水下局部排气罩跟踪焊接实验及工艺研究

第一章绪论

地球上海洋的面积超过3亿平方公里，大海里有着丰富的石油，稀有元素、核电元素、鱼类、矿藏、食用植物等能够满足人类生存的一切生活资料。20世纪70年代以来，许多沿海国家不断加快海洋开发步伐，海洋经济快速发展。中国陆地自然资源人均占有量低于世界平均水平，作为一个发展中的沿海大国，人们的目光逐渐转到富饶而未充分幵发的海洋。1994年的《联合国海洋法公约》和1996年中国制定的《中国海洋21世纪议程》，提出了有效维护国家海洋权益，合理开发利用海洋资源，切实保护海洋生念环境，实现海洋资源、环境的可持续利用和海洋事业协调发展的基本思路。从1954年美国在墨西哥湾铺设了第一条海底管道以来，世界各国已铺设了无数的海底管道。可以推断世界上有海岸线的国家都将向海上发展，大型的钢结构是通往海上的必由之路，随之而来的是水下揮接的大面积使用，所以我国要积极开展水下接的研究活动。现在有大面积沿海的国家都投入了大量的经费在水下大型构件辉接和水下燥接修复领域[2],特别是俄罗斯、美国、德国、日本、巴西等技术强国，并且取得了很多技术成果。水下挥接煙缝面临着巨大的挑战，在高温高压的情况下电弧的不稳定，在水介质和盐类介质的影响下成型的煌缝会被激冷、夹氧、盐类金属可能导致煙缝发生不定向的化学反应，难度非常大。只有强持不断的提高水下燥接的质量，技术上使水下偉接质量逐渐接近陆地上挥接质量，才可以保证我国在海上平台的开发和海上资源开采的技术优势，防止他国技术垄断。

1.1水下择接方法
从1802年，Humphrey学者提出电弧能够在水中燃烧已经过去一个多世纪。水下择接一般被分为3大类：湿法、干法和局部干法。其中干法又可以分为高压干法水下煙接和常压干法水下挥接。局部干法则包括排水罩式、高压水帘式、钢刷式、移动气箱式和等离子弧MIG (恪化极惰性气体保护妈）局部干法等。采用的辉接方法一般有药皮辉条揮接，GTAW(鹤极氩弧辉)，GMWA(溶化极气体保护燒)以及FCAW(药芯爆丝燥)[3]。目前科研开始把目光投向固相水下辉技术，爆炸辉和搅拌摩擦煙(FSW)。
1.1.1水下湿法择接技术
水下湿法择接技术即是电弧直接在水中燃烧使母材之间连接的技术。水下湿式煌接可能出现的三个主要问题：a、氧致裂缝；b、辉缝金属和HAZ(热影响区)过硬[4]；C、孔隙和夹渣的存在。
1.1.2水下干法爆接技术
水下干法燥接技术即是外面保护结构仍处在水中，电弧在保护结构的气体中燃烧使母材之间连接的技术。进行干法水下燥接时，需要设计和制造复杂的压力船或工作室，根据压力舱或工作室内压力不同，干法水下挥接又分为高压干法水下挥接和常压干法水下辉接[5]。局部干法水下燥接是揮接机器人直接处于水中，采用特殊结构的排水罩保护被燥部位，用空气和保护气将水排幵，局部排气罩和工件之间形成了空间，保护效果是由保护气罩的结构、局部排气罩的大小和保护其流量相互作用决定的。与干法辉接相比，局部干法无需大型昂贵的排水气室，适应性明显增大。它综合了湿法和干法两者的优点，是一种较先进的水下燥接方法，也是当前水下煙接研究的重点方向。局部干法水下煙接可直接获得接近干法燒接的接头质量，同时由于设备简单，成本较低，有湿法挥接的灵活性，因此是很有应用前景的水下辉接方法[6]。为适应各种不同的需要，局部干法水下爆接可以采用各种不同的方法，TIG(惰性气体氩弧爆）、MIG (惰性气体保护辉）、MAG (恪化极活性气体保护煙）燥接等。干法惶接设备设备昂贵，要求高，局部干法燥接设备成本相对低，在深水施工修补择接工件，局部干法燥接能够确保高质量并且节省大量成本的燥接方法。

