水下焊接技术的现状及发展趋势

【摘要】当前海洋工程的发展势头迅猛，水下焊接技术在采油平台、输油管道和海底仓库等大型海洋结构物组装、维护及维修方面扮演着重要角色。文章首选对对水下焊接技术所面临的问题进行了分析，随后剖析了当前的水下焊接技术的种类特点以及应用情况，最后对水下焊接技术的未来发展趋势进行了展望。

【关键词】水下焊接；技术；发展趋势

1 水下焊接面临的基本问题

（1）水下焊接的可见性差：：在水下，由于水对光线的吸收、反射、折射等作用，致使水中的能见度比空气中差很多； 在焊接过程中，焊材燃烧产生的大量保护气体和烟雾也使操作者对焊接过程难以做到精确的把握； 此外，在海底有大量海藻和淤泥的情况时，更使焊接过程的可见性降低。

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（2）水环境对焊缝的影响

在水下焊接，电弧的高温燃烧极易使焊材周围的水分解，产生大量的氢气和氧气，致使焊缝中的氢含量过高，产生大量裂纹。一般水下焊接焊缝中的氢含量可达30 -40mL/100g，最高可达60-70 mL/100g，比陆上焊接高几倍。当熔融金属冷固时，气孔不易排出，接头处容易产生裂纹，难以保证焊接质量。

（3）冷却速度过快。水的热导率高于空气40 多倍，水对焊缝及热影响区金属有较强的冷却作用。由于焊缝处冷却速度过快，形成内应力，导致焊缝组织脆化，韧性降低，产生裂纹。

（4）压力过大。在水下，随着深度的增加，水压会随之增大，致使焊接电弧弧柱变细，焊道变窄，焊缝高度增加，同时导电介质密度增加，从而增加了电离难度，电弧电压随之升高，电弧稳定性降低，飞溅和烟尘也增多。因此，压力增加时对焊接过程的工艺特性、焊缝性能以及焊缝的化学成分等都会产生不利的影响。

（5）焊接的连续性差：由于水下的特殊环境，焊接操作的不便性，焊接过程很难连续操作。

2 当前水下焊接种类、特点及应用

在海洋工程和水利工程中应用的水下焊接方法，已经发展到20 多种。所有的焊接方法都是在陆上焊接方法的基础上，配合消除水因素影响的不同装置构成。总体上可以分为3 类：干法、湿法、局部干法以及可移动气室式水下焊接。由于使用不同的防水装置，使得水下焊接方法具有不同的特点和应用场合。

2.1 干法焊接技术

干法焊接是用气体将焊接部位周围的水排除，使焊工处于无水环境下进行焊接的方法。进行干法焊接时，需使用供气系统和工作环境，焊接质量好，但设备价格昂贵，该方法一般适用于深水、高质量结构焊接。根据工作室内的不同压力，干法水下焊接可分为高压干法和常压干法水下焊接。

当前，高压干法焊接多采用高压轨道TIG 焊，它的熔化性能随压力增加而提高，而且氢吸附率低，并利用能磁场和电源能对电弧进行有效控制实现自动焊。常压干法焊接时的环境陆上压力基本相当，因此两种干法焊接质量较好，多用于深水、重要部件焊接。

2.2 湿法焊接技术

湿法焊接是指直接在水环境中进行焊接，常用方法有焊条电弧焊和药芯焊丝电弧焊两种。由于受水环境的影响，焊接接头质量不高，多用于不重要部件。近年来，虽然对焊条的研究取得了一定的进步，如美国7018’S 焊条及德国自保护药芯焊条等，但仍然不能提高超过100 m 水深的焊接质量。该技术由于焊接设备简单，操作灵活，因此在浅水作业中应用非常广泛。

2.3 局部干法水下焊接技术

局部干法焊接是把焊接的局部区域产生隔水区进行焊接的方法。与湿法焊接相比，由于消除了水因素影响，焊接接头质量较好；与干法焊接相比，不需要昂贵的排水设备，适应能力强。它综合了湿法和干法两者的优点，是一种比较先进的焊接方法，应用非常广泛，如我国研制的LD-CO2 焊接方法，采用NBS-500 型水下半自动焊机，成功进行了多次海底焊接。

2.4 可移动气室式水下焊接

可移动气室式水下焊接有1 个可以移动的一段开口的气室，通入的气体既是排水气体又是保护气体，用气体将气室内的水排出，气室内呈气相，电弧在其中燃烧。焊接时，将气室开口端与被焊部位接触，在开口端装有半透密封垫与焊枪柔性密封，焊枪从侧面伸入气室，排水气体将水排出后，便可借助气室中的照明灯看清坡口位置，而后引弧焊接，焊一段移动一段气室，直至焊完整条焊缝。该法可进行全位置焊接。

3 水下焊接技术的发展趋势

虽然上述各种水下焊接方法自从其出现以来，都依靠其各自的优势， 在特定的方面得到了应用，但从目前来看， 水下焊接的研究还不能完全满足水下焊接施工的要求。未来应从以下几个方面做重点研究：

（1）从焊接冶金和保证焊接质量的角度看，干法水下焊接是最为有利的，所以， 近年来高压干法水下焊接技术得到了进一步的发展，但仍然不能满足实际的需求，目前，对于高压电弧的理论研究还不十分完整，如何采用多信息融合技术达到对焊接过程的智能监控也已成为高压干法焊接领域的新课题。

（2）水下电焊焊条和药芯焊丝是影响湿法焊接质量的主要因素，因此，加快研制高质量水下焊条和药芯焊丝，实现250 m 水深焊接技术突破，是我们今后努力的方向之一。

（3）摩擦焊接属于固相连接技术，具有高效、高精度、低能耗等特点，且焊接接头质量优异。2006 年水下摩擦焊接实验表明，摩擦焊接不受水环境及水深影响，因此，摩擦焊接技术是适应深水焊接开发的新方向。

（4）模拟技术在焊接技术中的应用，实现了从理论到模拟实验再到生产的有机结合，使焊接技术完成了由经验到科学、由定性到定量的跨越。当前陆上焊接过程的温度、粘度、熔池及焊缝金属应力等方面的模拟取得了较大进展，但对水下焊接环境的模拟开发仍然相对滞后，应着重进行水下焊接要素模拟的研究开发工作。

（5）自动化、智能化等先进技术在焊接技术方面的研究，有利于突破水下焊接深度的限制。该技术已在干法和局部干法焊接中有了探索性的应用，克服了常态干法和局部干法焊接技术存在的一些问题，但是当前水下焊接自动化、智能化系统仍然存在许多缺陷，如灵活性、施焊环境、检测能力、监控技术及作业可靠性分析等方面需要进一步改善和提高。

（6）采用计算机仿真技术，比在实际物理模型上的安装、调试、试验等工作量要小得多，并且周期短，投资少，显示出许多优点。近年来，它在焊接工艺的制定、焊接设备的研制以及控制系统的改进等方面的研究中都有应用。通过焊接仿真， 有助于构思新方案， 并能提前发现存在的问题， 这也是以后应当研究的一个领域。

结语

目前，世界上所有水下焊接技术的发展都是以水下工程需求为背景的。虽然与水下焊接相关的问题日益增多，但对该领域的研究和报道却相对较少。缺乏系统的研究是水下焊接理论基础薄弱且实际应用较少的原因之一。因此，科研机构间加强合作， 并且系统化研究内容是实现水下焊新突破的必由之路。