陈 英， 许 威， 马洪伟， 黄江中， 程方杰

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452；2.天津大学材料科学与工程学院，天津300072；3.天津市现代连接技术重点实验室，天津300072）

当前，在国内科学与技术长期规划的战略研究中，石油天然气能源的研究受到了国家的高度重视，提出了 “调整东部，发展西部，加快海上”的总方针[1]。国内海洋石油工业的发展方向与世界海洋石油发展的趋势相同，即都是走向深水[2-3]。而且我国石油消费已成为世界第三大国，大量石油输运（进口或国内运输）要通过海底或江河湖泊进行，如何在水下直接进行高效可靠的自动化焊接以完成日益增加的水下输油（气）管道铺设是迫切需要解决的难题。随着海洋的开发，海上石油平台、海底输油、输气管线施工、海上船舰紧急维修、码头设施、水下矿产开发、水闸以及核电设施等工程不断增多，这些水下工程的建设、维护等对水下焊接技术也提出了更高的要求。同时，我国已跃居世界第一船舶制造大国，大量的船舶制造与维护，迫切需要直接在水下进行维修的焊接技术。因此，面向水下大型构件的焊接技术已成为水下工程开发、建设和维修不可缺少的关键技术之一。

自1917年英国海军首次应水下焊接以来，经过将近一个世纪的发展，水下焊接由最初的湿法电弧焊演变出了多种焊接方法。根据工作环境可将水下焊接分为干法焊接、局部干法焊接和湿法焊接。20世纪60年代后又出现了一些新的水下焊接方法，如水下螺柱焊接、水下爆炸焊接、水下电子束焊接、水下激光焊接和水下铝热剂焊接等。

1 舱式干法水下焊接

舱式干法水下焊接分为高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。高压干法水下焊接由美国于1954年提出，1966年正式应用于生产，目前适用最大水深为300m，一般采用焊条电弧焊或惰性气体保护电弧焊，是水下焊接质量最好的方法之一，焊缝基本可以达到陆上焊接的水平。但该方法所使用的高压气室往往受到工程结构形状、尺寸和位置的限制，局限性较大，而且设备造价昂贵。图1所示为高压干法水下焊接原理示意图，图2所示为Comex公司生产的水下高压干式焊接舱Seahorse。

图1 高压干法水下焊接原理示意图

图2 Comex公司生产的高压干式焊接舱Seahorse

常压干法焊接需要在密封的压力舱中进行，舱内压力与大气压相同，这种焊接方法既不受水深影响，也不受水的作用。常压干法焊接设备造价比高压干法水下焊接还要昂贵，焊接辅助人员也更多，所以一般只用于深水焊接重要结构。美国IDS公司正在研制600 m深水下进行常压干法水下焊接的装置，用于管径900 mm、壁厚32 mm的管道焊接。干法气室为圆筒状，直径2.4 m，长3.66 m，两端呈椭圆形。我国目前还没有常压干法水下焊接设备。

目前，致力于海洋开发的国家或大公司都建有高压模拟试验装置。例如巴西CENPES中心的水下高压焊接舱，挪威SINTEF建立的舱内无人高压干法水下焊接模拟试验装置以及英国Cranfield大学海洋工程中心于1990年初研制的模拟2 500 m水深的舱内无人高压干法水下焊接试验装置Hyper-weld250[4-5]。在过去的几年里，Cranfield大学焊接工程研究中心已经将自动焊接技术应用于水深2 500 m压力相当于250 bar条件下的深水焊接[6]。图3所示为英国Cranfield大学的Hyper-weld250模拟实验舱。

图3 英国Cranfield大学的Hyper-weld250模拟实验舱

我国哈尔滨焊接研究所从20世纪80年代开始研究高压干法水下焊接，先后研制了HSC-1和HSC-2两套高压干法水下焊接模拟试验装置。HSC-1的容积为1 m3，最大工作压力1.6 MPa，可进行熔化极气体保护焊；HSC-2的容积为0.055 m3，最大工作压力为3 MPa，介质为氢气、氦气或混合气体，可进行TIG焊和MMA焊接试验。

