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1高压环境下GMAW焊接熔滴过渡特征研究1.1水下焊接的历史及现阶段发展海洋拥有无限广阔的发展空间，近年来随着陆上石油资源的日渐枯竭，海上石油的勘探开发正在逐渐上升为国家战略，而科学技术的快速发展为我们探索海底世界提供了可靠的工具。很多学者都认为没有系统的海洋科学研究就没有国家的未来，我们要清醒的认识到，海洋石油的竞争是国家整体实力的竞争。当今世界的主要发到国家如美国、日本、英国、德国等等，在海洋石油开发领域已经积累了大量的成果。我国拥有的海洋国土面积达300多万平方公里，但我们在海洋资源的开发方面还处于较低的水平上，海洋油气资源的开发很大程度上要依赖国外的技术力量。为了更好的利用海洋油气资源，使我国成为真正的海上强国，必须增大我们对海洋石油领域的技术研发投入。水下焊接技术是海洋资源开发过程中遇到的重要技术难题之一，是发展海洋事业的一个技术瓶颈。近十几年来，水下焊接技术得到了很大的发展，其应用领域涉及海洋工程中的船舶、船坞、海上石油平台、海底输油管线、核电站维修等。海上石油开采是一个“高风险”、“高技术”、“高投入”的产业，据测算，每钻井一米耗资约一万人民币，而海上刚结构平台每平方米造价高达两万美元，如此算来，建设一个中型海上油田投资将在3亿到6亿美元之间，而一个大型油田总投资将高达20到30亿美元。海底管道是海上油气输送的重要手段，被称为海上油气田的生命线，是海上油气田的重要组成部分，对海上油气田的开采、生产和产品外输起着关键性的作用。我国近海已建成的油气田海底管道有60多条，总长度超过3700km。水下环境的复杂性导致海洋平台的水下部分和海底管道的维修是一项技术含量高、操作复杂、涉及面广泛、投入高、风险大的海洋工程。现阶段水下结构物的主要维修手段由图1.1所示。水上焊接维修主要适用于浅水区域和小管径的管道，而水下维修中应用最为广泛的是水下焊接法。水下焊接包括水下湿法焊接、水下局部干法焊接和水下干式焊接。近年来水下摩擦叠焊和等离子焊接等新方法的探索又为水下焊接开辟了新的道路。高压干法焊接由于其在技术较易实现和价格上相对低廉成为了国际上一些海洋石油工程公司最常使用的水下焊接方法。高压干法焊接在深水石油管道的焊接领域有着潜在的优势，他的焊接工艺特性决定了其是水下结构物修复和水下管线焊接的最佳选择。高压干法焊接无需将水下结构拖出水面进行处理，与机械连接器相比有更大的灵活性，而它的应用的范围更广泛。另外，熔焊对于工装系统和构件有较高的容差，这又降低了施工成本和设备的复杂性。2水下维修手段水上焊接维修水下维修机械连接器维修法水下机械式三通维修法法兰维修法与外卡维修法钢套维修法水下焊接维修法图1.1水下结构物维修手段Fig.1.1Maintenancetechniqueofunderwaterstructure大量国内外的研究表明：在相对低压环境下，即0.1-1MPa，环境压力对焊接电弧的影响尤为明显。基于以上原因，本文旨在通过高压实验和数值仿真的方法研究GMAW焊接电弧和熔滴过渡各个参数（温度场、电流密度、电弧电压等）在高压环境下的变化规律，得到高压环境对焊接电弧形态和熔滴过渡的影响，从而为改善水下焊接质量，开发相应的焊接新材料和新工艺奠定基础。英国是最早使用了水下焊接技术的国家。早在1917年，英国海军将水下湿法焊接技术应用到船体铆钉的渗漏修补中。后来各种水下焊接技术陆续出现，高压干法焊接是由美国人于1954年率先提出的，在1966年美国开始将这一技术用于水下作业。目前阶段，海底管道的水深一般不超过200m。在这种深度环境下，填充焊和打底焊采用手工焊或者TIG焊就可以满足焊接质量要求。但是随着海洋石油产业向着深海发展，海底作业已经延伸到1000m左右甚至更深的海域。要大规模开采深海的油气资源，目前被广泛应用的水下焊接技术就有点力不从心，必须进行适当的调整和研究才能适应更高的要求。