DH36钢水下湿法焊接压力舱模拟试验研究

边大勇，陈 勇，张大伟，杨寿海，黄江中，沈相星

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大学 材料科学与工程学院，天津 300072)

DH36钢水下湿法焊接压力舱模拟试验研究

边大勇1，陈 勇1，张大伟1，杨寿海1，黄江中1，沈相星2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大学 材料科学与工程学院，天津 300072)

在自主设计的压力舱中模拟不同水深焊接12.7 mm厚的DH36海洋工程用钢，用二维运动平台和KEMPPI MASTER 2850焊机进行自动焊，采用UW-CS-1水下焊条进行焊接，焊后根据AWS D3.6M: 2010标准对不同水深的焊缝力学性能进行检测。文章从Mn和Si元素的损失、焊缝中气孔和氢的增加、电弧收缩3个角度分析，得出水深的增加会使湿法焊接焊缝力学性能变差的结论，且在水下0.5 m和10.0 m湿法焊接的焊缝力学性能满足AWS标准B级接头的要求，因此可以在海洋10.0 m深处运用此种焊接工艺。

压力舱；湿法焊接；水深；力学性能；DH36

1 试验方法

随着人类对海洋资源开发利用的重视，作为海洋资源开发的必要技术——水下焊接也受到研究人员的关注。水下焊接在海洋平台的建造、护理和修补以及海底管线的铺设上发挥着重要作用。

但水下焊接不同于陆地上的焊接，在几十米深的水下，光线不能很好的传播、压力超过正常大气压、焊缝冷却速度快且容易产生氢脆等，因此不能将陆地上的焊接技术完全照抄照搬。在水下焊接技术研究过程中，出现了湿法、干法和局部干法。湿法是靠电弧热和电阻热将电弧周围的水汽化，使得电弧可以在一个相对稳定的气体环境中燃烧。干法和局部干法都是用空气或惰性气体将水排开，使电弧稳定燃烧。与干法和局部干法相比，湿法具有设备简单、操作灵活、水下适应性强、可在任何位置焊接、无需大量准备工作等优势。因此湿法在水下焊接的应用广泛[1-2]。

由于湿法是通过电弧热和电阻热汽化水营造气体环境，因此气体环境存在大量的氢，会对焊缝强度产生影响。尤其当水深的增加时，压力增加，对强度影响更大。因此有必要研究不同水深下湿法焊接焊缝的力学性能。国内外也有一些关于湿法焊接水深对焊缝力学性能的研究[3-5]，如美国重力焊接研究水深对湿法焊缝力学性能的影响，但重力焊设备结构简单，难以实现多层多道焊接操作。本研究采用自行研发的带有弧压反馈引弧功能的焊条自动焊装置在压力舱中实现了V型坡口平板对接接头的多层多道焊接，焊出了长度超过400 mm的完整焊接接头试样。并根据AWS D3.6M：2010标准对所焊接头进行了性能评估。在此基础上分析研究了水深对焊接接头各项性能的影响规律。为水下湿法焊条电弧焊的实际工程应用提供理论基础[6-8]。

1.1 试验材料及试验设备

母材为海洋工程结构钢DH36，板厚为12.7 mm。焊接试板的尺寸及坡口形式如图1所示。材料成分及实测性能参数如表1所示。

图1 试板坡口图

材料屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%DH3638052030质量分数/%CSiMnAlNbVTi0．1300．1801．4000．0200．0200．0500．012

试验所用焊条为美国Broco公司生产的AWS E7014系列水下专用焊条，其牌号为UW-CS-1，该焊条经过美国海军认证，具有良好的焊接工艺和力学性能。其基本性能参数如表2所示。

表2 试样拉伸结果

试验用压力舱及舱内自动焊接工作台为自主设计。舱体内径2.0 m，长度3.0 m，设计压力3.0 MPa，许用工作压力1.5 MPa。舱内自动焊接工作台包括1个放置工件的二维运动平台；1个焊条夹持和送进机构，能够实现弧压反馈自动引弧和焊条送进功能；3个监控摄像头和相应的光源，用于外部监控。其结构如图2所示。

(a)压力舱 (b)自动焊接工作台图2 压力舱和自动焊接工作台

焊接电源为KEMPPI MASTER 2850水下焊接专用焊机，其空载电压为75 V，最大稳定输出电压为55 V，额定焊接电流350 A，具有恒流带外拖外特性。

1.2 试验过程

为模拟不同水深的影响，试验时，在二维运动平台上放置1个注满水的水槽，工件浸没在水中，然后向压力舱内打入不同压力的压缩空气，保证电弧在相应压力的水中燃烧。经过反复的试样，最终选定的焊接参数为：焊接电流145～155 A，焊接速度为7～13 mm/s，相应的焊接热输入为：0.33～0.47 kJ/mm。焊接时均采用直流反接接法。

根据AWS D3.6 M:2010，确定焊缝是否满足B级接头的要求：首先需要对焊缝进行成型检测和X射线探伤；然后需要在焊缝上取2个拉伸试样；4个侧弯试样，且侧弯的最大弯辊半径不能超过侧弯试样厚度的6倍，试验板厚为12.7 mm，弯辊直径为120 mm，满足要求；需要6个冲击试验，其中3个缺口开在焊缝中心的位置，3个缺口开在热影响区的中心位置；还需要一个宏观试样，所有试样均由线切割得到。

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

拉伸试验在200 tYDL-万能试验机上进行，拉伸试样尺寸及形状参照AWS标准，拉伸试验结果如表2。0.5 m水深和10.0 m水深的焊缝抗拉强度要高于母材，断裂位置都在母材；当水深达到20.0 m、40.0 m、50.0 m时，焊缝的抗拉强度都低于母材的抗拉强度，断裂位置都在焊缝。并且水深大于10.0 m后，水深增加，抗拉强度降低。