“十五”期间，北京石油化工学院海洋工程连接技术研究中心设计建造了压力为1.5 MPa，即相当于150m水深的高压焊接试验装置。研制了钨极氩弧自动焊机，获得了0.1～0.7 MPa的16Mn管道全位置自动焊接工艺，形成的管道焊接接头全部达到了美国焊接学会AWSD3.6M：1999中A类接头 （即相当于陆上接头）的要求。并且于2006年11月16日在中国渤海湾天津新港锚地附近12 m水深海域与水下干式舱及其他作业系统一并进行了海上试验，获得了外观良好的焊缝[7-10]。

2 局部干法水下焊接

局部干法水下焊接兴起于20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。这种方法简单易行，电弧的燃烧及熔池凝固等过程都是在气相环境中进行，焊接质量明显高于湿法焊接[11-13]。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。

可移动气室式水下焊接概念是美国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100～130 mm。

水帘式水下焊接法由日本首先提出，属于较小范围的局部干法[14]。这种方法使用的焊枪结构分为两层，高压水射流从焊枪外层呈圆锥形喷出，形成一个挺度高的水帘，阻挡外面的水入侵。该方法所用焊枪轻便灵活，但可见度问题没有解决。保护气体和烟尘将焊接区的水搅得混浊而紊乱，焊工基本处于盲焊状态。最近，日本又成功研制了一种机械化的水帘式水下焊接机构，能很好的对水下较大移动构件进行焊接[15]。图4为水帘式焊接示意图。针对水帘式焊接方法的缺点，日本用直径为0.2 mm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，施焊时可采用自动焊，也可采用半自动焊。

图4 水帘式焊接示意图

20世纪70年代，我国哈尔滨焊接研究所研制成功了LD-CQ焊接方法，并开发了配套的NBS-500型水下半自动焊机，在国内进行了多次成功施焊，焊接接头的质量可以满足国际上常用的API 1104规程的要求[16-19]。张旭东等人使用直径分别为8 mm，l0 mm和13 mm的3种喷嘴进行了水下水帘屏蔽Nd：YAG激光焊接试验。在良好的保护条件下，水下焊缝可达到与大气中同样的冶金成分和焊缝收缩率[20]。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，并利用该试验装置进行了模拟5 m和15 m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[21-22]。海洋石油工程股份有限公司与天津大学合作，共同研制了一套基于固定式排水罩的水下局部干法半自动GMAW焊接系统。采用压力舱试验模拟开发了水深60 m以上的海洋工程用结构钢的焊接工艺，并成功在渤海海域进行水深10 m和22 m条件下的海试。该套设备及工艺得到国际第三方船级社的认证。

3 湿法水下焊接

湿法水下焊接可采用水下专用焊条或自保护药芯焊丝施焊。水下焊条电弧焊是目前湿法水下焊接的主要手段。但随着水下焊接自动化的推进，水下药芯焊丝焊接得到了越来越多的应用。

3.1 湿法水下焊接原理

水下焊条电弧焊的原理如图5所示，在该过程中电弧实际上是在电弧气泡中燃烧的，水下焊接时电弧周围能否形成一定大小稳定的电弧气泡是水下焊接成功的首要条件。电弧气泡中的气体主要是由水蒸气高温解离形成的氢和氧以及焊条药皮中燃烧分解的CO和CO2所组成。

随着水下焊接水深的增加，形成电弧气泡的体积因受到压缩而逐渐变小，而过少的电弧气泡导致焊缝金属气孔倾向增加。当电弧气泡变得足够少时，电弧极易熄灭使焊接过程无法顺利进行[23]。

图5 湿法焊条电弧焊原理示意图

电弧气泡形成后的长大应满足

式中：pg—气泡内部的压力；

pa—大气压力；

ph—气泡周围的静水压力；

ps—气泡表面张力引起的附加压力。

在陆地焊接时，ph近于零；而在水下焊接时，ph随水深的增加而增大，pa和ps可以看作不受水深的影响。故要使焊接顺利进行，只有增大pg。增大pg的途径，一是增加电弧温度，这可通过调整焊接电流来实现，这是由于较高的电弧温度能解离足够的氢和氧；二是提高焊条药皮的造气功能，使焊条药皮燃烧时能生成更多的CO和CO2气体。

