水下螺柱焊槍的研制與應用

薛延華　杜永鵬　朱小俊　申云磊

摘要：針對海洋工程中的安裝固定及封堵維修等水下作業需求，基于短周期拉弧焊接技術設計了一種水下螺柱焊槍，并從安全用電設計、供氣排水設計和施工便利性設計等角度介紹了焊槍設計關鍵環節。對水下螺柱焊槍開展了水密性試驗、供氣排水試驗及水下焊接測試，結果表明，焊槍具有良好的防水性能，操作安全可靠，能有效實現螺柱的水下快速焊接。

關鍵詞：螺柱焊;水下焊接;焊槍

中圖分類號：TG455文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0037-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.07

0 前言

在海洋工程領域，經常需要對結構物實施水下固定安裝，以及對破損結構進行水下封堵修復等作業。為了完成上述工作，通常在陸上焊條電弧焊的基礎上，通過改變焊材、改進焊接設備和焊接方法來開展水下濕法焊條電弧焊[1]。受水下特殊環境的影響，水下濕法焊條電弧焊在工程應用中存在操作困難、對潛水員技能要求較高等問題，急需一種操作簡便易學、焊接質量可靠的水下焊接方法。螺柱焊技術憑借其操作簡單的優勢，使得破解上述難題成為可能。

螺柱焊是將金屬螺柱或其他類似的緊固件直接焊至金屬工件的一種焊接方法。在焊接過程中，當焊接程序啟動后，在螺柱與金屬表面形成先導電流并清除表面涂層或污漬;隨后焊槍按照設定程序自動將螺柱提升至設定高度，通電引弧后，通過外力將螺柱緩慢插入熔池;繼續施加短暫電流和持續供氣，對焊接接頭加熱形成結晶接頭。隨著電力電器件的發展，螺柱焊接技術得到了推廣[2]，已達到可以完全代替鉚接或鉆孔螺栓緊固的效果[3]。唐識等人[4]開展了螺柱焊技術在核電建設領域的研究工作，通過相應技術手段控制結構模塊螺柱焊質量。殷浩澍[5]研究了螺柱焊技術在船廠的應用，并提出了應用過程中需注意的問題。

盡管螺柱焊接技術在陸上焊接作業中獲得了成功應用，但考慮到水下焊接的特殊條件，若將其應用于水下施工中，需解決電弧的氣體保護、設備的防水防腐耐壓以及操作者的人身安全等諸多問題。在國外，Masanobu等人開展了水下螺柱焊接技術研究[6]，但未進行必要的工藝測試;國內有關螺柱焊的水下焊接應用研究較少，鮮有可供參考借鑒的相關文獻資料。

本文介紹了一種基于成熟的短周期拉弧焊接技術的水下螺柱焊槍，借助該焊槍可實現螺柱的水下快速焊接。該焊槍的成功研制豐富了水下作業施工的技術手段，為水下螺柱焊接技術的推廣應用提供了有力的支撐。

1 水環境對水下螺柱焊要求

水下螺柱焊技術與陸上短周期拉弧焊接技術工作原理相似，但在焊接過程初期，需要在螺柱與金屬表面局部密封，通過供氣排水使焊接局部形成干式環境，以滿足后續焊接操作過程所需條件。

與陸上螺柱焊不同，在水下焊接過程中，潛水員所處的環境潮濕，極易發生麻電等危險，一旦受到電擊，輕則造成潛水員的放漂、撞傷、摔傷等，重則會直接導致潛水員死亡。為此，水下螺柱焊接過程研究中需要重點關注水下用電安全問題。

由于水下焊接作業時需佩戴潛水頭盔、氣瓶等器材，操作靈活性差。潛水員進行水下螺柱焊接時，對焊接設備的靈活便利性提出了更高的要求，因此，還需從操縱靈活便利角度開展水下螺柱焊槍設計。

2 水下螺柱焊槍設計

根據水下螺柱焊接工作原理，結合水下焊接的特點，制定了如圖1所示的水下螺柱焊焊槍設計方案，并從防水耐壓、供氣排水、氣體保護、安全用電、自動控制輕量化等角度開展相關研究工作。