当水深达到500米以下时，有两个因素严重限制着水下焊接操作：首先，水深超过250米时，会引起潜水员身体的不适，比如高压神经综合征（HPNS）。这种症状会导致潜水员注意力下降，而焊接过程需要潜水员保持注意力高度集中，所3以这种病症对深水作业造成很大限制。人类潜水的极限水深大概是605米，当水深超过这一极限，就会对潜水员身体造成损害。挪威政府认为超过180米的水下作业为特别危险工作；其次，从上个世纪八十年代开始，科研人员发现随着环境压力的增大，TIG焊接电弧的稳定性变差。大量科研人员最终确定高压环境先TIG焊接的最大工作水深是在500米左右，当水深大于这一深度时，焊接过程就是极其不稳定，而电流脉冲焊虽然不受此限制，但是由于其较高的操作灵活性要求和较低的金属沉积率等缺陷，也难以有大的发展空间。基于以上的背景，GTAM焊接难以在水深超过500米的海域使用。其他的连接手段如固相焊、机械连接等虽然可以一定程度上替代电弧焊接，但电弧连接被业界普遍认为是效率最高、重量小和应用记录好的连接手段。国外对于高压干法水下焊接技术的研究开战比较早，已经发展到了相当成熟的阶段。已经有许多科研机构都在进行大水深的高压焊接技术研究，包括德国汉堡联邦国防军大学(UVB)、GKSS研究中心、挪威科技工业研究院（SINTEF）、美国东南研究所、英国Grandfield大学等。这些研究机构的研究成果表明，等离子弧焊可以和GMAW焊接可以实现100bar环境压力下作业，可以将他们应用于深水连接作业。等离子弧焊是TIG焊的一种延伸，这两种焊接方法都不消耗钨极，它们的区别体现在焊接过程上。TIG焊引燃电弧后，其电弧自由燃烧和扩展，而等离子弧焊的焊枪电极端部前几毫米处有一个碳制或铜制的喷嘴，其电弧受到这个喷嘴的限制，从而电弧被压缩到这个水冷喷嘴中，如图1.2所示。这样提高了电弧温度，缩小了电弧横截面积，增加了弧束材料的导电性。等离子弧焊电弧性能受到多种因素制约，包括电弧压力、空口形状和位置、焊接电流、等离子气体组成和流量等。这些因素改变，可以调整电离子弧焊的操作范围。当采用低等离子体气流和大直径孔口时，电弧稳定，受控水平下降，而且电弧压力比同等条件下的TIG焊接的弧压高百分之十。当采用高等离子气流和小孔径时，电弧的受控水平提高，功率密度增加。当功率密度增加到足够大时，电弧可以穿透数毫米厚钢板。4图1.2等离子流焊接示意图Fig.1.2SchematicillustrationofPlasma-ArcWelding综上所述，等离子弧焊与钨极氩弧焊相似，易于控制，且功能稳定。同时，由于其能量密度的适应性使其具有切割方面的潜力。当作业水深超过TIG焊接稳定操作的深度时，等离子弧焊是很好的替代方法。但是等离子弧焊的能量损失较大，效率极低，这是其难以克服的问题。近年来，我国水下焊接技术的发展取得了多项重大突破。2006年11月，我国“十五”863计划“渤海大油田勘探开发关键技术”重大专项研制的“水下干式管道维修系统”在渤海成功进行了海上试验。这项试验检测了该系统的关键技术性能和主要技术指标、海上作业稳定性和可操作性。海试的结果表明这套我国自主研发的水下干式管道维修系统各项性能先进、稳定、可靠，具有良好的现场作业性能。这套系统由海洋石油工程股份有限公司联合上海交通大学、中国石油大学（北京）、北京石油化工学院和哈尔滨工程大学五家单位进行研发。海试的成功，标志着我国水下干式管道维修技术和装备研究取得了重大进展。“十五”863计划在“渤海大油田勘探开发关键技术”重大专项中设立了水下干式管道维修系统课题，该课题的目标是研制一套最大工作水深60米、可以在水质混浊海域进行海底管道维修的装备，集成海底管道修复技术,对出现故障的海底管道实现水下快速修复，形成海底管道水下干式维修能力。经过近5年的研究，课题组突破了“水下干式维修技术”、“水下高压干式焊接技术”和“干式舱系统设计、建造”等关键技术，设计制造了包括“水下干式舱”、“水下金刚石绳锯机”、“水下开孔机”、“水下干式焊接系统”及“水下挖沟机”等在内的完整的水下干式管道维修系统。