● 摘要
伴随着人类对海洋的开发，大量的海底管道施工工程对水下焊接技术提出了新的要求。因此，发展水下焊接技术刻不容缓。水下焊接一般依据焊接所处的环境大体上分为三类：湿法水下焊接、干法水下焊接和局部干法水下焊接。干法水下焊接又分为高压干法水下焊接和常压干法水下焊接。高压干法水下焊接以其焊接质量高、接头性能好等优点越来越受到重视。对高压干法水下焊接技术进行系统研究，具有重要的现实意义。依据我国JB4732-95《钢制压力容器——分析设计标准》，运用ANSYS软件的接触单元数值模拟分析了高压焊接试验舱的齿啮合接触过程，建立了符合实际接触状况的有限元模型，对齿啮式卡箍锁紧结构的封头齿形法兰、筒体齿形法兰及卡箍进行了应力分析设计和应力校核，为非标结构快开设备的设计提供了一定的参考。建立了由高压焊接试验舱、焊接机器人和控制系统组成的高压干法水下焊接模拟试验平台，为开展水下干式高压焊接技术研究提供了保证。为满足焊接试验分析和判断的需要，建立了以激光为背景光源的高速摄像系统，该系统包括焊接平台、焊接设备和摄像装置三部分。设计了高压空气环境下的熔池摄像系统，主要包括工业摄像机、变焦镜头、干涉滤光片、图像采集卡、监视和录像软件、变焦镜头控制器。根据氩弧光谱的分析，采用650nm的干涉滤光片，得到比较清晰的高压环境下的熔池图像。研究表明，选用空气作为环境保护气体，采用接触引弧方式，在0.1～0.7MPa压力范围内引弧是安全的；随着空气环境压力的升高，气体密度增大，气体的电离度降低，弧柱电场强度增加，由此导致电弧静特性曲线上移；气压升高后，不仅弧柱电场强度升高，弧柱能量提高，而且由于电弧断面收缩，电弧的能量密度提高，电弧亮度增强。在实验数据的基础上，建立了高压空气环境下的GTAW电弧电压数学模型，该数学模型可用于综合分析计算电弧长度、环境压力和焊接电流对GTAW电弧电压的影响。对高压空气环境下的钨极失效进行了研究，钨极失效的主要形式为钨极烧蚀，提出了钨极烧蚀失效的几何判据。研究了钨极凸缘的形成机理。系统分析了影响高压焊接钨极失效的因素，建立了高压GTAW焊钨极失效的故障树，提出了防止钨极失效的措施。随着空气环境压力的增加，焊缝熔深增加，故打底焊电流相应减小，氩气流量要相应加大；环境空气压力对焊缝力学性能也有显著的影响。选用V型坡口，采用16MnR试板，打底焊采用脉冲电流，对八个位置分别进行焊接工艺试验，在0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa和0.7MPa压力下，均获得单面焊双面成形的良好效果。为管道全位置焊接打下基础。