300米水深药芯焊丝水下焊接冶金及电弧特性的基础研究

水下焊接是海洋油气设施及核电站维修的关键技术之一。随着水深增加，药芯焊丝水下焊接质量变差，其主要原因是电弧不稳定。本项目的研究思路是从药芯成分和焊接电源输出特性的角度考虑，研究提高水下焊接电弧稳定性的方法，从而提高水下焊接质量。主要进行300米以浅水深湿法和微型排水罩局部干法药芯焊丝水下焊接电弧静特性的测量，研究水压对电弧弧根漂移、电压、电场强度和电流密度、电弧电信号等电弧稳定性的影响，研究如何改变药芯成分以提高高压下电弧的稳定性，研究电弧电信号稳定性与焊接工艺稳定性之间的关系。在此基础上，研究水下焊接对焊接电源输出特性的要求，从而从焊接电源的角度进一步提高水下焊接电弧的稳定性。本项目有利于弄清药芯焊丝水下焊接电弧的本质，研究成果将为进一步开发适合300米水深的湿法和微型罩局部干法水下焊接药芯焊丝和水下焊接电源提供理论基础。

海洋油气设施和核电压力容器、管道等结构物长期负荷运营后由于腐蚀、撞击、事故或自然灾害等原因，易发生损坏，这些结构物的维修需使用水下焊接技术。水下焊接过程由于受到水和压力的影响，焊接电弧不稳定，焊缝容易产生气孔、裂纹等缺陷，焊缝成形差，焊接接头性能显著低于空气中焊接。因此，进行水下焊接电弧特性、冶金、工艺及组织性能的研究，具有重要意义。.本项目主要研究内容及结论包括：1）水下药芯焊丝焊接及数据采集分析系统的研发；该系统可进行水下焊接试验，调节焊接参数，并可采集焊接电流、电压信号及焊接电弧图像；2）水下焊接电弧特性及水下焊接电源的研究；建立了水下湿法焊接电弧静特性曲线，提出了一种评价水下焊接电弧稳定性的定量指标，建立了优化的水下湿法焊接参数库和测算电弧稳定性的经验公式，在此基础上分析了各焊接参数对电弧稳定性的敏感度。3）水下焊接焊缝成形的研究。建立了预测水下湿法焊接焊缝成形的数学模型，并进行了敏感度分析，确定了各水下焊接参数对水下湿法焊缝成形的定量影响；提出了采用余高均衡系数作为水下焊缝成形质量指标，建立了水下湿法FCAW成形质量响应曲面模型，并分析了参数之间的交互作用对焊缝成形的影响；研究了水下脉冲焊接参数对焊缝成形的影响；比较了恒流焊接电源和脉冲焊接电源对焊缝成形的不同影响。研究成果可以为水下焊缝成形控制提供理论指导，也可为水下焊接电源的研究提供理论指导。4）水下焊缝气孔的研究。本项目提出了一下计算水下焊缝气孔率的方法，建立了水下焊缝气孔率响应曲面模型，研究了各参数的交互作用对焊缝气孔率的影响。研究成果可为水下药芯焊丝焊接以及水下脉冲焊接工艺参数优化提供指导，也可为采取措施减少水下焊缝的气孔率提供思路。5）水下焊接冶金、金相及力学性能的研究。进行了双相不锈钢水下湿法焊接焊缝及热影响区的金相组织的研究，分析了水深、焊接电压、电流、焊接速度等参数对焊缝及HAZ金相组织的影响。研究了不同焊丝对水下焊接接头力学性能和硬度的影响。.本项目通过大量试验，研究不同焊接条件下的水下焊接电弧稳定性、焊缝成形、气孔、组织和力学性能等基础科学问题，研究成果可为水下焊接材料研发、焊接工艺优化、水下焊接电源开发和海洋设施水下焊接维修等提供理论指导。