邊大勇，陳 勇，張大偉，楊壽海，黃江中，沈相星

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

DH36鋼水下濕法焊接壓力艙模擬試驗(yàn)研究

邊大勇1，陳 勇1，張大偉1，楊壽海1，黃江中1，沈相星2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

在自主設(shè)計(jì)的壓力艙中模擬不同水深焊接12.7 mm厚的DH36海洋工程用鋼，用二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和KEMPPI MASTER 2850焊機(jī)進(jìn)行自動(dòng)焊，采用UW-CS-1水下焊條進(jìn)行焊接，焊后根據(jù)AWS D3.6M: 2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同水深的焊縫力學(xué)性能進(jìn)行檢測。文章從Mn和Si元素的損失、焊縫中氣孔和氫的增加、電弧收縮3個(gè)角度分析，得出水深的增加會(huì)使?jié)穹ê附雍缚p力學(xué)性能變差的結(jié)論，且在水下0.5 m和10.0 m濕法焊接的焊縫力學(xué)性能滿足AWS標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)接頭的要求，因此可以在海洋10.0 m深處運(yùn)用此種焊接工藝。

壓力艙；濕法焊接；水深；力學(xué)性能；DH36

1 試驗(yàn)方法

隨著人類對(duì)海洋資源開發(fā)利用的重視，作為海洋資源開發(fā)的必要技術(shù)——水下焊接也受到研究人員的關(guān)注。水下焊接在海洋平臺(tái)的建造、護(hù)理和修補(bǔ)以及海底管線的鋪設(shè)上發(fā)揮著重要作用。

但水下焊接不同于陸地上的焊接，在幾十米深的水下，光線不能很好的傳播、壓力超過正常大氣壓、焊縫冷卻速度快且容易產(chǎn)生氫脆等，因此不能將陸地上的焊接技術(shù)完全照抄照搬。在水下焊接技術(shù)研究過程中，出現(xiàn)了濕法、干法和局部干法。濕法是靠電弧熱和電阻熱將電弧周圍的水汽化，使得電弧可以在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的氣體環(huán)境中燃燒。干法和局部干法都是用空氣或惰性氣體將水排開，使電弧穩(wěn)定燃燒。與干法和局部干法相比，濕法具有設(shè)備簡單、操作靈活、水下適應(yīng)性強(qiáng)、可在任何位置焊接、無需大量準(zhǔn)備工作等優(yōu)勢。因此濕法在水下焊接的應(yīng)用廣泛[1-2]。

由于濕法是通過電弧熱和電阻熱汽化水營造氣體環(huán)境，因此氣體環(huán)境存在大量的氫，會(huì)對(duì)焊縫強(qiáng)度產(chǎn)生影響。尤其當(dāng)水深的增加時(shí)，壓力增加，對(duì)強(qiáng)度影響更大。因此有必要研究不同水深下濕法焊接焊縫的力學(xué)性能。國內(nèi)外也有一些關(guān)于濕法焊接水深對(duì)焊縫力學(xué)性能的研究[3-5]，如美國重力焊接研究水深對(duì)濕法焊縫力學(xué)性能的影響，但重力焊設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，難以實(shí)現(xiàn)多層多道焊接操作。本研究采用自行研發(fā)的帶有弧壓反饋引弧功能的焊條自動(dòng)焊裝置在壓力艙中實(shí)現(xiàn)了V型坡口平板對(duì)接接頭的多層多道焊接，焊出了長度超過400 mm的完整焊接接頭試樣。并根據(jù)AWS D3.6M：2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所焊接頭進(jìn)行了性能評(píng)估。在此基礎(chǔ)上分析研究了水深對(duì)焊接接頭各項(xiàng)性能的影響規(guī)律。為水下濕法焊條電弧焊的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)[6-8]。

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

母材為海洋工程結(jié)構(gòu)鋼DH36，板厚為12.7 mm。焊接試板的尺寸及坡口形式如圖1所示。材料成分及實(shí)測性能參數(shù)如表1所示。

圖1 試板坡口圖

材料屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長率/%DH3638052030質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%CSiMnAlNbVTi0．1300．1801．4000．0200．0200．0500．012

試驗(yàn)所用焊條為美國Broco公司生產(chǎn)的AWS E7014系列水下專用焊條，其牌號(hào)為UW-CS-1，該焊條經(jīng)過美國海軍認(rèn)證，具有良好的焊接工藝和力學(xué)性能。其基本性能參數(shù)如表2所示。