侧弯试验在30 t电子万能试验机上进行，侧弯试样的形状和尺寸参照AWS标准，试验结果如表3，侧弯试验实物图如图3所示。0.5 m和10.0 m水深下的焊缝侧弯时所有试样均未出现裂纹，20.0 m深时2个试样出现裂纹，40.0 m深时3个试样出现裂纹，50.0 m水深时4个试样均出现裂纹。

图310.0 m和40.0 m试样侧弯试验实物图(左图为10.0 m)

水深/m侧弯结果0．5均未出现裂纹10．0均未出现裂纹20．02个试样出现裂纹40．03个试样出现裂纹50．04个试样均出现裂纹

冲击试验在JTD-300B低温冲击试验机上进行，试样尺寸及形状参照AWS标准，试验温度为0 ℃。冲击试验的结果如表4所示。在0.5 m水深和10.0 m水深焊缝和热影响区的冲击吸收功均大于27 J。20.0 m、40.0 m、50.0 m水深下接头热影响区冲击吸收功大于27 J，焊缝冲击吸收功小于27 J。并且水深大于10.0 m后，水深增大，焊缝和热影响区的冲击吸收功都降低。

表4 冲击试验结果

对试样进行X射线和外观检测并测量焊缝硬度和焊缝横截面气孔率，气孔率的计算公式如(1)式。

气孔率=横截面的气孔数/横截面积。

(1)

X射线检验以及焊缝硬度结果如表5所示，气孔率如图4所示。各试样焊缝HV硬度值都小于375，并且水深大于10.0 m时，焊缝硬度值随着水深的增加明显减小，热影响区硬度值随水深增加变化不大，在50.0 m时，硬度有小幅度下降。X射线结果显示，水深0.5 m、10.0 m时，焊缝无缺陷；20.0 m和40.0 m时出现少量气孔；50.0 m时有较多气孔。气孔率结果显示，0.5 m水深和10.0 m水深时气孔率为0，水深大于10.0 m，水深增加，气孔率增加。图5为10.0 m和40.0 m水深宏观金相对比，可以看出10.0 m水深没有气孔，40.0 m水深有气孔。图6为10.0 m、40.0 m水深下焊缝外观的对比，可以看出，随着水深的增加焊缝外观变差。

表5 X射线检验和焊缝硬度

图4 各水深焊缝的气孔率

图6 10.0 m和40.0 m水深焊缝外观

2.2 分析与讨论

水深20.0 m、40.0 m、50.0 m的焊缝成型和力学性能变化规律可用以下理论进行解释。水深增加，压力增大，电弧气泡被压缩到更小，电弧加热范围变得更加小，更易于形成夹渣和咬边、强度和韧性也会变差。并且水深增加，压力增大时，氢等气体无法快速溢出，形成气孔，气孔率上升，成型变差，强度和韧性下降。不仅如此，水深增加、压力增大还会导致氧分压的增加，进一步导致Mn、Si等合金元素烧损，成型变差，降低焊缝的强度和硬度,但合金烧损对热影响区硬度影响较小。

水深小于10.0 m时，压力没有超过0.1 MPa，对焊缝成型和力学性能影响不显著，因此0.5 m水深和10.0 m水深湿法焊缝的成型和力学性能相近。

根据AWS D3.6M:2010，本次试验的焊缝达到B级接头需满足如下条件：焊缝强度大于母材强度，侧弯不能出现大于3 mm的裂纹，焊缝和热影响区的冲击吸收功大于27 J，HV硬度不超过375，X射线检测和外观检测没有明显裂纹。因此，水深0.5 m和10.0 m的湿法焊缝满足B级接头的要求，20.0 m、40.0 m、50.0 m的湿法焊缝不满足B级接头的要求。

3 结束语

1)采用自行设计的压力舱，成功实现了多层多道焊接操作的能力。

2)随着水深的增加，焊缝成型变差。

3)随水深的增加，焊缝的抗拉强度、韧性、硬度均降低；热影响区硬度变化不大，在50.0 m时有小幅度下降。

4)当水深超过20.0 m后，该焊条湿法焊接将无法满足B级焊缝要求。

[1]Jerzy banowski. Development of under-water welding techniques[J].Welding International,2011，25(12)：933-937.

[2]陈英，许威，马洪伟，等. 水下焊接技术研究现状和发展趋势[J]. 焊管,2014(5):29-35.

[3]黄江中，高文斌，赵翠华，等. DH36水下湿法焊接接头组织和力学性能分析[J].电焊机,2014. 44(6): 107-112.

[4]杜则裕. 石油管道及海洋结构的水下焊接技术[J]. 焊接技术,2007(S2):2-4.

[5]H.T. Zhang, X. Y. Dai, J. C. Feng, etc. Preliminary Investigation on Real-Time Induction Heating Assisted Underwater Wet Welding[J]. WELDING JOURNAL，2015，94(1)：8-15.

[6]胡家琨，武传松，贾传宝. 水下湿法焊条电弧焊接过程稳定性评价[J]. 焊接学报，2013，34(5): 99-102.

[7]America Welding Society. AWS D3.6-2010,Underwater Weld Code[S].

[8]张文钺. 焊接冶金学[M]. 北京: 机械工业出版社，1999.

树 木 拥 有 绿 色

地 球 才 有 脉 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

边大勇(1967-)，男，天津人，高级工程师，大学本科，主要从事海洋工程水下维修工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.009

2016-03-31