一個無與外界空氣隔絕的環(huán)境中。這種焊接方法具有操作簡單、應用范圍廣、焊接速度快、熔敷率高等優(yōu)點。GMAW焊接技術被廣泛的應用于造船、機械制造、航空航天、汽車制造、石油化工、電子技術等工業(yè)領域。GMAW焊接適用于大部分金屬材料，包括低碳鋼、不銹鋼、合金鋼，及有各種色金屬等。圖1.3 GMAW焊接系統(tǒng)示意圖Fig.1.3 Sketch map of GMAW1.2.1 GMAW焊接電弧 熔化極

14、氣體保護焊是指采用可溶化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來溶化焊絲和木材金屬，并向焊接區(qū)域輸送保護氣體，使電弧、焊絲、熔池及附近的金屬母材不受周圍空氣的氧化作用。 焊接電弧的能量由焊接電源提供，在工件和焊絲之間的氣體介質中產(chǎn)生的強烈而持久的自持放電現(xiàn)象（放電現(xiàn)象是指當兩個電極之間存在電位差時，氣體介質中的導電現(xiàn)象）。氣體放電現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由于兩電極之間存在大量可以自由移動的帶電粒子,包括電子、正離子和負離子，其中電子和正離子負責引燃和維持電弧燃燒。電弧帶電粒子的來源主要有兩個,一是氣體介質中的電離，二是電極電子的發(fā)射。電弧的引弧和燃燒還伴隨著氣體等離子體的激勵、解離、復合和負離子產(chǎn)生等過程。

15、焊接電弧是一種低溫等離子體，具有溫度高、電流大、電壓低、發(fā)光強等特點，它可以高效的把電能轉換為機械能和熱能，是焊接過程重要的能源。焊接電弧中的光譜、電信號、聲信號等控制信息是焊接技術研究中的重要參數(shù)。熔化極氣體保護焊具有兩個方面的作用：一是作電弧的電極；二是作填充金屬。焊絲在被電弧加熱溶化后形成熔滴，并向母材過渡融合，冷卻后形成焊縫。焊接參數(shù)不同時，熔滴過渡的形式也有所不同。熔滴過渡的形式一般可分為短路過渡、滴狀過渡、射滴過渡、射流過渡、亞射流過渡、旋轉射流過渡、脈沖過渡等。1.2.2 GMAW焊接熔滴過渡在眾多熔滴過渡形式中，滴狀過渡和旋轉過渡穩(wěn)定性差，很少被采用；短路過渡的焊接參數(shù)范圍較窄

16、，不易得到；而應用最為廣泛的是短路過渡、滴狀過渡、射流過渡和射滴過渡。圖1.6所示的是這四中熔滴過渡形式。圖1.4 MIG焊熔滴過渡頻率和電流的關系Fig.1.4 Relationship between frequency of GMWA droplet transfer and current （a）短路過渡 （b）滴狀過渡 （c）射滴過渡 （d）射流過渡圖1.5 熔滴過渡示意圖Fig.1.5 Sketch map of metal transfer（1）短路過渡 短路過渡發(fā)生的條件是：細焊絲、小電流、小電壓、弧長小于熔滴的懸掛長度。引燃電弧后，焊絲開始融化，體積逐漸增大，焊絲持續(xù)送進，導

17、致尚未脫落的焊絲接觸到熔池，產(chǎn)生短路，電弧熄滅，電弧弧壓趨于零，短路電流隨之變大，并引起電磁收縮力壓縮液體金屬柱，熔滴被表面張力拉入熔池中，當金屬液和熔池分離后，弧壓隨即恢復到空載水平以上，電弧重新引燃，以上一系列過程不斷重復，就形成了短路過渡。短路過渡的優(yōu)點是非常穩(wěn)定，產(chǎn)生的熔池加熱面積小冷凝迅速，適合焊接薄板、全位置焊和間隙較大的搭橋焊。但是，由于短路過渡時負載變化較大，對電弧電壓的要求較高，所以很不易應用于實際生產(chǎn)中。（2）滴狀過渡滴狀過渡發(fā)生的條件是：小電流、大電壓。焊接電流密度小時，熔滴上起主要作用的是重力和表面張力。當表面張力無法維持熔滴重力時，熔滴就會自由下落。當保護氣體中二氧化

