高压环境下GTAW电弧稳定性试验研究

伴随着人类对海洋的开发，大量的海洋工程施工对水下焊接技术提出了新的要求，因此，发展水下焊接技术已刻不容缓。目前，世界各国正在应用和研究的水下焊接方法种类繁多，可以说，陆上生产应用的焊接技术，几乎都在水下尝试过，但比较成熟、应用较多的还是几种电弧焊。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。从焊接冶金和保证焊接质量的角度看，干法水下焊接是最为有利的，近年来水下高压干法焊接取得了进一步的发展。水下高压干法焊接所用的焊接方法有SMAW、TIG和MIG，从操作性和焊接质量考虑，应该首选水下干式TIG焊。高压干法焊接与常规焊接相比，是具有重大差别的严酷条件下的焊接，焊接水深或环境压力对焊接电弧的影响不容忽视。高压环境下对电弧行为的研究，特别是对电弧稳定性的研究，是了解高压干法焊接过程的特点，开发相应的焊接材料和获得良好焊接接头的关键。本文主要在模拟试验舱中研究了不同压力下GTAW电弧稳定性的影响因素，进而提出了解决措施。对以后的实际应用具有参考价值。

1 实验装置

图1 高压GTAW模拟实验装置

图1为高压GTAW模拟实验装置示意图。主要有高压环境气体调配储罐、高压焊接试验舱、高压气体管路系统、全位置自动焊机、焊接过程高速摄像系统、舱内场景与焊接过程监控系统和高压环境气体测控系统七部分组成。高压气体管路系统首先为高压环境气体调配储罐配备空气与其他气体的混合气体，然后将该混合气体输送到高压焊接试验舱，全位置自动焊机在高压焊接试验舱中进行工件的全位置焊接。焊接过程高速摄像系统对焊接电弧进行高速摄像，舱内场景与焊接过程监控系统对舱内场景与焊接过程进行实时监控，高压环境气体测控系统完成气体输送过程的自动控制以及高压环境气体调配储罐、高压焊接试验舱的气体环境参数的实时采样与监控。

高压环境气体调配储罐设计压力4.85MPa、最高工作压力4.4MPa、容积5.5m3；高压焊接试验舱设计压力1.5MPa、最高工作压力1.0MPa、容积5.5m3；采用CPLMS1000-25K CCD&CMOS高速数字摄像机，最大可达25000ftp；全位置自动焊机采用哈尔滨中天公司生产的QWZH——315型全位置自动焊机。该焊机控制精度高，可实现全位置焊接。

2 高压环境下GTAW电弧稳定性试验

2．1 试验所用的材料

168.3mm×9.5mm（外径×厚度）。其化学成分及力学性能分别见表1和表2。

表1  API 5L X56管线用钢化学成分 （％）

元素

C

Mn

P

S

Nb

V

Ti

成分

≤0.26

≤1.35

≤0.040

≤0.050

≥0.005

≥0.005

≥0.005

表2  API 5L X56管线用钢管力学性能

项目

抗拉强度, MPa

屈服极限, MPa

延伸率, %

最大试验压力, MPa

指标

489.545

386．12

22

20.685

电极采用钨镧极，钨镧极具有发射电流大、抗烧蚀性能好，无污染的特点。20世纪80年代后期，首先由日本东邦金属株式会社推出钨镧电极产品。研究表明钨镧电极具有最突出的使用性能。首先，其引弧电压值最小，具有最佳引弧性能；其次，在燃弧较长时间时，钨镧电极保持尖端形状的时间最长，对烧损的抵抗力最大，而且钨镧电极的工作温度低，其电子发射本领最高。另外，认为添加2%(质量分数)稀土氧化物的电极具有可加工性[1]。

2．2 电弧稳定性试验

   分别在三种压力下作了电弧稳定性试验，试验结果见表3。

表3 高压焊接实验数据

压力

（MPa）

电压

（V）

电流

（A）

电弧稳

定性

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0．2

14．8

120

好

0．4

13．9

122

好

0．7

15

121

好

3        试验结果分析

在表3所示的三种状态下，都得到稳定燃烧的电弧。通过试验发现，影响电弧稳定性的因素有多种，包括工件表面状态、保护气体效果、钨极等因素。

（1）GTAW对工件或焊丝表面油污、氧化膜特别敏感，如果表面存在油污、氧化膜等，电弧或者不能引起来，或者电弧不能稳定燃烧。因此，焊前必须对焊件的接头附近及焊丝表面进行清理，去除金属表面的氧化膜、湿气、污垢、油脂等杂物，以保证引弧及电弧稳定燃烧。清理的方法大致有如下几种，根据材料选用。

1）  机械清理，此法简单，效果较好，一般可用砂布打磨、吹砂式抛光、钢丝刷、电动钢丝轮和刮刀等方法。机械清理后可用丙酮去除油污。

2）  化学清理，焊丝一般采用化学清理方法，效果好且生产效率高。不同金属材料采用的化学清理剂与工艺程序各不相同，可按说明书的规定进行。清理后的焊件和焊丝必须妥善放置与保管，一般应在24小时内用完。如果存放中弄脏或放置时间超过规定时间，在焊前要重新清理一次。化学清理适合于批量及小型零件。

3）  化学——机械清理，大型工件采用化学清理往往不够彻底，因而在焊前尚需用钢丝轮和刮刀在焊接坡口边缘再清理一次。

（2）气体保护效果影响电弧的稳定性，在一定条件下，气体流量和喷嘴直径有一个最佳范围，此时，气体保护效果最佳，焊件上有效保护区域最大。如果气体流量过低，气流排除周围空气能力弱，保护效果差；流量过大，气体排出时容易形成紊流，使空气卷入，也会降低保护效果。同样，在气体流量一定时，喷嘴直径过小，保护区域小，且因气流速度过高而形成紊流；喷嘴直径过大，不仅防碍观察，而且流速过低，保护效果也不好。另外，本次试验是在高压环境下，还要考虑环境压力（空气）对保护气体（氩气）的影响，采取的措施是要保证氩气的压力大于环境空气的压力。

图2 电极示意图

（3）钨极直接影响电弧的稳定性，我们采用发射电流大、抗烧蚀性能好，无污染的钨镧极作为电极。钨极端部形状是一个重要的工艺参数，要根据所用的焊接电流种类，选用不同的端部形状，一般情况下，小电流焊接时选用小直径钨极和小的锥角，可使电弧容易引燃和稳定；在大电流焊接时，增大锥角可避免尖端过热而熔化，减少损耗，并防止电弧往上扩展而影响阴极斑点的稳定性。使用过程中钨极经常需要用砂轮或者专用的钨极磨削机进行修整。

图3 钨极损坏故障树

（4）钨极的损坏也是影响电弧稳定性的主要因素，钨极损坏的故障树见图3。解决的措施包括：采用比较好的材料；采用合适的焊接参数；机械结构合理。

4        结论

（1）       设计了高压环境下的GTAW试验装置，该装置主要有高压环境气体调配储罐、高压焊接试验舱、高压气体管路系统、全位置自动焊机、焊接过程高速摄像系统、舱内场景与焊接过程监控系统和高压环境气体测控系统七部分组成。

（2）       进行了高压环境下的电弧稳定性试验，结果显示，在0.2、0.4、0.7MPa下，GTAW电弧均能稳定燃烧。

（3）       影响电弧稳定性的因素有多种，包括工件表面状态、保护气体效果、钨极等因素。钨极损坏严重影响电弧稳定性，给出了钨极损坏的故障树。