1、1第五章第五章 水下焊接水下焊接2第一节第一节 水下焊接的概述水下焊接的概述随着海洋工程的迅速发展，特别是海上油田的开发，水下焊接技术越来越受到重视，并取得了突飞猛进的发展，现在水下焊接在海上采油平台，海底油气管道，海底油库，海底隧道以及海上飞机场等各种海洋工程结构的施工中，实际上已经成为一项关键性的技术。3一、水下焊接的基本问题一、水下焊接的基本问题1.能见度差水下电弧的能见度非常低，再加上电弧周围产生的气泡的影响，严重妨碍了潜水焊工技术正常发挥。42.急冷效应海水的热传导系数较高，约为空气的20倍左右。湿法焊接时,水对焊缝的急冷效应明显，容易出现高硬度的淬硬组织 3.焊缝含氢量高水下焊缝含
2、氢量一般都较高，很容易引起氢脆或其他如白点、脆断、斑点及冷裂纹等缺陷。54.深水压力的影响随着压力（水深）的增加，电弧电压随之升高，飞溅与烟尘增多，焊缝金属中气体（如N、O、H等）的含量一般都呈增加的趋势，焊缝中合金元素的含量则呈减少趋势,另外,焊缝的成型也会随着压力的增加而变坏 6第二节第二节 水下焊接的方法水下焊接的方法已研究和应用的水下焊接方法巳达已研究和应用的水下焊接方法巳达20多多种。种。一般将水下焊接方法分为三大类，即湿一般将水下焊接方法分为三大类，即湿法、干法及局部干法水下焊接。法、干法及局部干法水下焊接。7一、湿法水下焊一、湿法水下焊涂料焊条手弧焊、涂料焊条手弧焊、涂料焊条重力
3、焊、涂料焊条重力焊、涂料焊条低角度焊、涂料焊条低角度焊、涂料焊条躺焊、埋弧焊、涂料焊条躺焊、埋弧焊、熔化极半自动焊熔化极半自动焊及等离子弧焊等。及等离子弧焊等。图图5-1 湿法手工电弧焊示意图湿法手工电弧焊示意图1-工件 2-电弧气泡 3-上浮气泡 4-焊条 5-焊钳8二、干法水下焊二、干法水下焊用气体将焊接部位周围的水排除，而潜水焊工处于完全干燥或半干燥的条件下进行焊接的方法称为干法水下焊。需要压力仓或工作室。根据其压力可分为:高压干法及常压干法。91.高压干法焊 室内的压力要随着工作水深而变化，即始终要大于水深压力。才能使焊接部位的水排出。多采用涂料焊条手弧焊及气体保护电弧焊。图5-2 高
4、压干法水下焊接压力仓示意图1-工件 2-电缆 3-干室 4-焊接设备 5-焊枪10缺点：设备复杂、施工成本高昂、对焊接结构形式的适应性窄及不能消除水深压力的影响等问题。特别是随着水深压力的增加，焊接电弧特性、冶金特性及工艺特性都会受到不同程度的影响。112.常压干法焊 克服了高压干法中水深压力对焊接过程的不利影响。其焊接空间内的压力可保持与陆上大气压力相等。设备较高压干法更复杂，施工成本也更高昂。因此，其应用范围亦受到很大的限制。12三、局部干法水下焊三、局部干法水下焊潜水焊工及工件直接处于水中，但采用特殊构造的挡水罩，罩内通入空气或保护气体将电弧周围与水隔开，从而在待焊部位形成一个局部的无水
5、空间而进行焊接的方法称为局部干法水下焊。根据挡水罩的构造及大小，已发展了多种局部干法水下焊方法。131.大型挡水罩局部干法水下焊图5-3 大型挡水罩局部干法水下焊示意图1-工件 2-电弧 3-保护气 4-挡水罩 5-送丝装置 6-软管 7-焊枪 挡水罩内的无水空间较大。可实现手工电弧焊、气体保护电弧焊。移动灵活性稍差。142.中型挡水罩（亦称干点式）局部干法水下焊采用一个具有半透密封垫的圆筒形气室或挡水罩，通入空气或保护气体进行排水，从而在焊接部位形成一个局部干燥干点。（1）水下空气排水涂料焊条手工电弧焊 （2）移动气室式局部干法水下焊15（1）水下空气排水涂料焊条手工电弧焊1-工件 2-电弧