2.1 安全用電設計

水下螺柱焊槍安全用電設計包括焊槍密封設計、焊槍工作電壓設計和焊接電流控制設計3個方面。

為確保水下螺柱焊槍內電子元器件和執行機構的使用安全和用電安全，焊槍設計需要解決密封問題。焊槍的密封部位主要包括后端調整裝置、前端的電磁提升傳動裝置、焊接啟動開關以及焊接電纜連接裝置等。其中焊槍后端調整裝置屬于靜密封，可采用防水密封帽;電磁提升傳動裝置的傳動軸實現往復直線運動，屬于動密封，為保證其往復直線運動，采用石墨軸承和活塞密封組件實現傳動軸對中和動密封;焊接啟動開關采用防水磁性開關，確保整體密封性能。焊接電纜連接裝置是將焊接電流（最大約1 600 A）傳導至焊接螺柱上的重要部件，它需要保證較大的焊接電流，必須將其對提升裝置的運動影響降至最低。為解決這一問題，設計了由導電軸、柔性線纜、電纜轉接器和密封罩體組成的焊接電纜連接裝置，如圖2所示。

為了保障潛水員的水下用電安全，在水下焊接操作過程中應嚴格遵守國家標準《水下焊接與切割中的安全》中的規定，將工作電壓控制在水下人體能夠直接接觸的安全電壓值范圍內（直流36 V）。該螺柱焊接電源在提供最大焊接電流1 600 A時，焊接電壓小于直流24 V，完全滿足水下安全用電的技術要求。為保證焊槍其他零部件的用電安全，焊槍中的管式電磁鐵的電壓為直流24 V，控制電纜的電壓為直流12 V。

影響潛水員水下用電安全的另一重要因素是焊接電流。為避免焊接電流對潛水員的影響，在焊槍設計中采取的具體措施如下：（1）對焊槍本體進行耐壓防水設計;（2）在提升裝置中利用絕緣體將焊接電流與焊槍本體隔離，避免焊接電流“回流”至潛水員;（3）焊槍的焊接啟動控制程序采用防差錯設計，即只有螺柱頂端與金屬表面接觸并提升一定高度時，按下焊槍磁性開關才能啟動焊接過程，從而避免潛水員在水下誤操作發生觸電和焊接電流通過潛水員身體等安全隱患。

2.2 供氣排水設計

供氣排水設計包括排水結構設計、排水氣罩進氣方式設計和排水保護氣體選擇3個方面。

為保證水下螺柱焊接質量，減少水下環境對焊接熔池的影響，在水下螺柱焊槍的前端設計有如圖3所示的排水氣罩，它具有局部排水和氣體保護兩個功能。排水氣罩的進氣方式對罩內氣流的穩定性以及排水效果影響很大，當罩內氣體為層狀或流束狀運動時，既可以減少氣流對電弧的擾動，又有利于罩內積水和焊接煙霧的下壓、外排。排水氣罩的進氣方式有多種：徑向進氣、切向進氣和帶鎮靜氣室的環向進氣。在參考已有文獻資料的前提下，以降低氣罩罩內氣流紊亂程度為目標，選用正向進氣且有鎮靜氣室的氣罩結構[7]。對于正向進氣且有鎮靜氣室的排水氣罩，不論是罩內的速度分布還是壓力分布都很均勻，氣體在鎮靜室內得到了充分的緩沖，保證了罩內氣流的穩定。排水氣罩上部氣流的速度大于下部，能夠達到將焊接煙霧下壓和排出的目的，滿足設計要求。

對于氣體類型的選擇，局部干法焊接使用的保護氣對水下螺柱焊提供了有益的參考[8-9]。在局部排水焊接中使用的氣體主要包括空氣、CO2和Ar三種氣體。空氣中含有大量氧氣，具有較高的氧化性，影響到焊接質量;CO2在高溫下分解出的氧氣具有較強的氧化性，并且隨著溫度的升高增強，在螺柱焊接過程中較為不利;Ar是惰性氣體，不與金屬產生化學反應，同時Ar不溶解于液態金屬，將其作為氣體保護層，可防止被焊金屬中的合金元素高溫下氧化燒損，且保護效果好，能獲得較高的焊接質量。因此，在水下螺柱焊接過程中采用氬氣作為排水和氣體保護焊氣體。

