水下螺柱焊槍的研制與應(yīng)用

薛延華　杜永鵬　朱小俊　申云磊

摘要：針對(duì)海洋工程中的安裝固定及封堵維修等水下作業(yè)需求，基于短周期拉弧焊接技術(shù)設(shè)計(jì)了一種水下螺柱焊槍，并從安全用電設(shè)計(jì)、供氣排水設(shè)計(jì)和施工便利性設(shè)計(jì)等角度介紹了焊槍設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)水下螺柱焊槍開展了水密性試驗(yàn)、供氣排水試驗(yàn)及水下焊接測(cè)試，結(jié)果表明，焊槍具有良好的防水性能，操作安全可靠，能有效實(shí)現(xiàn)螺柱的水下快速焊接。

關(guān)鍵詞：螺柱焊;水下焊接;焊槍

中圖分類號(hào)：TG455文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0037-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.07

0 前言

在海洋工程領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)結(jié)構(gòu)物實(shí)施水下固定安裝，以及對(duì)破損結(jié)構(gòu)進(jìn)行水下封堵修復(fù)等作業(yè)。為了完成上述工作，通常在陸上焊條電弧焊的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變焊材、改進(jìn)焊接設(shè)備和焊接方法來(lái)開展水下濕法焊條電弧焊[1]。受水下特殊環(huán)境的影響，水下濕法焊條電弧焊在工程應(yīng)用中存在操作困難、對(duì)潛水員技能要求較高等問(wèn)題，急需一種操作簡(jiǎn)便易學(xué)、焊接質(zhì)量可靠的水下焊接方法。螺柱焊技術(shù)憑借其操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，使得破解上述難題成為可能。

螺柱焊是將金屬螺柱或其他類似的緊固件直接焊至金屬工件的一種焊接方法。在焊接過(guò)程中，當(dāng)焊接程序啟動(dòng)后，在螺柱與金屬表面形成先導(dǎo)電流并清除表面涂層或污漬;隨后焊槍按照設(shè)定程序自動(dòng)將螺柱提升至設(shè)定高度，通電引弧后，通過(guò)外力將螺柱緩慢插入熔池;繼續(xù)施加短暫電流和持續(xù)供氣，對(duì)焊接接頭加熱形成結(jié)晶接頭。隨著電力電器件的發(fā)展，螺柱焊接技術(shù)得到了推廣[2]，已達(dá)到可以完全代替鉚接或鉆孔螺栓緊固的效果[3]。唐識(shí)等人[4]開展了螺柱焊技術(shù)在核電建設(shè)領(lǐng)域的研究工作，通過(guò)相應(yīng)技術(shù)手段控制結(jié)構(gòu)模塊螺柱焊質(zhì)量。殷浩澍[5]研究了螺柱焊技術(shù)在船廠的應(yīng)用，并提出了應(yīng)用過(guò)程中需注意的問(wèn)題。

盡管螺柱焊接技術(shù)在陸上焊接作業(yè)中獲得了成功應(yīng)用，但考慮到水下焊接的特殊條件，若將其應(yīng)用于水下施工中，需解決電弧的氣體保護(hù)、設(shè)備的防水防腐耐壓以及操作者的人身安全等諸多問(wèn)題。在國(guó)外，Masanobu等人開展了水下螺柱焊接技術(shù)研究[6]，但未進(jìn)行必要的工藝測(cè)試;國(guó)內(nèi)有關(guān)螺柱焊的水下焊接應(yīng)用研究較少，鮮有可供參考借鑒的相關(guān)文獻(xiàn)資料。

本文介紹了一種基于成熟的短周期拉弧焊接技術(shù)的水下螺柱焊槍，借助該焊槍可實(shí)現(xiàn)螺柱的水下快速焊接。該焊槍的成功研制豐富了水下作業(yè)施工的技術(shù)手段，為水下螺柱焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了有力的支撐。

1 水環(huán)境對(duì)水下螺柱焊要求

水下螺柱焊技術(shù)與陸上短周期拉弧焊接技術(shù)工作原理相似，但在焊接過(guò)程初期，需要在螺柱與金屬表面局部密封，通過(guò)供氣排水使焊接局部形成干式環(huán)境，以滿足后續(xù)焊接操作過(guò)程所需條件。

與陸上螺柱焊不同，在水下焊接過(guò)程中，潛水員所處的環(huán)境潮濕，極易發(fā)生麻電等危險(xiǎn)，一旦受到電擊，輕則造成潛水員的放漂、撞傷、摔傷等，重則會(huì)直接導(dǎo)致潛水員死亡。為此，水下螺柱焊接過(guò)程研究中需要重點(diǎn)關(guān)注水下用電安全問(wèn)題。

由于水下焊接作業(yè)時(shí)需佩戴潛水頭盔、氣瓶等器材，操作靈活性差。潛水員進(jìn)行水下螺柱焊接時(shí)，對(duì)焊接設(shè)備的靈活便利性提出了更高的要求，因此，還需從操縱靈活便利角度開展水下螺柱焊槍設(shè)計(jì)。

