水下局部干法焊接预热技术及专用排水罩的研制

研制开发了一种带有预热功能的水下局部干法焊接专用排水罩. 该排水罩具有水下预热功能,适用于水下局部干法药芯焊丝半自动焊工艺,预热温度可达60～80℃. 排水罩内设计有一块覆盖于坡口周围的预热钢板,正式焊接前首先在该板上进行预热焊接,通过热传导来实现对焊接坡口的预热作用. 使用该排水罩在水池中进行了模拟焊接试验. 结果表明,焊接接头质量达到AWS D3.6M:2010规定的A级焊缝的各项性能要求. 与其它水下焊接方法的试验结果对比发现,采用所研制的带预热功能的固定式排水罩进行水下局部干法焊接时接头的最大硬度显著降低,韧性也有明显提高.     

DH36水下湿法焊接接头组织和力学性能分析

潜水焊工在水深2 m的水池里,使用水下专用焊条进行DH36试板湿法焊接试验。根据AWS D3.6:2010,对所得到的焊接接头进行焊接工艺评定,并分析其组织及潜在缺陷。结果表明:湿法接头的外观检测、X射线检测、拉伸试验、弯曲试验、冲击试验和宏观试验均满足AWS D3.6:2010 B级接头要求,盖面焊缝的过热区最大硬度值微超出标准规定的上限,其组织主要为粗大马氏体,而打底焊缝的热影响区由于后续焊道的再热作用,组织为回火马氏体。在盖面焊缝下方左右热影响区容易出现氢致裂纹,可通过使用step-back运条手法来解决。     

局部干法水下焊接电弧预热技术

针对局部干法水下焊接接头硬度过高等问题,根据固定式排水罩的特点,提出利用电弧进行预热的方法来改善局部干法水下焊接质量,阐明了预热垫板的设计安装和水下电弧预热的操作方式,并对水下电弧预热的可行性进行了试验验证. 通过焊接接头的工艺试验,对比焊前预热和未预热条件下所得焊接接头的综合力学性能. 结果表明,增加水下焊接预热功能后,焊接接头热影响区的最大硬度明显降低,冲击吸收功明显增加,有效改善了水下焊接接头的综合力学性能.     

DH36钢湿法焊条多层多道焊海试结果分析

通过对潜水员焊工的培训，成功实现了不同接头形式的水下湿法手工多层多道焊，并且在渤海海域的11 ，22 m两个水深分别进行了对接接头平焊、搭接接头横焊及立焊和T形接头立焊及船形位置焊的焊接试验.结果表明，在两种水深的对接接头和搭接接头中都未发现夹渣、气孔及未熔合等缺陷，并且两种水深的对接接头和搭接接头在各项力学性能指标上都满足AWS D3.6 M:2010关于B级接头的要求.与11 m水深的焊缝相比，22 m水深的焊缝柱状晶区的针状铁素体减少，块状铁素体明显增多.两种水深接头的热影响区粗晶区组织差异不大，主要由板条状马氏体组成.     

SMAW水下湿法焊接工艺试验及接头性能

为了解决海洋采油平台在使用过程中出现的材料老化及结构受损等问题,开发了适用于海洋工程结构物维修的水下湿法焊接工艺,本研究采用Broco水下焊条在试验水槽内进行了初步的水下焊接工艺研究,并在焊后对接头进行无损检测、力学性能测试和金相分析等试验。试验结果表明,焊接接头的各项性能指标均满足美国水下焊接AWS D3.6:2010标准B级焊缝的要求,为后续开发更大水深的湿法焊接工艺积累了经验。     

局部干法焊接排水罩的流场分析与优化设计

在水下焊接方法中,局部干法焊接采用排水罩将焊接区域的水排开进行焊接,接头质量容易保证,无需大型排水设备,易于实现水下焊接自动化。然而,横向焊接时熔池在重力作用下产生下榻,影响焊缝成形。局部干法水下横向焊接时,通过优化排水罩结构,使排水罩内高压气体在排水的同时,产生稳定向上的风场吹袭熔池,抑制熔池下淌,并将焊接产生的烟雾迅速带出排水罩,将大幅提高焊接质量。文中采用数值模拟的方法,研究了排水罩内的湍流气体的风场结构,优化了微型排水罩进气口位置、内部结构。研究发现:由端面进气,在排水罩内加挡板,并采用多孔隔板时可以产生理想的风场。     

局部干法焊旋转电弧传感设计及数值模拟

针对水下焊接焊缝质量差等问题,研制了一种用于水下局部干法焊接的旋转电弧传感器来改善水下焊接质量.运用流体力学仿真软件对传感器排水罩的排水效果进行了流场模拟,验证了排水罩结构设计的可行性.焊接实验证明,所设计的局部干法焊旋转电弧传感器改善了水下焊接的质量.     