6、 3-焊钳 4-焊条 5-头盔面窗 6-护目玻璃7-旋转气排 8-气流 9-照明灯 10-气泡 11-厚呢垫焊接时，将挡水罩压在待焊部位。焊条从进口孔插入，排水后即可进行焊接。潜水焊工可借助挡水罩内的照明灯观察焊接过程。罩内的旋转气流可以有效地进行排水并排除焊接时产生的烟雾。设备简单，易于操作，其焊缝质量优于湿法手工电弧焊。16（2）移动气室式局部干法水下焊挡水罩采用一个可移动气挡水罩采用一个可移动气室，一般多采用半自动气室，一般多采用半自动气体保护焊。体保护焊。可分段移动，也可连续移可分段移动，也可连续移动。动。该法曾在渤海油田的施工该法曾在渤海油田的施工中得到应用。中得到应用。173.小型
7、排水罩局部干法水下焊将小型排水罩直接装在气体保护焊焊枪的端部，保护气体亦起排水作用，在罩内形成一个稳定的局部空间。焊接时，局部空间随焊枪一起移动，对电弧进行有效的保护。排水罩:钢丝刷式，水帘式，旋罩式，小型气罩及同轴式小型气罩等。l-工件 2-焊丝 3-喷嘴 4-保护气体 5-钢丝刷 6-焊缝18第三节第三节 水下焊接电弧特点及焊水下焊接电弧特点及焊接冶金特点接冶金特点一、水下焊接电弧的特点一、水下焊接电弧的特点1.湿法水下焊接电弧的特点1)湿法涂料焊条手弧焊时，在电弧周围会形成一个称为电弧气泡的气相区。2)由于电弧气泡周期破裂，会产生大量小气泡上浮，干扰了电弧气泡的稳定性，从而增加了操作的困
8、难。3)电弧被压缩，横断面积减少。而且，水深压力增大时，电弧电压也增大，电弧静特性呈上升趋向。4)水深压力增加时，电弧长度缩短。为保持正常的电弧长度，压力每增加一个大气压时，电弧电压一般应提高1V左右。192.干法及局部干法水下焊接电弧特点 干法及局部干法焊接时，电弧没有受到水的直接影响，但环境压力的作用，使其仍表现出和湿法焊接电弧基本相同的特点。表表5-1 不同不同CO2气体压力下焊接电弧稳定性试验值气体压力下焊接电弧稳定性试验值压力(MPa)短路过渡频率(次/min)短路时间(ms)最大短路电流(A)短路时间比率(%)燃弧时间比率(%)断弧时间比率(%)电弧稳定性0524.433023.1
9、76.90良0.1484.736021.378.70良0.3427.144026.852.121.1较差0.5387.945030.329.540.2差20二、水下焊接的冶金特点二、水下焊接的冶金特点水下焊接的冶金过程，由于受到水和压力的影响，表现出与陆上焊时不同的特点21水的影响主要表现在二个方面：一是由于电弧气氛成分的变化，其中氢和氧对焊接冶金过程的影响特别显著。再加上其它因素（如压力）的影响，使焊缝中的氢含量增加并使金属元素和合金元素的烧损加剧，焊缝金属氢含量现在已成为评价水下焊接方法的一个重要指标。另一个重要影响是使焊缝的冷却过程会因不同的焊接方法而出现很大的差异，从而使焊缝的金相组织