“水下干式管道维修系统”的研发成功，填补了我国海洋工程维修领域的一项空白，打破了国外技术垄断。该系统投入使用后，能够形成我国对海底管道的快速维修能力，在海底管道出现故障、发生油气渗漏时，能够实现5快速响应、快速修复，减少原油渗漏对海洋环境的污染，缩短维修周期，恢复海上油气田生产，减少国家和企业的损失，保障海上油气田安全生产。图1.1水下干式高压焊接试验装置Fig.Hyperbaricweldingtestingchamber1.2GMAW焊接概述熔化极气体保护焊，即GMAW(GasMetalArcWelding)是指利用连续给送的填充金属和工件作为电极形成电弧，并以此电弧加热金属获得金属结合的方法。图1.2是熔化极气体保护焊的工作原理图。这种焊接方法有固定焊接和移动焊接两种操作方式。焊丝被连续送进、溶化并过渡到熔池中，和溶化的母材金属混合冷却形成焊缝。喷嘴不断向焊接区域输送保护气体，使熔滴、熔池和金属母材处于一个无与外界空气隔绝的环境中。这种焊接方法具有操作简单、应用范围广、焊接速度快、熔敷率高等优点。GMAW焊接技术被广泛的应用于造船、机械制造、航空航天、汽车制造、石油化工、电子技术等工业领域。GMAW焊接适用于大部分金属材料，包括低碳钢、不锈钢、合金钢，及有各种色金属等。6图1.3GMAW焊接系统示意图Fig.1.3SketchmapofGMAW1.2.1GMAW焊接电弧熔化极气体保护焊是指采用可溶化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来溶化焊丝和木材金属，并向焊接区域输送保护气体，使电弧、焊丝、熔池及附近的金属母材不受周围空气的氧化作用。焊接电弧的能量由焊接电源提供，在工件和焊丝之间的气体介质中产生的强烈而持久的自持放电现象（放电现象是指当两个电极之间存在电位差时，气体介质中的导电现象）。气体放电现象的产生，是由于两电极之间存在大量可以自由移动的带电粒子,包括电子、正离子和负离子，其中电子和正离子负责引燃和维持电弧燃烧。电弧带电粒子的来源主要有两个,一是气体介质中的电离，二是电极电子的发射。电弧的引弧和燃烧还伴随着气体等离子体的激励、解离、复合和负离子产生等过程。焊接电弧是一种低温等离子体，具有温度高、电流大、电压低、发光强等特点，它可以高效的把电能转换为机械能和热能，是焊接过程重要的能源。焊接电弧中的光谱、电信号、声信号等控制信息是焊接技术研究中的重要参数。熔化极气体保护焊具有两个方面的作用：一是作电弧的电极；二是作填充金属。焊丝在被电弧加热溶化后形成熔滴，并向母材过渡融合，冷却后形成焊缝。焊接参数不同时，熔滴过渡的形式也有所不同。熔滴过渡的形式一般可分为短路过渡、滴状过渡、射滴过渡、射流过渡、亚射流过渡、旋转射流过渡、脉冲过渡等。71.2.2GMAW焊接熔滴过渡在众多熔滴过渡形式中，滴状过渡和旋转过渡稳定性差，很少被采用；短路过渡的焊接参数范围较窄，不易得到；而应用最为广泛的是短路过渡、滴状过渡、射流过渡和射滴过渡。图1.6所示的是这四中熔滴过渡形式。图1.4MIG焊熔滴过渡频率和电流的关系Fig.1.4RelationshipbetweenfrequencyofGMWAdroplettransferandcurrent（a）短路过渡（b）滴状过渡8（c）射滴过渡（d）射流过渡图1.5熔滴过渡示意图Fig.1.5Sketchmapofmetaltransfer（1）短路过渡短路过渡发生的条件是：细焊丝、小电流、小电压、弧长小于熔滴的悬挂长度。引燃电弧后，焊丝开始融化，体积逐渐增大，焊丝持续送进，导致尚未脱落的焊丝接触到熔池，产生短路，电弧熄灭，电弧弧压趋于零，短路电流随之变大，并引起电磁收缩力压缩液体金属柱，熔滴被表面张力拉入熔池中，当金属液和熔池分离后，弧压随即恢复到空载水平以上，电弧重新引燃，以上一系列过程不断重复，就形成了短路过渡。短路过渡的优点是非常稳定，产生的熔池加热面积小冷凝迅速，适合焊接薄板、全位置焊和间隙较大的搭桥焊。但是，由于短路过渡时负载变化较大，对电弧电压的