表2 試樣拉伸結(jié)果

試驗(yàn)用壓力艙及艙內(nèi)自動(dòng)焊接工作臺(tái)為自主設(shè)計(jì)。艙體內(nèi)徑2.0 m，長度3.0 m，設(shè)計(jì)壓力3.0 MPa，許用工作壓力1.5 MPa。艙內(nèi)自動(dòng)焊接工作臺(tái)包括1個(gè)放置工件的二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；1個(gè)焊條夾持和送進(jìn)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)弧壓反饋?zhàn)詣?dòng)引弧和焊條送進(jìn)功能；3個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭和相應(yīng)的光源，用于外部監(jiān)控。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a)壓力艙 (b)自動(dòng)焊接工作臺(tái)圖2 壓力艙和自動(dòng)焊接工作臺(tái)

焊接電源為KEMPPI MASTER 2850水下焊接專用焊機(jī)，其空載電壓為75 V，最大穩(wěn)定輸出電壓為55 V，額定焊接電流350 A，具有恒流帶外拖外特性。

1.2 試驗(yàn)過程

為模擬不同水深的影響，試驗(yàn)時(shí)，在二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上放置1個(gè)注滿水的水槽，工件浸沒在水中，然后向壓力艙內(nèi)打入不同壓力的壓縮空氣，保證電弧在相應(yīng)壓力的水中燃燒。經(jīng)過反復(fù)的試樣，最終選定的焊接參數(shù)為：焊接電流145～155 A，焊接速度為7～13 mm/s，相應(yīng)的焊接熱輸入為：0.33～0.47 kJ/mm。焊接時(shí)均采用直流反接接法。

根據(jù)AWS D3.6 M:2010，確定焊縫是否滿足B級(jí)接頭的要求：首先需要對(duì)焊縫進(jìn)行成型檢測和X射線探傷；然后需要在焊縫上取2個(gè)拉伸試樣；4個(gè)側(cè)彎試樣，且側(cè)彎的最大彎輥半徑不能超過側(cè)彎試樣厚度的6倍，試驗(yàn)板厚為12.7 mm，彎輥直徑為120 mm，滿足要求；需要6個(gè)沖擊試驗(yàn)，其中3個(gè)缺口開在焊縫中心的位置，3個(gè)缺口開在熱影響區(qū)的中心位置；還需要一個(gè)宏觀試樣，所有試樣均由線切割得到。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

拉伸試驗(yàn)在200 tYDL-萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣尺寸及形狀參照AWS標(biāo)準(zhǔn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2。0.5 m水深和10.0 m水深的焊縫抗拉強(qiáng)度要高于母材，斷裂位置都在母材；當(dāng)水深達(dá)到20.0 m、40.0 m、50.0 m時(shí)，焊縫的抗拉強(qiáng)度都低于母材的抗拉強(qiáng)度，斷裂位置都在焊縫。并且水深大于10.0 m后，水深增加，抗拉強(qiáng)度降低。

側(cè)彎試驗(yàn)在30 t電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，側(cè)彎試樣的形狀和尺寸參照AWS標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3，側(cè)彎試驗(yàn)實(shí)物圖如圖3所示。0.5 m和10.0 m水深下的焊縫側(cè)彎時(shí)所有試樣均未出現(xiàn)裂紋，20.0 m深時(shí)2個(gè)試樣出現(xiàn)裂紋，40.0 m深時(shí)3個(gè)試樣出現(xiàn)裂紋，50.0 m水深時(shí)4個(gè)試樣均出現(xiàn)裂紋。

圖310.0 m和40.0 m試樣側(cè)彎試驗(yàn)實(shí)物圖(左圖為10.0 m)

水深/m側(cè)彎結(jié)果0．5均未出現(xiàn)裂紋10．0均未出現(xiàn)裂紋20．02個(gè)試樣出現(xiàn)裂紋40．03個(gè)試樣出現(xiàn)裂紋50．04個(gè)試樣均出現(xiàn)裂紋

沖擊試驗(yàn)在JTD-300B低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸及形狀參照AWS標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)溫度為0 ℃。沖擊試驗(yàn)的結(jié)果如表4所示。在0.5 m水深和10.0 m水深焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收功均大于27 J。20.0 m、40.0 m、50.0 m水深下接頭熱影響區(qū)沖擊吸收功大于27 J，焊縫沖擊吸收功小于27 J。并且水深大于10.0 m后，水深增大，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收功都降低。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試樣進(jìn)行X射線和外觀檢測并測量焊縫硬度和焊縫橫截面氣孔率，氣孔率的計(jì)算公式如(1)式。

