水下濕法FCAW 電弧穩定性的研究

石永華,婁風力

(華南理工大學機械與汽車工程學院,廣東廣州510640)

0 引言

水下焊接技術是海洋油氣設施建造及核電站維修的關鍵技術之一[1,2]。隨著海洋石油的開采從近海走向深海,穩定可靠的水下焊接技術也成為需要。但從現階段看,我國水下焊接維修技術遠遠難以滿足國民經濟發展的要求,同外國先進水平相比有很大的差距[3]。

盡管水下濕法焊接環境惡劣,難以得到高品質的焊縫接頭,但由于水下濕法焊接具有設備簡單,操作靈活,成本低,適應性強的優點,研究水下濕法焊接對提高水下焊接技術具有重要的意義。水下濕法焊接主要采用自保護藥芯焊絲,因為自保護藥芯焊絲在電弧燃燒時能夠產生大量的氣泡,提供一個穩定的氣相區維持電弧的燃燒[4,5]。由于水下焊接環境與常壓空氣中焊接環境差別很大,受到水下嚴酷的環境影響,水下濕法焊接過程不穩定,焊接品質差[6-8]。因此,電弧燃燒的穩定性在焊接過程中起著關鍵的作用[9]。對水下濕法焊接電弧穩定性進行研究,分析影響水下濕法焊接的關鍵因素,對提高水下焊接過程的穩定性有重要作用。

1 基于響應曲面法的實驗方案設計

根據試驗要求設計了高壓艙水下濕法焊接系統軟硬件。模擬了在不同水深下進行濕法自動焊接過程,并通過傳感器和數據采集卡結合Labview軟件采集焊接過程中的電壓電流數據,用于焊接電弧穩定性的研究。建立了電弧穩定性指標,進行詳細的響應曲面試驗方案設計。最后根據試驗方案,運用高壓艙水下焊接系統進行不同水深下的濕法FCAW焊接試驗,獲得可靠的試驗數據及結果。

1.1 水下濕法FCAW試驗裝置

在實際的海水中進行水下濕法焊接試驗成本高,操作困難,并且存在各種自然影響因素,因此在實驗室中采用高壓艙模擬水下焊接試驗。高壓艙水下濕法焊接試驗系統如圖1所示。在高壓艙內進行濕法焊接試驗,艙內注入水,水面比焊接工件表面高約0.2 m,導電嘴深入水中,焊接時電弧完全在水環境中燃燒。通過加入高壓氣體模擬不同水深,0.1 MPa壓力等于10 m水深。在高壓艙外使用工控機控制三軸運動平臺帶動焊槍運動進行焊接,并實現導電嘴到工件距離的調整。焊接電壓電流信號數據采集系統主要由霍爾傳感器、數據采集卡與數據采集軟件組成,采集的電壓電流信號數據用于對電弧穩定性的分析。

圖1 高壓艙水下焊接系統

1.2 基于響應曲面法的水下濕法FCAW試驗

水下濕法焊接試驗于高壓艙水下焊接系統中進行,試驗條件為:藥芯焊絲牌號為SQJ501,直徑為1.6 mm,導電嘴到工件距離(CTWD)定為 20 mm,焊接速度定為7 mm/s,在厚度為8 mm的Q235鋼板上進行表面堆焊。

2 水下濕法焊接電弧穩定性研究

電弧穩定性是衡量焊接品質好壞的重要指標之一。穩定的電弧是獲得良好的焊縫品質的基礎。水下焊接參數和水壓對水下焊接電弧的穩定性有很大的影響。焊接電弧穩定性的高低對焊接品質的好壞影響很大,不穩定的焊接電弧會造成各種焊接缺陷。水下濕法焊接環境惡劣,冷卻速度快。水下濕法焊接電弧由于水的壓力和擾動,焊接氣泡周期性破裂等原因導致弧長波動較大,電弧容易熄滅,焊接過程不穩定。由于焊接環境的不同,水下濕法焊接電壓電流的匹配規律跟常壓空氣中應有所不同。同時電弧所受的壓力隨水深而增加,不同水深下的電壓電流的匹配對焊接過程的穩定性影響也不一樣。以電弧電壓變異系數的倒數,即電弧穩定系數Ud作為電弧穩定性指標,通過響應曲面法建立電弧穩定性模型,分析焊接電流、電壓和水深及其相互之間的交互作用對電弧穩定性的影響,分析了不同水深下電壓電流的匹配規律和水下焊接工藝范圍。

2.1 焊接參數的交互作用對電弧穩定性的影響

0.2 m水深、40 m水深和80 m水深的電流電壓對電弧穩定性的交互影響如圖2所示,對比可以看出:

1)隨著水深的增大,電弧穩定性總體下降。

2)在水深較淺時,可以通過提高焊接電流來獲得較穩定的焊接電弧;在水深較大時,可以通過提高焊接電壓來獲得較穩定的焊接電弧。

3)隨著水深的增大,要獲得較高的電弧穩定性,電壓必須增大。

同時采集焊接電流和水深對電弧穩定性的影響、焊接電壓和水深對電弧穩定性的影響得出結論,隨著水深的增大,電弧穩定性明顯下降,而且電流越大,下降的程度越明顯。當水深較淺時,用較低的焊接電壓能獲得較高的電弧穩定系數,隨著水深的增加,所需的匹配電壓增大。

