水下焊接技术的研究与应用现状

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ＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶ０１．３８Ｎｏ．８Ａｕｇ．２００９·专题综述‘５

１５０ｍ水深的高压焊接试验装置。研制了钨极氩弧自发了配套的ＮＢＳ一５００型水下半自动焊机，在国内进动焊机，获得了０．１～０．７ＭＰａ范围内的１６Ｍｎ管道全行了多次成功施焊，焊接接头的质量可以满足国际上位置自动焊接工艺．形成的管道焊接接头全部达到了常用的ＡＰＩｌ１０４规程的要求。

美国焊接学会ＡＷＳＤ３．６Ｍ：１９９９中Ａ类接头，即相水下Ｎｄ：ＹＡＧ激光焊接由于热输入小、能量易当于陆上接头的要求。并且于２００６年１１月１６日在于传输和控制等优点，被考虑首先用于核设备的维修中国渤海湾天津新港锚地附近１２Ｉｎ水深海域与水下和维护。已经商业化的Ｎｄ：ＹＡＧ激光器能够提供６干式舱及其他作业系统一并进行了海上试验，获得了ｋＷ的功率，该激光能够进行１０ｍｍ厚的钢板焊接。外观良好的焊缝∞］。水下激光焊接必须在局部干燥区域内进行。水帘屏蔽

虽然目前的高压干法水下焊接通过采用自动化和智能化的技术，实现了焊接过程的自动监控，焊接质量好、效率高，但仍然需要潜水焊工。焊接设备的安装、维护和检测都需要潜水员的辅助．因而在实际使用中的焊接系统还不能超过６５０ｍ。而且对潜水焊工的专业和技术要求很高。所以。随着海洋工程向深海的挺进，必须发展智能化的焊接机器人。

１．２局部干法水下焊接

局部干法水下焊接兴起于上世纪７０年代，综合了湿法水下焊接和干法水下焊接两者的优点，是一种较先进的水下焊接方法．电弧的燃烧及熔池凝固等过程都在气相环境中进行。近２０ａ来，这类方法越来越受到国内外的关注．已开发了多种局部干法水下焊接方法。也是当前水下焊接技术研究的重要方向之一。其中已经在生产中应用的焊接方法有气罩式水下焊接法、水帘式水下焊接法和可移动气室式水下焊接法。

气罩式水下焊接法多采用熔化极气体保护半自动焊和焊条电弧焊，也可采用非熔化极气体保护半自动焊。实际应用的最大水深是４０ｍ。水帘式水下焊接法也称为干点式水下焊接法．属于较小范围的局部干法［７］。日本用直径为０．２ｍｍ的钢丝“裙”代替水帘，喷嘴部分像钢丝刷子一样，故将这种水下焊接法称为钢刷式水下焊接法，钢刷式局部干法水下焊接克服了水帘式局部干法焊接的缺点，可以进行搭接接头、角接接头的焊接，可自动焊，也可以采用半自动焊。可移动气室式水下焊接是美国１９６８年首先提出的。１９７３年开始在生产中应用。该方法的气室直径较小，只有１００～１３０ｍｍ．故属于干点式水下焊接法。焊一段，要移动一段气室，直至焊完整条焊缝。我国的哈尔滨焊接研究所研制成功了ＬＤ—ＣＯ：焊接方法，并开是形成局部干燥空间的一种好的方法，但由于水帘喷嘴的尺寸比较大（超过４０ｍｍ），焊枪结构也比较复杂．为了满足不同应用场合的需要，尤其是Ｖ形角焊缝或者狭小以及不平坦表面的焊接，必须使用小尺寸的喷嘴。但当喷嘴内径＜８ｍｍ时，无法获得完全的局部干燥区。张旭东等人使用直径分别为８，１０，１３ｍｍ的３种喷嘴进行了水下焊接试验。在良好的保护条件下．水下焊缝可达到与空气中同样的冶金成分和焊缝收缩率Ｅ８】。

北京石油化工学院海洋工程连接技术研究中心与上海核工程研究设计院合作。共同研制了一套局部干法自动水下焊接试验系统，如图１所示。

圈１局部干法自动水下焊接试验装置

该试验系统南水下焊接试验舱、焊接电源、液压驱动自动焊接平台、排水罩、试验环境系统、水下焊接摄像系统６个部分组成。能够实现水下局部干式ＭＩＧ（ＭＡＧ）全自动焊接。水下焊接试验舱为立式快开结构压力容器。设计最高工作压力０．３ＭＰａ，开发了适合局部干法自动焊接的微型排水罩。试验环境系统的控制由ＰＬＣ通过控制水路、气路的阀门以及水