核电厂定位销局部干法水下TIG焊接工艺

以核电厂定位销水下焊接为研究对象,研制双层气体保护的局部干法水下TIG旋转焊枪,运动轨迹通过直流电机带动钨极绕固定直径转动实现.对核级材料Z2CN19-10控氮奥氏体不锈钢进行焊接,研究局部干法水下TIG焊接焊缝成形,优化工艺参数,结合热循环曲线及电弧形态,分析焊接接头显微组织及力学性能.结果表明,当焊枪的内层和外层保护气均通氩气时,焊缝成形良好,电弧形态稳定;增大焊接电流或减小焊接速度均使焊缝熔深增大,熔宽增大;对比水下焊接接头和陆上焊接接头发现,水的快速冷却作用会促使熔合线附近的铁素体的形态由树枝状转变为板条状,奥氏体含量减少,焊缝中心晶粒细化;水下焊接接头的显微硬度和力学性能略高于陆上焊接接头.     

D36海洋平台用钢Plasma-MIG复合电弧焊接工艺研究

D36海洋平台用钢是造船和海洋平台行业不可或缺的材料,本研究采用Plasma-MIG复合电弧焊接实现了厚25 mm的D36钢对接实验。实验表明:采用优化的12道规划路径的Plasma-MIG多层多道焊焊接工艺参数可以满足焊缝宏观形貌要求,焊缝成形美观,无气孔、夹杂、未熔合等缺陷。与传统MIG焊D36钢接头抗拉强度相比,Plasma-MIG复合焊工艺能够提高D36钢的焊接接头强度。Plasma-MIG复合电弧焊接厚25 mm的D36钢焊缝底部的冲击功为62.26 J,中部为103.27 J,顶部为124.68 J,均远大于海洋工程平台建造焊接规范标准的34 J。因此,焊缝具有较好的低温冲击韧性。     

不同厚度DH36船用板FAB埋弧焊缝微观组织及力学性能研究

对不同厚度DH36船用低合金高强钢进行FAB(挠性石棉衬垫)埋弧焊接的焊接性研究。采用光学显微镜对焊缝微观组织进行分析,用拉伸试验、低温冲击试验、弯曲试验对不同板厚FAB焊缝的力学性能进行了测试。结果表明:随着DH36钢板厚度的增加,FAB焊缝中晶内针状铁素体比例降低,先共析铁素体和侧板条铁素体比例增加;焊缝伸长率和-20℃低温冲击韧性降低,屈服强度增加,焊缝抗拉强度值相差不大。8 mm厚DH36钢板的FAB埋弧焊缝力学性能最佳。20 mm厚DH36钢板FAB埋弧焊缝力学性能不能满足使用要求。     

基于DIC的镍基焊材焊接接头局部力学性能研究

本文通过显微组织分析、数字图像相关技术（DIC）试验以及硬度测试,系统研究了15CrMoR母材与镍基焊材焊接接头各区域的局部力学性能。基于DIC方法获取了镍基焊材焊接接头拉伸过程的全场应变云纹发现：焊缝区域应变较小且不均匀,母材区域应变量大,热影响区均匀过渡。在此基础上构建了焊接接头不同区域的局部应力应变曲线,并揭示了焊接接头局部力学性能参数的分布规律。由焊接接头显微组织的分析可知,局部力学性能参数的分布与显微组织的分布存在密切联系。最后,结合显微硬度与强度参量在焊接接头的分布规律,构建了两者的关联方程,便于镍基焊材焊接接头局部力学参数的估算。     

遥操作干式高压海底管道维修焊接机器人系统

干式高压焊接是既能保证焊接质量又易于实施的海底管道维修方法.基于目前的自动化技术水平和海管坡口制备难度大的现实,提出了基于高级焊工焊接知识和潜水员水下工作技能的遥控海底管道维修焊接策略.研制了一套干式高压环境管道全位置焊接机器人及其分置于水面母船甲板和水下干式舱的机器人焊接控制系统,研制了分别用于场景、坡口和焊缝的视觉监视系统,以及计算机远程信息采集监控系统,它们与水下干式舱系统一道构成了水下干式管道维修系统.还研究了干式舱充气气体种类、焊接电源特殊性和舱内引弧问题.利用先期在干式高压焊接实验室获得的海管焊接工艺完成了海上焊接维修试验,焊缝质量良好.