圖2 焊接電流和焊接電壓對電弧穩定性的影響

2.2 不同水深下的電流電壓匹配規律

圖3(a)為水深0.2 m時,電弧穩定性隨焊接電壓改變的趨勢圖。圖中可以看到,電流為150 A、200 A、250 A、300 A和350 A時,電弧穩定性隨電壓先上升后下降。

圖3(b)為水深40 m時,電弧穩定性隨焊接電壓改變的趨勢圖。焊接電流為150 A、200 A、250 A、300 A時,電弧穩定性隨電壓先上升后下降,而當電流為350 A時,電弧穩定性隨電壓的上升而上升。

圖3(c)為水深80 m時,電弧穩定性隨焊接電壓改變的趨勢圖。,焊接電流為150 A、200 A、250 A時電弧穩定性先上升后下降,當電流為300 A和350 A時,電弧穩定性隨電壓的上升而上升。

圖3 不同水深下電壓電流匹配對電弧穩定性的影響

2.3 水下焊接電弧穩定性的敏感度分析

試驗采用經過編碼后的變量求焊接電弧穩定性對各焊接參數的敏感度,可以消除采用不同量綱分析敏感度帶來的麻煩,使焊接電弧穩定性對不同焊接參數的敏感度之間的比較具有統一的標準。分別在水深為0.2 m、20 m、40 m、60 m和80 m計算焊接電弧穩定性對電流、電壓、水深的敏感度。不同水深下焊接電弧穩定性對各焊接參數的敏感度如圖4所示。每一水深下的25個數值分別為焊接電流和焊接電壓5個水平的全面匹配。

圖4(a)為焊接電弧穩定性對焊接電流的敏感度。圖中可以看出,隨著水深的增加,電弧穩定性對焊接電流的敏感度的絕對值呈減小趨勢,說明水深越大,焊接電流對焊接電弧穩定性的影響越小,在水深較淺時,增大電流可以提高電弧穩定性,但水深較大時,增大電流對電弧的穩定性不利。

圖4(b)為焊接電弧穩定性對焊接電壓的敏感度。圖中可以看出,隨著水深的增加,電弧穩定性對焊接電壓的感度的絕對值呈增大趨勢,說明水深越大,焊接電壓對焊接電弧穩定性的影響越大,在水深較大時,增大電壓可以提高電弧穩定性。

圖4 不同水深下焊接電弧穩定性對各焊接參數的敏感度

圖4(c)為焊接電弧穩定性對水深的敏感度。圖中可以看出,隨著水深的增加,電弧穩定性對水深的敏感度的絕對值呈增大趨勢,說明水深越大時,水深對焊接電弧穩定性的影響越大。水深大到一定程度后,隨著水深的增大,電弧的穩定性急劇下降。可以看出,隨著水深的增大,電弧穩定性降低。但降低的速度并不一樣。0~40 m的水中,電弧穩定性下降較慢,40 m~80 m的水中,電弧穩定性下降變快。在水深小于40 m的情況下,隨著水深的增加,只要選擇合適的電壓電流,電弧穩定性并不會有明顯下降。因為在淺水中,焊接產生的氣泡對周圍的水產生了擾動,水的擾動反過來影響了電弧的穩定性,隨著水深的增加,水壓力增大,在一定程度上可以限制這種擾動程度。表現為40 m以下的焊接電弧穩定性并沒有明顯的下降。而當水深達到80 m后,焊接環境已經非常惡劣,過多的短路過渡引起了大量的飛濺,焊接穩定性急劇下降。

3 結論

在對水下焊接過程電弧穩定性的研究過程中,通過高壓艙模擬不同水深水下自動焊接過程并建立電弧穩定性與各焊接參數之間的響應曲面模型,分析了焊接參數及其相互之間的交互作用對電弧穩定性的影響,并根據所建模型得出不同水深下電壓電流的最佳匹配值和水下濕法焊接工藝范圍,最后對水下濕法焊接電弧穩定性進行了敏感度分析。研究所采用的試驗方法、設計的軟硬件系統以及得出的試驗數據可以為今后相關領域提供參考。

[1]焦向東,朱加雷.海洋工程水下焊接自動化技術應用現狀及展望[J].金屬加工(熱加工),2013,2:24-32.

[2]唐德渝,龍斌,鄭樹森.海洋石油工程水下焊接技術的現狀及發展[J].金屬加工(熱加工),2009,4:24-28.

[3]鐘繼光,石永華,王國榮.新型水下焊接電源及送絲機構的研究[J].電焊機,2005,35(12):1-3.

[4]賈傳寶,杜永鵬,郭寧.藥芯焊絲水下濕法焊接過程實時檢測與控制技術[J].焊接,2011,4:15-19.

[5]吳安如,夏平,賀永祥.濕法水下焊接的冶金特點及水下焊條設計[J].西安工業學院學報,2002,22(2):155-158.

[6]徐坤剛.旋轉電弧水下焊接工藝的研究[D].南昌:南昌大學,2009.

[7]白濤,孫健,袁朝.水下焊接技術在水利工程中的應用[J].水利發電,2009,35(3):72-74.

[8]蔣磊,郝靜如.超小型水下機器人本體的研究[J].機械設計與制造 2009,12:176-178.

[9]王芳,賈傳寶,杜永鵬.水下濕法手弧焊焊接過程穩定性的評價方法研究[J].山東科學,2012,25(5):47-52.