18、碳比例較高時，電弧會受到二氧化碳的壓縮集中，導致電流強度升高，形成非軸向熔滴過渡。滴狀過渡容易產(chǎn)生劇烈飛濺、焊透不完全等焊接缺陷，在實際生產(chǎn)中應用較少。（3）射滴過渡 射滴過渡是指熔點較低電導率及熱導率較大的鋁和銅焊絲的熔滴過渡時，其熔滴尺寸接近于焊絲直徑，過渡頻度在每秒100200次左右，每一滴都呈現(xiàn)規(guī)則過渡。實現(xiàn)熔滴從大滴過渡到射滴過渡轉變的臨界電流稱作射滴過渡臨界電流。圖1.6 射滴過渡示意圖Fig.1.6 Scheme of projected droplet transfer射滴過渡時電弧形態(tài)呈鐘罩形，弧根面積大并包圍熔滴，熔滴內(nèi)部的電流線發(fā)散，作用在熔滴上的電磁收縮力FC成為過渡的

19、推動力。斑點壓力F斑作用在熔滴表面各個部位，阻礙熔滴過渡的作用降低，這時阻礙熔滴過渡的力主要是焊絲對熔滴的表面張力。 MIG焊射滴過渡主要是低熔點材料MIG焊所表現(xiàn)出的熔滴過渡形式，鋼質焊絲MIG焊射滴過渡規(guī)范區(qū)間很窄，在形成射滴后馬上轉變?yōu)樯淞?，也可認為鋼質焊絲恒定直流MIG焊沒有射滴過渡，但也可通過脈沖參數(shù)控制，使鋼質焊絲出現(xiàn)射滴過渡。 圖1.5是鋼焊絲MIG焊電流值和熔滴過渡頻率及熔滴體積的關系。實現(xiàn)細顆粒噴射過渡的下限電流值稱作臨界電流(critical current)。當電流超過臨界電流值后，過渡頻度劇增，熔滴體積急劇減小。臨界電流值因焊絲材質、焊絲直徑、保護氣等有著顯著的差異。圖

20、1.7 臨界電流Fig.1.7 critical current（4）射流過渡 對于鋼系焊絲，小電流情況下，電弧產(chǎn)生在熔滴的下部，熔滴尺寸較大，隨電流的增加，電弧覆蓋熔滴范圍增大，熔滴尺寸逐漸減小，并在焊絲端部與液態(tài)熔滴間形成縮頸，電弧包圍著熔滴下部金屬，當電流增大到某一值時，電弧突然跳到縮頸的上部（跳弧現(xiàn)象），形成對下面液態(tài)金屬的大面積覆蓋，電弧中的等離子氣流突然增強，加上頸縮部位表面張力數(shù)值較低，促使熔滴快速脫離，即產(chǎn)生了第一滴脫落；在第一個熔滴脫落后，電弧呈現(xiàn)圓錐形，這時等離子氣流對焊絲前端金屬有強烈的摩擦作用，把焊絲端部的液態(tài)金屬削成鉛筆形，細小的熔滴從尖端一個接一個地向熔池過渡其過渡

21、頻度最大可以達到每秒500次，肉眼觀察電弧中心有一條流束型黑線，是由速度很高的細滴組成的熔滴流，在熔滴流周圍是圓錐狀的爍亮區(qū)，內(nèi)部有大量的金屬蒸氣，把這種噴射過渡形式稱作射流過渡。電弧產(chǎn)生跳弧時的電流被稱為射流過渡的臨界電流。MIG焊接焊絲接陽極，在小電流時，電弧的陽極區(qū)形成在熔滴前端底部，電弧弧柱呈圓錐形，由于電磁拘束力小，熔滴主要受重力的作用而產(chǎn)生過渡，其顆粒較大。增大電流后，電弧形態(tài)擴展，較大范圍包含焊絲端頭，電極前端被削成尖狀，熔滴細顆粒化，這時的熔滴過渡形態(tài)稱作“射流過渡”。其特征為：熔滴尺寸小于焊絲直徑，熔滴過渡平穩(wěn)，電弧穩(wěn)定，能夠得到均勻的焊縫。1.2.3 GMAW焊的主要工藝參