10、和力学性能也会有很大的不同。22第四节第四节 水下焊接材料、设备及工艺水下焊接材料、设备及工艺一、水下焊接材料一、水下焊接材料1.母材 目前国内外用于制造水下结构的材料大 都限于低碳钢及低合金高强钢。2.焊丝及焊条 一般情况下，高压干法及局部干法焊接，可根据实际情况选用陆上焊的焊丝及焊条。3.保护气体 水下焊接采用陆上焊接用的保护气体。23二、水下焊接设备二、水下焊接设备1.湿法焊接设备 1）焊接电源从安全角度来考虑，水下湿法焊时一般要采用直流电源，2)焊接电缆水下焊接用申缆应具有足够的导电面积，绝缘性能良好，并能在高压环境下使用。4)切断开关 3)水下焊钳 水下焊钳对绝缘电阻的要求较严格，一
11、般不应小于2.5M。242.干法及局部干法焊接设备 局部干法焊接中，可选用哈尔滨焊接研究所生产的NBS-500型水下局部排水半自动C02焊接设备 251.工作深度 2.接头型式、焊缝类型及坡口的加工3.焊接参数的选择4.操作技术三、水下焊接工艺三、水下焊接工艺261.工作深度 我国尚未正式规定各种水下焊接方法在实际生产中的工作深度。最大实际工作深度等于该水下焊接方法的试验深度再加上10m(或比试验深度大20)，在小于3m的深度进行湿法焊接时，可在等于实际工作深度或更浅的深度进行试验。272.接头型式、焊缝类型及坡口的加工 水下接头的型式及焊缝的类型大致与陆上焊的相同。坡口尺寸可根据焊接方法、板
12、厚及结构的形状尺寸等参考陆上坡口的标准来考虑决定。若不能在陆上预先加工的坡口，可采用风动刮铲、风动砂轮机、熔化极水喷射切割、氧-弧切割等方法及设备在水下进行加工。283.焊接参数的选择 1)湿法手弧焊参数(a)焊条直径(e)焊道层次 (c）电弧电压(d）焊接速度(b)焊接电流 29(a)焊条直径 根据母材厚度、接头型式、焊缝位置及焊接层次等条件而定。(b)焊接电流 主要取决于焊条径、母材厚度、焊接位置及现场条件等因素。使用同种直径的焊条时，水下焊使用的焊接电流可比陆上焊时高2030左右。(c）电弧电压 主要由弧长决定。湿法手弧焊时，焊条一般靠在焊件上运行，故弧长仅取决于焊条涂料层套筒的长度。实
13、际焊接时，应尽量压低电弧。30(d）焊接速度 焊接速度对水下焊接的质量影响较大，应根据实际情况确定。在大坡口对接平焊、角焊缝平焊、船形焊时，焊接速度可慢些，横焊、立焊、仰焊时，焊接速度可稍快。(e)焊道层次 湿法手弧焊时，由于运条方法的特点，焊缝宽度在很大程度上取决于焊条直径。实际焊接时，每层焊道的厚度为焊条直径的0.81.2倍时较为合适。312）局部干法CO2焊参数(a)焊丝直径(b)焊接电流及电弧电压焊接过程中，要求电弧电压与焊接电流有良好的配合(c）焊接速度：可在100300mm/min之间选用。(d）焊丝伸出长度(f）气体流量(e）电感值32(d）焊丝伸出长度 经验表明，焊丝伸出长度为
14、焊丝直径的10倍较合适。封底焊道焊接时，焊丝伸出长度宜大些。以后的填充焊道，则可适当缩短。(e）电感值 焊接时，可根据飞溅颗粒的大小、焊接电缆的长度及电缆盘绕的情况加以调整。(f）气体流量 主要根据工作的水深压力及实际的排水效果加以确定、调整。334.操作技术 由于水下环境的特殊性，水下焊接操作技术与陆上焊时有较大的差异。例如，湿法手弧焊时一般多采用拖焊法，依靠焊条涂料层触及工件来对准焊缝及控制弧长，其运条的方式与陆上焊时就大不相同。34一、水下焊缝的性能指标一、水下焊缝的性能指标美国焊接学会制定的AWS D3.6-83标准中，将水下焊缝分为A、B、C、D四个等级，并对每个等级都提出相应的性能