Abstract：

Among the available underwater pipeline repair methods, hyperbaric TIG welding technology may be the easier one to obtain better joint quality. Due to the low automation level and the bevel preparation difficulty, the repair welding should be conducted based on both the welding knowledge of the welder on deck and the operation skill of the diver. A tele-operated robot for all position hypetharic pipe welding was developed. In the specified case of underwater welding, the process was controlled by a surface based operator, a clear and real time image of the arc as well as the image of groove location were required. An observation system of three cameras for chamber, groove and weld was also developed respectively. All the necessary message of vision, welding current and arc voltage were collected and transferred to the surface by the developed computerized information system. The underwater pipeline maintanence system consists of the welding robot, observation system, the informarion system, together with the habitation. The chamber gas type, the welding power source and arc striking were also studied. With the welding proceedure developed in the hyperbaric welding laboratory, a good weld was obtained in a underwater pipe repair welding test at Bohai sea.     

厚板铝合金变极性等离子弧焊工艺

分析铝镁合金的焊接特性和变极性等离子弧焊的焊接特点及氩-氦电弧的特性,依据8～12 mm板厚5083的焊接经验,选用变极性等离子弧焊,分别采用氩气、氩气+氦气作为保护气体,对16 mm厚的5083铝合金进行焊接试验,通过优化焊接工艺参数,获得良好的焊缝成形;按JB/T 4730《承压设备无损检测》的要求对获得的焊接接头进行射线检测和渗透检测,通过机械性能试验验证焊接接头的机械性能,各项检测及试验结果均符合NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》的要求,获得的焊接工艺规范参数在高压封闭电器外壳筒体的焊接中稳定应用。     

急冷Cu-Sn合金箔快速凝固连接工艺

应用微型电容储能焊机对厚度约40～60μm的急冷Cu-Sn合金箔带进行了快速凝固焊接,分析了焊接工艺参数对接头组织与性能的影响.结果表明,在储能电容不变的条件下,焊接电压及电极力对接头抗剪强度有着显著影响.随着锡含量增加,实现合金箔焊接所需要的电压减小,电极力增大.Cu-7%Sn,Cu-13.5%Sn合金箔比较适宜的焊接工艺参数分别为U=90 V,F=11 N及U=85 V,F=11.5 N.气孔是Cu-Sn合金箔主要焊接缺陷.随电压降低或电极力增加,接头冷却速率增大,气相形核率降低,气泡长大、合并和迁移在一定程度上受到抑制,气孔产生降低.

Abstract：

The rapid solidification welding of quenched Cu-Sn alloy foils with the thickness of 40 - 60μm was conducted by a micro-type capacitor discharge welding machine, and the effects of welding parameters on microstructural morphology and mechanical properties of joint were researched. The results indicate that welding voltage and electrode pressure have obvious influence on the shear strength of joint under fixed capacitance. With the increase of Sn content, the welding voltage needed decreases and electrode pressure rises accordingly. The favorable welding parameters are U = 90 V, F=11 N for Cu-7% Sn alloy and U = 85 V, F = 11.5 N for Cu-13.5% Sn alloy. The main welding defect is porosity. With decreasing of welding voltage and increasing of electrode pressure, the joint cooling rate increases and the pore nucleation rate decreases. Meanwhile, the growth, mergence and migration of porosities are suppressed, resulting in the decrease of porosity forming tendency.     

Underwater robot local dry welding system

To satisfy the demand for good quality underwater welding and maintenance of nuclear power stations, a set of local dry automatic welding systems has been developed. These systems were based on an underwater robot that consisted of a special high-power underwater welding power supply, diving wire feeder, mini drain cap, welding robot, and special underwater welding torch. With a digital signal controller microprocessor as its core and combined with a dual inverter topology, the welding power supply was characterized by full-digital construction and multi-waveform flexible output. A compact diving wire feeding device was designed, based on the armature voltage negative feedback and high-frequency chopping pulse width modulation.This device yielded a high-efficiency seal of the driving motor with the help of dynamic and static sealing technology. To overcome the difficulty of local protection and deslagging in the welding area, a mini drain cap (with a duplexgas structure) based on the principle of the convergent nozzle was designed. The practical tests and the underwater welding experiments revealed that the underwater robotic local dry welding system is quite feasible. That is, the system could strike the arc stably and reliably in the shallow water environment, and formed beautiful welding seams.     