1.2水下择接特点
水下辉接是集多种技术于一身的燥接技术，它的环境因为是水，与空气中煙接的这一个差别导致了水下掉接很多不利的影响，主要表现在以下几个方面：A、水下可见度低现场环境下水下辉接一般在江河湖海中，所以不可能保证水下的可见度，并且由于水对光的折射和散射作用，所见并不是所得，燥接时产生的烟雾和气泡对燥接的可视性非常低。B、培池激冷燥丝融化后形成擦滴在辉缝中会激冷，虽然尽量减小500-80(rc的冷却时间，但是在800-150(rC和20-500°C这个区间燥缝激冷会对辉缝产生很大的内应力，择缝产生萍硬，择缝的铺性非常低，比较容易出现择缝裂纹，工件的质量很难得到保证，所以挥接后必须避免恪池激冷。C、水中燒接氬致裂纹的倾向大水下辉接，电弧部分的温度在i50(rc以上，工件一直在水环境下，所以工件上必然会有水汽，高温下水汽将被分解成[H]和[0],在形成溶池的过程中[H]会以自由态进入择缝，[H]体积非常小，会在金相中进行跃迁，长时间的积累后，[H]会结合形成氢气，对辉缝形成氧致白点，对工件损伤巨大。所以现场挥接对新材料的额开发和新工艺产生了迫切需求。D、压力的影响水深的压力计算为P所以水深每深10米将增加一个大气压，压力越大，电弧被压缩的越小，同时到点介质密度增加，增加了电离的难度，电弧电压随之增高，所以飞溅随之增多[7]。
  
  1.3 水下焊接技术的研究现状 ...................11-16
    1.4 FLUENT软件介绍和研究进展 ...................16-17
    1.5 水下焊接技术研究的趋势................... 17-18
    1.6 课题的研究内容 ...................18-19
第2章 水下焊接机器人系统构成 ...................19-36
    2.1 水下焊接机器人试验系统 ...................19-20
    2.2 课题实验设施简介 ...................20-35
    2.3 本章小结 ...................35-36
第3章 局部排气罩跟踪焊接实验 ...................36-41
    3.1 水下焊接机器人水下跟踪焊接实验 ...................36-40
    3.2 本章小结 ...................40-41
第4章 水下局部排气罩高压气和保护气湍流数值模拟 ...................41-54
    4.1 FLUENT软件简介 ...................41
    4.2 模型假设及主控方程 ...................41-52
    4.3 本章小结 ...................52-54
第5章 水下局部干法焊接实验及工艺研究 ...................54-68
    5.1 影响水下焊缝成形的因素 ...................54-67
    5.2 本章小结 ...................67-68

结论

本文以深水焊接机器人相关设备和局部排气罩为对象，研究了水下高压环境下局部排气罩内气流的数值模拟以及高压环境下（深水15米）采用不同局部排气罩的焊接工艺，并对高压环境下高压排水系统对焊接性能的影响进行了研究。
(1)水下焊接机器人系统保证了焊接质量。水下焊接机器人有焊枪和局部排气罩位置自动调节系统、跟踪系统和观察系统，所以即使出现偏差机器人仍然能够保证水下焊缝的跟踪。
(2)对水下焊接局部排气罩的两种结构的设计做了对比研究，并进行了高压气体混合数值模拟和实验，实验和模拟的结果表明矩形局部排气罩的跟踪效果优于圆形局部排气罩，实验室最终釆用矩形排气罩，实验结果理想。
(3)研究了水下焊接机器人送丝机盒，实验表明送丝机盒有必要与机器人一起在水下工作，如果送丝机盒在水面上，送丝管超过15m，对送丝的阻力大，这样对送丝管路结构的设计提出了高的要求。
(4)研究了水下焊接各个因素对焊接的影响，包括水下焊接工艺、水下焊接设备等对水下焊接焊缝质量产生影响的因素做了对比研究。试验水深为10m，焊接电流为200-230A,焊接电压为28V,保护气体流量为40-50 L/min，高压气流量为0.6MPa，焊接速度300-400脉冲。

参考文献

[1]杨永勇.水卜.干式高压焊接焊缝跟踪实验系统研究作[D].北京化工大学，2008.
[2]海上钻井平台的水下焊接修复方案[N].现代焊接,2010,7:29-31.
[3]高辉.摩擦叠焊试验装置及焊接工艺研究[D].北京化工人学,2010.
[4]刘片户.水下管道焊接技术的研究现状及发展趋势[J].电焊机,2006,36(7):1-3.
[5]杜则裕.石油管道及海洋结构的水下焊接技术.焊接技术，2007，（39): 2-4.
[6]徐鹏飞.水下焊接机器人视觉传感焊缝跟踪方法研究[D].南吕人学，2008.
[7]叶建雄.旋转电弧传感焊枪倾角检测及水下焊缝跟踪技术研究[D].南吕人学,2007.
[8]A.E.XaAperAMflOBAp.TexHOJiorMjiccKac xap aKTepH-CTAHH[J].cpocrbo, 1981， (6)： 13-15.
[9]R.K.Pandeyetal.Dry Hyper baric MMA Welding[J]. Welding and Metal Fabrication, 1985,(8,9,10). 230-238,278-281.
[10]陈晓强，李有福.船舵舵叶的水下焊接修补.中国修船，2006,19(3):29-30.