水下高壓干法GMAW焊接方法研究探討

黃明生　黃熙洋

摘要：高壓干法焊接是海洋工程水下維修的有效方法，多年來國內外進行過多種焊接方法的嘗試，應用中都有各自的問題和局限。對 GMAW 方法在高壓干法環境中的特性進行了系統的研究，通過試驗條件的建立及高速攝像技術的應用，開展了高壓空氣條件下 GMAW 方法的電弧特性的試驗研究以及焊接過程穩定性的建立，結合對焊接接頭微觀組織及力學性能的測試分析，形成了一套完整的工藝技術，為水下維修工程焊接技術的發展，開辟了一條新路。

關鍵詞：高壓干法、GMAW、電弧特性

一、前言

水下環境焊接海底道，其操作條件與陸上完全不同。采用濕法焊接能見度差，焊縫含氫量高，冷卻速度快，焊縫成形差，接頭質量不能滿足海洋管道高質量的要求。因此，要保證海底管線的焊口質量，需采用高壓干法焊接。水下高壓干法焊接，電弧燃燒和熔滴過渡需在高壓氣體環境中進行，另外因操作人員不能進入排水罩，需采用自動化、智能化的焊接系統，采用遙控方式完成。先期開展的高壓氣體介質中的電弧特性、熔滴過渡方式、焊縫成形的組織特征等基礎特性的試驗研究是實現海底管道焊接的基礎。本研究結合海底管線的焊接條件和質量要求，針對性的開展水下干法高壓氣體環境下全位置 GMAW 焊接的電弧物理特性、熔滴過渡、焊縫成形及接頭性能的特點，為海洋石油開發奠定基礎，具有良好的應用前景。

二、試驗條件和方法建立

1、焊接試驗艙設計

實驗項目工作需有一個能夠模擬水下焊接條件的干法焊接實驗艙，它包括一個耐壓殼體、自動開啟的艙門、焊接設備和實驗儀器線纜的進出孔、觀察孔以及保持壓力平衡的排煙裝置。

2、試驗用設備、儀器

試驗過程配備專用焊接試驗臺架、空氣壓縮機、焊接設備、觀測和檢測儀器等。焊接試驗臺架、送絲機及焊炬部分放置在壓力艙內，焊接電源為福尼斯CMT4000，和控制系統一起放置在壓力艙外。

三、電弧穩定性試驗

1、空氣壓力環境下的焊接燃爆試驗

在水下干式壓力環境里進行弧焊作業需要往干式艙內通入高壓氣體，以驅除海水形成干式環境。充入的氣體可以是空氣、惰性氣體或含惰性氣體的混合氣。焊接過程中，焊接區還需送保護氣進行保護。顯然隔水高壓氣體采用空氣經濟效益最好，環境氣氛控制也最簡單。但采用空氣加壓后作為隔水氣體有可能燃弧后會發生燃爆現象。國內前期針對 GTAM 方法進行過壓縮空氣燃爆試驗，在淺水范圍內是安全的。由于 GMAW 焊與氬弧焊差異較大，使用的測試、觀察儀器較多，本研究針對試驗和應用條件，首先進行了高壓空氣環境的燃爆試驗，試驗結果如表 1 所示。

由表 1 可知，在 0.1～0.6 MPa 空氣壓力范圍內，適用于 GMAW 的焊接保護氣 φ（Ar）82%+φ（CO2）18%，在焊接電流 140～180 A 時燃弧，未發生明火燃燒或爆炸現象，不具備引燃周圍試驗裝置的條件，能夠保證試驗的安全性。

2、高壓環境電弧特性

（1）環境壓力影響

為了驗證高壓環境中 GMAW 焊焊接電弧的穩定性，采用了兩種焊接模式進行試驗：一種為 CMT（冷金屬過渡）方法；另一種為協同控制的常規GMAW 焊接方法。試驗用母材為 φ168×8 的鋼管（材質 X65），焊絲為 JM-56，直徑 φ1.0 mm，干伸長 10 mm，保護氣為Ar+CO2，氣體流量 20 L/min。試驗結果如下。

①CMT 模式

在不同焊接電流情況下，隨著環境壓力的增加，電弧電壓呈上升趨勢，且隨著電流的增加，電弧電壓也呈增加趨勢。整個焊接過程中，焊接電弧穩定。

②一元化協同 MAG 模式。

在不同焊接電流下，隨著電流的增加，電弧電壓也呈增加趨勢。隨著環境壓力的增加，電弧電壓上升趨勢不明顯，可能與電弧電壓動態波動較大有關。整個焊接過程中，焊接電弧基本穩定，相對 CMT 模式，協同控制方法有較多飛濺。