低活化马氏体钢真空扩散焊接工艺

在不同工艺参数下对低活化马氏体钢进行真空扩散焊接试验,通过比较试样显微组织形态、界面结合率及抗拉强度,探究焊接温度、焊接压力对接头组织演化及力学性能的影响. 结果表明,马氏体组织在扩散焊接过程中发生了奥氏体化现象,且焊接温度越高时,奥氏体化程度越高;在一定范围内,提高焊接温度及焊接压力均可增强原子的自扩散效果,从而提升焊缝接头的力学性能,其中焊接温度1 000 ℃,焊接压力20 MPa,保温时间120 min参数下焊接试样的抗拉强度达到1 013 MPa,焊接面结合状况良好.     

高频脉冲变极性焊接工艺性能研究

分析了高频脉冲电流对变极性焊接电弧特性、焊接工艺及焊缝性能的影响,试验结果表明,高频电流脉冲能够较大程度地压缩电弧等离子体、提高电弧轴向压力及电弧挺度,在相同焊接电流有效值的情况下,频率在5kHz以上的电流脉冲能将电弧力提高到普通变极性焊接的260%左右.同时高频脉冲电流能够提高变极性焊接的焊缝熔深,减小焊缝正面余高以及改善焊接效率.对于2219-T6时效强化铝合金而言,采用叠加10 kHz高频脉冲变极性焊接工艺,焊缝抗拉强度在未经任何焊后热处理的情况下能够达到300 MPa左右,相当于母材强度的67%.     

不锈钢高频复合双钨极氩弧焊接工艺方法

针对双钨极TIG焊存在的电弧压力小、焊缝熔深浅等问题,提出了一种新型焊接工艺方法——高频复合双钨极TIG焊(high frequency hybrid twin-electrode TIG welding, HFHT-TIG焊),在双钨极氩弧焊的一个钨极上通以高频脉冲电流,达到提高电弧压力和挺度、搅拌熔池、细化晶粒、改善接头组织和力学性能的目的. 采用HFHT-TIG焊进行了6 mm厚奥氏体不锈钢焊接工艺试验,并与双钨极TIG焊接头进行对比. 结果表明,HFHT-TIG焊能够显著提高电弧挺度和电弧压力,焊缝表面成形更佳,横截面对称性更好,焊缝区的树枝晶组织更加细小,断口韧窝更加均匀和细密,接头的抗拉强度和断后伸长率分别提高了12.1%和30.2%.     

排水罩风场特征及其对焊接电弧影响的数值模拟

水下焊接技术在水下工程建设和修复方面具有大量的应用需求. 在水下焊接方法中,局部干法焊接采用排水罩将焊接区域的水排开进行焊接,接头质量较好,易于实现水下自动化焊接. 然而,局部干法焊接时需要在排水罩内通入高压空气将水排开. 为了研究高压气体在排水罩内形成的风场结构及其对焊接过程和电弧特性的影响,文中采用数值模拟的方法,对排水罩内的湍流气体进行了模拟. 并研究了排水罩内侧向风场对电弧等离子体的温度场、速度场、压力场的影响规律. 发现侧向风场对弧柱中心区以外部分的影响较大,弧柱的吹偏角度与侧向风速基本上呈线性关系. 最后进行了焊接试验,采用高速相机拍摄电弧在不同侧向风速下的形态,发现其实际变化与模拟结果基本一致.     

压力对水下焊条局部干法焊接电弧稳定性的影响

在压力舱中进行不同压力下的水下焊条局部干法焊接试验,采用统计分析和快速傅立叶变换研究了压力对水下电弧稳定性的影响.结果表明,铁粉低氢钾型焊条焊接主要进行粗熔滴短路过渡,随着压力的增加,短路时间由常压焊接的5~7 ms增加到8~10 ms,表明熔滴的平均尺寸增大.压力环境下,焊条熔化速度增大,弧压反馈调节系统的工作点上移,电弧电压增大.傅里叶变换结果表明,常压电弧电压信号的主要特征频率低于10 Hz,压力下电压信号的频谱图中出现大量高于10 Hz的谱线,说明信号突变性更强,电弧稳定性降低.