15、要求。第五节第五节 水下焊接的性能指标及水下焊接的性能指标及质量检验质量检验3536二、水下焊缝的质量检验二、水下焊缝的质量检验1.水下检验方法 由于水下结构往往较为庞大和复杂，制造费用高昂，因此，对这类结构一般不采用破坏性检验而多采用非破坏性检验。1)水下目视检验2)水下无损探伤检验371)1)水下目视检验水下目视检验用肉眼或借助放大镜（一般20倍以下）进行观察检验，也可借助水下摄影、水下电视及水下录像等方法将待检部位的状况摄录下来，由陆上人员进行检验。效果很大程度上取决于潜水检验人员的判识能力和实践经验。382)水下无损探伤检验水下无损探伤检验主要用于检验水下结构或焊缝的内部缺陷。目前普遍
16、使用的方法有：水下磁粉探伤、水下超声波探伤及水下射线（Y射线）探伤等。近期，我国引进的水下磁粉探伤及水下超声波探伤设备巳获得了初步的应用。39我国尚未有正式的水下探伤标准，为确保水下焊接质我国尚未有正式的水下探伤标准，为确保水下焊接质量，可按下述程序进行检验：量，可按下述程序进行检验：1)焊前应进行母材和焊接材料、焊接方法和工艺、潜水焊工认可考试等方面的检验。2)点焊后应对焊接坡口进行表面质量检查，如发现问题，处理后再施焊。3)焊后要进行一次目视检验，如多层焊时，每焊完一层，要马上进行目视检验。若发现缺陷应及时处理。4)焊后48h，应对焊缝进行全面检查，条件许可时，应进行水下磁粉或水下超声波探
17、伤检验结束后应写出检验报告。5)某些重要的水下结构，可进行验证检验。即在实际施工的环境下，焊接一件与实际结构有相同焊缝的试件，焊后48h取出，按商定的检验标准进行检验并作解剖试验，如各项指标合格，即可对实际水下结构进行认可。40第六节第六节 水下焊接安全技术及劳水下焊接安全技术及劳动卫生保护动卫生保护一、水下焊接安全问题一、水下焊接安全问题1)安全电流2)安全电压 3）距带电体的安全距离 4）地线位置 水下电源（如焊接电源）需接地线时，其接地位置对流经人体及潜水装具的金属部件的漏电电流都会产生影响。411)安全电流 422.水下防止触电的措施水下防止触电的措施1)水下焊接电源应使用直流电，禁止
18、使用交流电，其空载电压一般在50-80V之间。2）与潜水焊工直接接触的控制电器必须使用隔离变压器并有过载保护。其使用电压，工频交流时不得超过12V，直流时不得超过36V。3）要定期检查水下焊所用设备、焊钳及电缆等的绝缘性能及防水性能。4）潜水焊工进行操作时，必须穿戴专用的防护服及专用手套。435）开始操作前或操作过程中需更换焊条或剪断焊丝时，必须通知陆上人员断开电路。6）引弧、续弧过程中，应避免双手接触工件、地线及焊条。7）注意接地线位置，不要使自己处于工作点和地线之间。8)在带电结构（有外加电流保护的结构）上进行水下焊接操作时，应先切断结构上的电流。44二、水下焊接劳动卫生保护二、水下焊接劳动卫生保护(1）视力保护 在水下，电弧发出的强烈弧光及射线（如紫外线），仍然会对眼睛造成伤害若潜水焊工着重潜装具进行操作时，应根据各人的视力情况，选戴适当的护目镜。若着轻潜装具操作时，可配戴软性触膜接触镜。(2）灼伤防护 水下焊接时，飞溅的高温熔渣或熔滴以及处于高温状态下的焊缝等，除可能灼伤潜水焊工外，还可能烧毁潜水装具及气管等。因此，潜水焊工在操作时严禁触摸处于高温的焊缝区和焊条，并应注意潜水装具及气管等不要处于高温物质喷落的区域。