2.3 施工便利性設計

水下螺柱焊槍的施工便利性設計包括結構優化減重設計、焊接過程優化控制設計等。

由于水下螺柱焊槍采用短周期拉弧焊原理設計，其內置電磁提升、執行機構等相關組件，質量較大，會影響潛水員水下使用。為減輕水下螺柱焊槍的質量，設計時焊槍本體采用超高分子量聚乙烯材料加工而成，該材料具有強度高、抗沖擊、耐磨和防腐性好等優點，且密度較低（0.97 g/cm3）能減輕焊槍的整體質量。另外，對于電磁鐵-彈簧提升機構的傳動軸等部件，采用中空設計，可以進一步減輕焊槍內部機構質量。

在水下螺柱焊接過程中，螺柱的提升高度、時機和持續時間是關鍵參數。為保證自動焊接過程，螺柱提升和下落運動的實現主要由焊槍內的電磁鐵線圈的通斷電和彈簧的壓縮、釋放來完成。當按下焊槍開關，焊槍中的電磁線圈通電，使鐵心產生向上的運動壓縮彈簧，螺柱隨之提起一定高度;焊接預設時間到達之后，電磁鐵線圈斷電，在彈簧恢復力和電磁鐵鐵心重力作用下，螺柱插入熔池完成焊接。

通過防水、供氣排水、氣體保護、用電安全以及自動控制等特殊設計，研制完成如圖4所示的水下螺柱焊槍。

3 試驗驗證

為驗證水下螺柱焊槍的實用性、可靠性和安全性，對水下螺柱焊槍進行焊槍水密性試驗和供氣排水試驗等測試，如圖5所示。

將水下螺柱焊槍的供氣排水保護罩放置在水槽中，啟動焊接開關，焊槍保護罩內出現氣泡。當供氣一定時間后，水下螺柱焊槍能夠自動引弧。上述動作的順利完成證明焊接區域的排水效果良好。

將螺柱焊槍放置在水深為4 m的水中進行水密試驗。經過0.5 h后，未發現水下螺柱焊槍的透明觀察管出現水滴現象，證明水下螺柱焊槍能滿足設計的密封性能。開啟焊接開關，水下螺柱焊機按照設定參數實施水下供氣排水。根據潛水員在水下的觀察結果可以證實，焊槍排水效果良好。

順利完成上述測試工作后，在青島近海某碼頭開展了水下螺柱焊工藝試驗。作業區域水深4 m，能見度約2 m，焊接用螺柱直徑10 mm，母材為Q345船用鋼板，板厚8 mm。水下螺柱焊焊接成形如圖6所示，焊后經彎曲測試，被焊螺柱性能滿足設計要求。

試驗結果表明，該水下螺柱焊槍具有焊接時間短、操作簡單、安全性高、焊接質量好等特點，可以在水下將螺柱直接固定于金屬表面上，代替鉚接、鉆孔和攻螺紋連接，滿足水下快速固定、安裝以及應急搶修等作業需求，可用于封艙打撈、水下構件安裝等水下快速固定、安裝等作業，也可以用于破損船舶的水下快速堵漏或搶修等工程。

4 結論

（1）設計了一種基于短周期拉弧焊接技術的水下螺柱焊焊槍，解決了安全用電設計、供氣排水設計和施工便利性設計等焊槍設計關鍵技術。

（2）水下螺柱焊槍具有良好的水密性，能夠根據需要排干電弧區域周圍的水分，滿足螺柱焊接要求。水下螺柱焊槍設計安全可靠，可在水下安全地引燃電弧。

（3）水下螺柱焊接技術能夠在短時間內實現水下快速連接，在水下打撈修復等工程中有著較大的推廣價值。

參考文獻：

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[3] Jorg H，Hadi S. A review on assessment of fatigue strength in welded studs[J]. International Journal of Steel Structures， 2014，14（2）：21-438.

[4] 唐識，張俊寶，董永志. 螺柱焊在三代核電工程結構模塊中的應用[J]. 電焊機，2016，46（8）：1-6.

[5] 殷浩澍. 螺柱焊在船廠的應用[J]. 電焊機，2006，36（1）：19-22.

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