3.2 水下焊条和药芯焊丝的研究

水下专用焊条的设计是湿法焊接研究的主要课题，采用普通陆用焊条进行水下焊接时，焊缝气孔多，焊缝成形差，当焊接水深超过了30 m时，在压力作用下，电弧不能稳定燃烧，致使焊接过程无法进行。

Hydroweld FSTM焊条是唯一被英国国防部认可的军舰水下修补焊条，曾对1艘英国皇家海军潜艇的球罐进行水下修补，并在世界很多水下工程中得到应用。2000年完成了对澳大利亚Mission River Bridge的修补，焊缝检验结果表明，水下焊接质量甚至超出AWS D3.6的要求[24]。

德国Hanover大学基于渣气联合保护对熔滴过渡的影响和保护机理，开发了双层自保护药芯焊条．力学性能测试显示焊缝在0℃时的冲击吸收功达到77 J，扩散氢含量仅为9 mL/100g。美国发明了专利产品7018'S焊条，焊条药皮上有一层铝粉，水下焊接时能产生大量气体，铝粉颗粒尺寸约为0.025 mm，使焊条的抗湿性很强，焊缝连续20天在相对湿度为100%的条件下，金属含氢量仍保持在（2.3～10.6）mL/100g的低值，适用于高强度钢材的水下焊接，-30℃时的冲击吸收功达到100 J[25]。美国Ohio州立大学的Chon-liang Tsai博士开发了一种新的称为 “黑美人 （black beauty）”的水下焊条，因为其表面有一层黑色的防水涂料而得名。这种焊条具有焊缝成形良好、焊后无微裂纹、工艺性能优良、适用于各种位置的焊接的特点[26]。美国的Stephen Liu等人在水下焊条药皮中加入Mn，Ti，B和稀土元素，改善了焊接过程中的焊接性能，细化了焊缝微观组织[27]。

我国自20世纪60年代开始研发水下专用焊条， 现在主要产品有TSH-1，TS202，TS203及TS208，洛阳船舶材料研究所开发的TS208适用于Q345钢的焊接，抗拉强度大于530 MPa，研究者将其与国外知名品牌进行了对比试验，获得了满意的结果[28]。

近年来，美国、英国和乌克兰等国对药芯焊丝水下焊接进行了研究[29]。采用药芯焊丝进行水下焊接不仅可以提高焊接质量，由于采用连续送丝，还显著提高了生产效率并易于实现焊接的自动化。乌克兰巴顿研究所成功开发了一套水下湿法药芯焊丝焊接的送丝机构、控制系统及其焊接工艺，该系统的焊接质量明显优于焊条水下湿法焊接的质量，而焊接作业时间还不到药皮焊条手工焊接的一半，施工费用也只有焊条焊接的50%左右。华南理工大学机电工程系刘桑、钟继光等人开发了一种药芯焊丝微型排水罩水下焊接方法[30]，该方法完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开微型罩内的水而形成一个稳定的局部无水区域,使得电弧能在其中稳定的燃烧，使用该方法得到的焊缝成形美观，性能良好。除此之外，他们还通过复合滤光技术和水下CCD摄像系统，采集出了药芯焊丝水下焊接电弧区域图像，从而为水下湿法焊接电弧的机理分析及水下焊接过程控制奠定了基础。20世纪80年代以后，海上油气开发最大水深已达700 m[31]。然而，手工焊接由于人潜水深度存在的局限性，当水深大于200 m时，人能够潜水作业的时间很短[32]，因此只有自动化作业才能满足深水焊接的要求，药芯焊丝水下焊接也顺应了这一要求。

4 其他焊接方法

除了上述各种焊接方法之外，激光焊已经成功地应用于30 m水深核反应堆的修复，但是激光焊过程中仍需要气体保护且熔深有限[15]。爆炸焊接是一种锻压焊接技术，虽然在20世纪70年代曾经用于水下连接，但后来没有继续发展的主要原因是对于安全性的担心[33]。