隨著環境壓力的升高，電弧電壓有增加的趨勢，所以，要獲得較為穩定的焊接過程，隨著壓力升高，應相應提高電源的輸出電壓，或者采用外特性為下降特性的焊接電源。

（2）焊接電流影響

采用同樣的焊接材料和模式，試驗了在不同壓力情況，獲得穩定的焊接過程，焊接電流和焊接電壓的變化關系。無論是 CMT 模式還是一元化 MAG 模式，隨著電流的增加，電弧電壓都呈增加趨勢，即電弧具有上升特性。整個焊接過程中，焊接電弧穩定。

（3）高壓環境電弧形貌

實驗采用高速攝像記錄焊接過程，攝像速度為1 000 f/s。主要研究不同焊接模式、不同保護氣體、不同環境壓力以及不同焊接電流對應的電弧形貌。通過圖像處理，對比在同一參數下電弧的最大直徑和高度，進而得出相關的規律。不同環境壓力下的電弧形貌，隨著環境壓力的增加，電弧的高度也略微增加。總體上來說，電弧隨環境壓力的增大而增大，因為焊接電流相同，環境壓力增加后，電弧電壓也相應增加（見電弧靜態特性的研究），這時電弧的能量增加，電弧爍亮區域也更大一些。

四、焊接接頭的組織和性能

采用 CMT 焊接模式，待焊管件在工作臺的帶動下作旋轉運動，焊槍固定于特定位置不動，特定位置分別有：平焊、立向下、仰焊位置。試件為φ168 mm×12 mm 的 X65 管線鋼，焊材為 JM-68（GB/ER55-G），保護氣體 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，環境壓力分別為 0 MPa（常壓下）和 0.4 MPa 兩種。

1、焊接接頭金相分析

（1）常壓下焊接接頭金相分析

熱影響區的組織分為過熱區（粗晶區）、完全重結晶區（細晶區）和不完全重結晶區。粗晶區晶粒較粗大，塊狀先共析鐵素體沿原奧氏體晶界析出，晶粒內部為針狀鐵素體和少量的珠光體，細晶區組織為較小的鐵素體和珠光體。焊縫顯微組織為鐵素體、珠光體和少量的碳化物。這是因為 X65 含碳量低，并且通過 C、Mn 元素的固溶強化，所以焊縫凝固所形成的奧氏體主要向鐵素體和珠光體相變。相變后的組織主要是鐵素體和少量的珠光體。這些鐵素體通常沿原奧氏體邊界析出。根部焊縫和中間焊縫以等軸晶粒為主，且晶粒較上層焊縫的小，這是因為根部焊縫和中間焊縫承受了上層焊縫的熱處理，其組織為晶粒較小的鐵素體和少量珠光體。而蓋面焊縫呈柱狀晶，鐵素體組織晶粒較粗大，且出現了粗大的魏氏組織。

（2）0.4 MPa 環境壓力下焊接接頭金相分析

與常壓下焊接接頭金相組織相比，0.4 MPa 壓力下中間焊縫和蓋面焊縫出現大量上貝氏體組織（圖中大量羽毛狀組織即為上貝氏體組織）。上貝氏體組織的形成必須進行碳的重新分布和鐵的晶格改組，碳原子以一定速度在奧氏體中擴散和重新分布，鐵和合金原子幾乎不擴散，在 γ→α 轉變的同時，碳自鐵素體中脫落，碳原子穿過鐵素體相界擴散到奧氏體中，形成上貝氏體。由于焊接過程在 0.4 MPa 的壓力下進行，影響碳原子的擴散速度，從而在中間焊縫和蓋面焊縫出現了大量上貝氏體組織。上貝氏體組織的形成勢必降低焊接接頭的韌性。另外，與常壓焊接相比，晶內碳化物分布集中性差，比較分散，這也是由高壓下碳原子擴散速度變化引起的。

2、焊接接頭力學性能分析

按照 AWS D3.6 標準對焊縫進行無損檢測后加工試樣，進行力學及其他性能測試。經手持 10 倍放大鏡宏觀金相檢驗，未見明顯缺欠；導向彎曲測試合格。檢驗結果證明，各項指標符合標準要求，依此規范進行水下高壓干法 GMAW焊接可得到合格的焊接接頭。

五、結束語

在高壓下要得到較為穩定的焊接過程，須相應提高電源的輸出電壓，干伸長可取在常壓焊接時的下限，保護氣體流量大于 15 L/min。在不同的環境壓力下，CMT 模式與一元化模式相比，焊接過程穩定，可以作為高壓焊接方法首選。相信隨著海洋石油工程及相關配套技術的發展，該項技術應用前景良好。

參考文獻：

[1]曹軍生.水下系梁高壓旋噴樁配合錨網噴支護施工[J].山西建筑，2004（01）.

[2] 蔣力培，王中輝，焦向東，等.水下焊接高壓空氣環境下GTAW 電弧特性[J].焊接學報，2007，28（6）：1-4.

[3]李貴興，彌金霞.錨網噴支護技術在水電工程中的應用研究[J].科技與企業，2013（04）.