氣孔率=橫截面的氣孔數(shù)/橫截面積。

(1)

X射線檢驗(yàn)以及焊縫硬度結(jié)果如表5所示，氣孔率如圖4所示。各試樣焊縫HV硬度值都小于375，并且水深大于10.0 m時(shí)，焊縫硬度值隨著水深的增加明顯減小，熱影響區(qū)硬度值隨水深增加變化不大，在50.0 m時(shí)，硬度有小幅度下降。X射線結(jié)果顯示，水深0.5 m、10.0 m時(shí)，焊縫無缺陷；20.0 m和40.0 m時(shí)出現(xiàn)少量氣孔；50.0 m時(shí)有較多氣孔。氣孔率結(jié)果顯示，0.5 m水深和10.0 m水深時(shí)氣孔率為0，水深大于10.0 m，水深增加，氣孔率增加。圖5為10.0 m和40.0 m水深宏觀金相對(duì)比，可以看出10.0 m水深沒有氣孔，40.0 m水深有氣孔。圖6為10.0 m、40.0 m水深下焊縫外觀的對(duì)比，可以看出，隨著水深的增加焊縫外觀變差。

表5 X射線檢驗(yàn)和焊縫硬度

圖4 各水深焊縫的氣孔率

圖6 10.0 m和40.0 m水深焊縫外觀

2.2 分析與討論

水深20.0 m、40.0 m、50.0 m的焊縫成型和力學(xué)性能變化規(guī)律可用以下理論進(jìn)行解釋。水深增加，壓力增大，電弧氣泡被壓縮到更小，電弧加熱范圍變得更加小，更易于形成夾渣和咬邊、強(qiáng)度和韌性也會(huì)變差。并且水深增加，壓力增大時(shí)，氫等氣體無法快速溢出，形成氣孔，氣孔率上升，成型變差，強(qiáng)度和韌性下降。不僅如此，水深增加、壓力增大還會(huì)導(dǎo)致氧分壓的增加，進(jìn)一步導(dǎo)致Mn、Si等合金元素?zé)龘p，成型變差，降低焊縫的強(qiáng)度和硬度,但合金燒損對(duì)熱影響區(qū)硬度影響較小。

水深小于10.0 m時(shí)，壓力沒有超過0.1 MPa，對(duì)焊縫成型和力學(xué)性能影響不顯著，因此0.5 m水深和10.0 m水深濕法焊縫的成型和力學(xué)性能相近。

根據(jù)AWS D3.6M:2010，本次試驗(yàn)的焊縫達(dá)到B級(jí)接頭需滿足如下條件：焊縫強(qiáng)度大于母材強(qiáng)度，側(cè)彎不能出現(xiàn)大于3 mm的裂紋，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收功大于27 J，HV硬度不超過375，X射線檢測和外觀檢測沒有明顯裂紋。因此，水深0.5 m和10.0 m的濕法焊縫滿足B級(jí)接頭的要求，20.0 m、40.0 m、50.0 m的濕法焊縫不滿足B級(jí)接頭的要求。

3 結(jié)束語

1)采用自行設(shè)計(jì)的壓力艙，成功實(shí)現(xiàn)了多層多道焊接操作的能力。

2)隨著水深的增加，焊縫成型變差。

3)隨水深的增加，焊縫的抗拉強(qiáng)度、韌性、硬度均降低；熱影響區(qū)硬度變化不大，在50.0 m時(shí)有小幅度下降。

4)當(dāng)水深超過20.0 m后，該焊條濕法焊接將無法滿足B級(jí)焊縫要求。

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樹 木 擁 有 綠 色

地 球 才 有 脈 博

The DH36,marine engineering steel of thickness 12.7 mm,is welded in the pressure chamber which is independent designed with UW-CS-1 underwater welding electrode,simulating the welding at different depth of water at two-dimensional movement platform and a KEMPPI MASTER 2850 welding machine.The weld mechanical property of different depth of water will be tested after welding with AWS D3.6 M:2010 as the base.The conclusion is drawn that the weld mechanical property will go bad when the value of depth increases according to analysis of the three aspects，the loss of elements of Mn and Si,the increasing of blowhole and hydrogen,and arc compression.The weld mechanical property can meet requirement of Class B of AWS when it is welded at the depth of 0.5 m or 10.0 m underwater.So the welding technology can be used at the depth of 10.0 m in the ocean theoretically.

pressure chamber;wet welding ;depth of water;mechanical property;DH36

邊大勇(1967-)，男，天津人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事海洋工程水下維修工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.009

2016-03-31