摩擦焊接属于固相焊接技术，在许多场合，与电弧焊接比较，因为接头性能优异且高效、低耗、清洁、高精度而具有突出的优势，已经成为当前发展最为迅速的焊接技术。对于水下应用而言，摩擦焊接质量对于水不敏感，不同水深焊接参数几乎没有变化，这是电弧焊接难以比拟的巨大技术优势，所以，摩擦焊接成为当前海洋结构物水下修复的热门研究领域。除摩擦螺柱焊（friction stud welding）在ROV（remotely operated vehicle）支持下已经成功地应用于深水阳极修复等众多场合之外，摩擦焊接的若干新技术，如英国焊接研究所 （TWI）发明的搅拌摩擦焊接（friction stir welding）、 摩擦叠焊（friction stitch welding）和径向摩擦焊接（raial friction welding）技术已成为具备良好发展前景的21世纪水下修复新方法。

5 水下焊接的主要问题

水下焊接过程中，由于有水的影响，焊接接头质量与陆上相比有所下降，这主要是由以下因素造成的：

（1）焊缝金属中合金元素有损失。电弧在水中电离出的氧要比大气中的氧多很多，且随着水深的增加，焊缝中的含氧量也会增加，在这种条件下合金元素的烧损很严重，导致焊缝质量下降。

（2）焊接冷却速度过快。水的热导率远高于空气，由于焊缝和热影响区冷却过快，容易形成粗大的脆硬组织，在氢的作用下很容易诱发冷裂纹，如果焊材和母材的强度匹配不当造成较大的相变应力，就会加剧焊缝开裂的趋势。

（3）焊缝中扩散氢含量较高。对于湿法水下焊接，焊缝中的含氢量通常很高。水环境，焊条中所含结晶水，母材表面氧化物中所含结晶水都是焊缝中扩散氢的主要来源。

（4）可见度差。水下湿法焊接和局部干法焊接均存在可见度差的问题，潜水焊工基本上处于盲焊状态，这也是水下焊接质量较差的原因之一。

（5）电弧压力过大。随着水深和环境压力的增加，弧柱逐渐变细，同时导电介质的密度增大，电离难度增加，电弧稳定性下降。因此，在高电压条件下不利于形成良好的焊接接头。

6 水下焊接发展的趋势与探讨

水下焊接发展的主要趋势：①多种水下焊接方法并存的局面会长期存在；②由于湿法焊接设备简单，适用性强，成本较低，其仍将是未来水下焊接的一个主要研究方向；③为了提高焊接质量和降低危险，实现水下干法和局部干法焊接中的自动化和智能化势在必行；④水下搅拌摩擦焊、摩擦叠焊等固相连接技术将会是未来水下焊接的主要技术手段；⑥展开水下焊接模拟技术和计算机仿真技术研究对试验和实际操作具有指导意义。

7 结 语

目前，世界上所有水下焊接技术的发展都是以水下工程需求为背景的。虽然与水下焊接相关的问题日益增多，但对该领域的研究和报道却相对较少。缺乏系统的研究是水下焊接理论基础薄弱且实际应用较少的原因之一。因此，科研机构间加强合作，并且系统化研究内容是实现水下焊新突破的必由之路。

[1]陈家庆，焦向东，周灿丰，等.水下破损管道维修技术及其相关问题[J].石油矿场机械，2004，33（01）：33.

[2]周灿丰，焦向东，陈家庆，等.海洋工程深水焊接新技术[J].焊接，2006（04）：1-11.

[3]史耀武，张新平，雷永平.严酷条件下的焊接技术[M].北京：机械丁业出版社，1999.

[4]朱加雷，余建荣，焦向东，等.水下焊接技术研究和应用的进展[J].焊接技术，2005，34（04）：6-8.

[5]王中辉，蒋力培，焦向东，等.高压干法水下焊接装备与技术的发展[J].电焊机，2005，35（10）：9-12.

[6]RICHARDSON I M，WOODWARD N J，JOHN BILLINGHAM.Deepwater Welding for Installation and Repair-a viable Technology[C]//Proceedings of The Twelfth（2002）International Offshore and Polar Engineering Conference，2002（IV）：295-302.

[7]焦向东，周灿丰，陈家庆，等.21世纪海洋工程连接技术的挑战与对策[J].焊接，2007，51（05）：23-30.

[8]宋广贺，王中辉，蒋力培，等.高压环境下电弧电特性及管道焊接工艺的研究[J].焊接技术，2007，36（01）：33-35.