泵的启停来实现。液压驱动自动焊接平台的摆动油缸

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６·专题综述·焊接技术第３８卷第８期２００９年８月

连接有摆心传感器，在实际应用时，除了完成直线运由摩擦主轴头、工装、液压系统、电控系统组成，主动以外，还能够实现“之”字形、“弓”字形等摆动要用于钢板、钢管等材料的焊接；焊接钢板时标称焊方式以及在摆动过程中的摆心跟踪。水下焊接摄像系接厚度１０～２５ｍｉｌｌ，可以实现５００ｍｍｘ３００ｍｍ钢板对统共包括３套子系统，分别为舱内水面场景摄像系接，筒体零件的外直径尺寸＜２００ｍｍ。能够实现零件统、焊接摄像系统、舱内水下场景摄像系统。整套摄的干、湿式环境焊接，湿式焊接通过在工作台面上加像系统由控制箱、监视器、摄像头组成。摄像头采用装水槽来实现，可用于深水连接研究。该套试验装置独特的内置照明，具有亮度高、发热低的特点。控制的摩擦主轴头轴向力＞２ｔ，最大转速为４７００ｒ／ｍｉｎ，箱和监视器位于舱外。采用了集控制、录像、监视、最大扭矩５０Ｎ·ｍ，采用的螺柱直径为１０－２０ｍｍ，电配音、深度显示、时间区域字符叠加于一体的多功能控系统人机界面能够显示和控制焊接压力、旋转速度控制台，从而实现了对舱内整套设备以及焊接过程的和插入速度等工艺参数［１１１。

整体监控。利用该试验装置进行了模拟５ｍ和１５ｍ

水深条件下的局部干法自动焊接．焊接试板为３０４不

锈钢和３２１不锈钢钢板．焊接方式有平板堆焊、坡口

堆焊以及坡口对接焊，焊缝成形良好［¨０１。

２深水结构的摩擦叠焊

摩擦叠焊是１９９２年发明的、以海洋平台和海底

管道修复为主要目的的一种固相焊接方法．其原理是

将一系列螺柱塞入相应的预钻焊孔之中．从而叠合搭接、“缝合”形成完整焊缝进行裂纹修复．其基本单元过程称为ＦＨＰＰ（ＦｒｉｃｔｉｏｎＨｙｄｒｏＰｉｌｌａｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）。因为摩擦叠焊是将一系列螺柱塞人预钻焊孔旋转焊接、顺次重复缝合成为完整焊缝，所以可以适应很大的厚度，这种方法对于壁厚较大的海洋平台和海底管道的修复具有非常突出的技术优势。２１世纪以来，摩擦叠焊成为水下修复研究的重点。１９９７年６月至２０００年５月，由德国ＧＫＳＳ研究中心、英国国家高压焊研究中心（ＮＨＣ）、英国ＣｉｒｃｌｅＴｅｃｈｎｉｃａｌＳｅｒｖｉｃｅｓ公司、英国ＳｔｏｌｔＯｆｆｓｈｏｒｅＬｔｄ．．瑞典ＮＥＯＳＲｏｂｏｔｉｃｓ等７家单位组成的项目组研制开发了一套基于电动机器人和摩擦叠焊摩擦头的无人操作钢结构水下裂纹修复系统。１９９８年１２月至２００１年８月．由ＳｔｏｈＯｆｆｓｈｏｒｅＬｔｄ．，ＮＨＣ。ＧＫＳＳ联合开发了欧盟ＴＨＥＲＭＩＥＳｔｉｔｃｈｐｉｐｅ深水油气管道修复用的摩擦叠焊系统样机。

北京石油化工学院海洋工程连接技术研究中心在２００６年与中国搅拌摩擦焊中心合作．结合水下修复环境要求，成功开发出了中国首台水下摩擦叠焊设备（型号：ＵＦＳＷ一２００５），如图２所示。该套装置主要

圈２深水结构摩擦叠焊试验装置

３水下焊接机器人

水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置ｎ２１。由于水下环境的复杂性和不确定性，目前还没有完全将水下机器人应用于水下焊接作业，但在与焊接相关的焊缝无损检测以及裂纹修复领域有应用。

在英国北海．ＲＯＢＨＡＺ工程开发用于检视和维修的水下机器人焊接维修装置，应用于海岸上以及海事和核工业中。包括清除在焊接接头上的生长物、用磁性粒子探视或涡流探伤技术来检查焊缝。目前这种焊接机器人中的液压操作系统不能满足移动精度达±０．２ｍｍ的要求。而要达到这种精度只有在使用的基础上用一个电动机器人。为核工业维修而开发的远程控制机器人手臂焊接系统，能够在较厚材料上产生单道焊缝。但是还不能应用在厚于２５ｍｌｎ钢板的水下裂缝维修。在这个工程中，一个可潜水的带控制器的电动焊接机器人手臂会展开并移动焊接系统。对

于在海面上工作，这个原型的机器人焊接系统由一个

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