22、數(shù)（1）焊接電流當其他焊接參數(shù)不變時，焊接電流隨著送絲速度的變化呈非線性變化。在應用平特性電源時，焊接電流和送絲速度的變化規(guī)律相似。當焊接電流較小時，焊絲直徑和電流的近似呈線性關系。當焊接電流較大時，焊絲直徑和焊接電流呈非線性。隨著焊接電流增加，焊絲溶化速度提高，這是焊絲干伸長上的電阻熱的作用。（1） 電弧電壓（電弧弧長）電弧電壓和電弧長度有一定得相關性，但是他們是不同的。電弧長度是個獨立參數(shù)，而電弧電壓除了跟電弧長度有關外，還跟焊接方法、保護氣體等有關。電弧電壓還包括焊絲干伸長上的電壓降。電弧電壓的設定取決于保護氣體、焊接材料和熔滴過渡類型。一般來說，電弧電壓越高，電弧越長，焊縫余高越小，焊

23、縫熔寬增加，熔深減小。但過大的電弧電壓會產(chǎn)生氣孔、咬邊和飛濺；電弧電壓越低，則電弧長度越短，焊縫余高越大，熔深增加，焊縫寬度變窄。但過低的電弧電壓會導致焊絲插進熔池中。（3）焊接速度 當不改變其他條件時，適當?shù)暮附铀俣瓤梢允呛缚p熔深得到最大值。當焊接速度降低時，填充金屬在單位長度上的熔敷量會增加。焊接速度如果太慢，電弧的熱作用將主要作用在熔池上，熔深就會下降，焊縫變寬，就會產(chǎn)生燒穿和焊縫組織粗大的缺陷。 當焊接速度不大時，電弧力的作用幾乎是垂直向下作用的，隨著焊接速度的提高，弧柱向后傾利于熔池金屬液在電弧力作用下向尾部流動，促使熔池尾部暴露，因而有利于增加熔深，當焊接速度提高到一定數(shù)值時焊縫熔

24、深達到最大。之后隨著焊接速度的提高，單位長度的母材金屬從電弧得到的熱量逐漸減少，焊縫熔寬和熔深及余高都會減少。過大的焊接速度會引起焊縫兩側咬邊。（4）極性極性是指焊絲與直流電源的連接方法。當焊絲接焊接電源正極(Direct current electrode positive )時，被稱為反極性；當焊絲接焊接電源負極（Direct current electrode negative）時，被稱為正極性。GMAW焊接最常用的極性是直流反接。直流反接的連接方法電弧穩(wěn)定，熔滴過渡平穩(wěn)，飛濺少，焊縫成形美觀，在較大電流范圍內(nèi)可以獲得較大熔深。（5）焊絲干伸長 焊絲的干伸長是指導電嘴的末端到焊絲端部的距

25、離。增加干伸長就是增加焊絲電阻。由于短路過渡焊接是選用較細的焊絲，焊絲干伸長產(chǎn)生的電阻熱是不可忽略的因素。當其他條件不變時，隨著干伸長的增加，焊絲的熔融速度增大，焊縫熔深和焊接電流都有所減少。從保護氣體保護效果來看，干伸長應該盡量小，但由于飛濺容易堵塞噴嘴，所以還需要保持適當量的干伸長。在短路過渡時，焊絲干伸長一般是6-15mm；大電流焊接時，干伸長為15-25mm以內(nèi)?？傊缮扉L距離應根據(jù)焊接姿勢、電弧穩(wěn)定性和作業(yè)環(huán)境的不同而調(diào)整。（6）焊縫位置 噴射過渡（射流過渡和射滴過渡）一般應用于平焊和橫焊位置，脈沖噴射過渡可用于全位置焊接。在立焊和仰焊位置，為了克服重力作用，一般采用較細的焊絲，對于脈沖噴射過渡和短路過渡，直徑小于1.2毫米的焊絲則適合全位置焊接。薄板的立焊焊縫最適合采用向下焊接的方式。工件傾斜時，焊縫成形會因焊接方向的不同而存在較大區(qū)別。當上坡焊時，重力和電弧力會促使熔池液態(tài)金屬向熔池尾部流動，電弧能深入的加熱熔池底部金屬，同時增加熔深和余高。但是，熔池前端的加熱作用減弱，電弧斑點飄動范圍減小，熔寬減小。上坡的角度越大，這種影響就越明顯。當工件與水平面的夾角大于6-12°