[9]赵华夏，焦向东.干式高压环境对TIG焊接电弧温度的影响[J].焊接学报，2008，29（11）：17-20.

[10]蒋力培，王中辉，焦向东，等.水下焊接高压空气环境下GTAW电弧特性[J].焊接学报，2007，28（06）：1-4.

[11]DAVID J L，WILSON E M.Underwater Welding：United Kingdom patent，4039798[P].1997-08-02.

[12]CREUTZ M.Local Pressure Reduction by Pump Impeller for Under Water Welding[J].Welding and Cutting，1997，48（10）：200-202.

[13]钟继光，石永华，王国荣.新型水下焊接电源及送丝机构的研究[J].电焊机，2005，35（12）：1-3.

[14]YOSHIHIRO YAMASHITA，TORU KAWANO，KURT MANN.Underwater Laser Welding by 4kW CW YAG Laser[J].Journal of Nuclear Science and Technology，2001.38（10）：891-895.

[15]YOJI OGAWA.Mechanized underwater welding and cutting for VLFS[C]//Proceedings of the 2002 Underwater Technology International Symposium：87-92.

[16]林尚扬，宋宝天，宋天虎.水下局部排水CO2半自动焊接技术的研究[J].焊接学报.1981，2（01）：9-20.

[17]宋宝天，王连东，宋炀，等.渤海六号钻井平台水下焊接修复[J].焊接，1996（03）：9-12.

[18]宋炀，陆焕功，宋宝天.码头钢桩支撑水下焊接节点的优化设计[J].焊接，1997（05）：8-11.

[19]宋宝天.浑水中局部排水的录像装置[P].中国专利，2004200018723.6.2005-02-23.

[20]ZHANG Xudong，CHEN Wuzhu，EIJI ASHIDA，et al.Relationship Between Weld Quality and Optical Emissions in Underwater Nd：YAG Laser Welding[J].Optics and Lasers in Engineering，2004（41）：717-730.

[21]朱加雷，焦向东，周灿丰，等.304不锈钢局部干法自动水下焊接[J].焊接学报，2009，30（01）：29-32.

[22]高辉，焦向东，周灿丰，等.水下高压局部干式自动焊接试验装置控制系统[J].焊接学报，2008，29（10）：65-68.

[23]吴安如，夏平，贺永祥，等.湿法水下焊接的冶金特点及水下焊条设计[J].西安工业学院学报，2002，22（02）：155-158.

[24]Structural Wet Welding on the Mission RiverBridge，Australia’s Largest WetWeldingProject[EP/OL],[2014-02-14].http：//www.hydroweld.com/index2.html.

[25]刘桑，钟继光，王国荣.水下焊接技术研究与应用的新进展[J].中国修船，2000，14（03）：10-12.

[26]ANON.“Black Beauty”Setting Electrifying Pace for New Cost-effective Underwater Welding Technology[EP/OL].Ohio Sea Grant News[2014-02-14].http：//www.seagrantnews.org/news/ohwelding.html.

[27]STEPHEN L，MARK ROWE.Progress in Underwater Wet Welding：The Quintessential SMA Consumables[C]//Proceedings of the 6th International Conference（ASM International）：536-541.

[28]吴伦发，王君民，郑晓光，等.低合金钢用湿法水下焊条的研制及应用[J].热加工工艺，2006，35（11）：65-67.

[29]POLHONYA I K，GORPERNYUK V N，KONONENKO V Y，et al.Some Peculiarities of Arc Burning and MetalTransferinWetUnderwaterSelf-shielding Flux-cored Wire Welding[J].Welding Under Extreme Conditions，1989（IIW）：151-160.

[30]刘桑，钟继光，张彤，等.药芯焊丝水下焊接方法的研究[J].南昌大学学报（工科版），2000，22（02）：13-17.

[31]李士明，任平，马洪年.海洋水下工程技术的发展与对策[J].海洋技术，1997，16（02）：49-53.

[32]巴顿B E.世纪之交论焊接[J].航空工艺技术，1999（02）：13-17.

[33]房晓明.水下焊接修复技术[M].北京：石油工业出版社，2005.