2 水下螺柱焊槍設(shè)計(jì)

根據(jù)水下螺柱焊接工作原理，結(jié)合水下焊接的特點(diǎn)，制定了如圖1所示的水下螺柱焊焊槍設(shè)計(jì)方案，并從防水耐壓、供氣排水、氣體保護(hù)、安全用電、自動(dòng)控制輕量化等角度開展相關(guān)研究工作。

2.1 安全用電設(shè)計(jì)

水下螺柱焊槍安全用電設(shè)計(jì)包括焊槍密封設(shè)計(jì)、焊槍工作電壓設(shè)計(jì)和焊接電流控制設(shè)計(jì)3個(gè)方面。

為確保水下螺柱焊槍內(nèi)電子元器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的使用安全和用電安全，焊槍設(shè)計(jì)需要解決密封問(wèn)題。焊槍的密封部位主要包括后端調(diào)整裝置、前端的電磁提升傳動(dòng)裝置、焊接啟動(dòng)開關(guān)以及焊接電纜連接裝置等。其中焊槍后端調(diào)整裝置屬于靜密封，可采用防水密封帽;電磁提升傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，屬于動(dòng)密封，為保證其往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，采用石墨軸承和活塞密封組件實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸對(duì)中和動(dòng)密封;焊接啟動(dòng)開關(guān)采用防水磁性開關(guān)，確保整體密封性能。焊接電纜連接裝置是將焊接電流（最大約1 600 A）傳導(dǎo)至焊接螺柱上的重要部件，它需要保證較大的焊接電流，必須將其對(duì)提升裝置的運(yùn)動(dòng)影響降至最低。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了由導(dǎo)電軸、柔性線纜、電纜轉(zhuǎn)接器和密封罩體組成的焊接電纜連接裝置，如圖2所示。

為了保障潛水員的水下用電安全，在水下焊接操作過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水下焊接與切割中的安全》中的規(guī)定，將工作電壓控制在水下人體能夠直接接觸的安全電壓值范圍內(nèi)（直流36 V）。該螺柱焊接電源在提供最大焊接電流1 600 A時(shí)，焊接電壓小于直流24 V，完全滿足水下安全用電的技術(shù)要求。為保證焊槍其他零部件的用電安全，焊槍中的管式電磁鐵的電壓為直流24 V，控制電纜的電壓為直流12 V。

影響潛水員水下用電安全的另一重要因素是焊接電流。為避免焊接電流對(duì)潛水員的影響，在焊槍設(shè)計(jì)中采取的具體措施如下：（1）對(duì)焊槍本體進(jìn)行耐壓防水設(shè)計(jì);（2）在提升裝置中利用絕緣體將焊接電流與焊槍本體隔離，避免焊接電流“回流”至潛水員;（3）焊槍的焊接啟動(dòng)控制程序采用防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，即只有螺柱頂端與金屬表面接觸并提升一定高度時(shí)，按下焊槍磁性開關(guān)才能啟動(dòng)焊接過(guò)程，從而避免潛水員在水下誤操作發(fā)生觸電和焊接電流通過(guò)潛水員身體等安全隱患。

2.2 供氣排水設(shè)計(jì)

供氣排水設(shè)計(jì)包括排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、排水氣罩進(jìn)氣方式設(shè)計(jì)和排水保護(hù)氣體選擇3個(gè)方面。

為保證水下螺柱焊接質(zhì)量，減少水下環(huán)境對(duì)焊接熔池的影響，在水下螺柱焊槍的前端設(shè)計(jì)有如圖3所示的排水氣罩，它具有局部排水和氣體保護(hù)兩個(gè)功能。排水氣罩的進(jìn)氣方式對(duì)罩內(nèi)氣流的穩(wěn)定性以及排水效果影響很大，當(dāng)罩內(nèi)氣體為層狀或流束狀運(yùn)動(dòng)時(shí)，既可以減少氣流對(duì)電弧的擾動(dòng)，又有利于罩內(nèi)積水和焊接煙霧的下壓、外排。排水氣罩的進(jìn)氣方式有多種：徑向進(jìn)氣、切向進(jìn)氣和帶鎮(zhèn)靜氣室的環(huán)向進(jìn)氣。在參考已有文獻(xiàn)資料的前提下，以降低氣罩罩內(nèi)氣流紊亂程度為目標(biāo)，選用正向進(jìn)氣且有鎮(zhèn)靜氣室的氣罩結(jié)構(gòu)[7]。對(duì)于正向進(jìn)氣且有鎮(zhèn)靜氣室的排水氣罩，不論是罩內(nèi)的速度分布還是壓力分布都很均勻，氣體在鎮(zhèn)靜室內(nèi)得到了充分的緩沖，保證了罩內(nèi)氣流的穩(wěn)定。排水氣罩上部氣流的速度大于下部，能夠達(dá)到將焊接煙霧下壓和排出的目的，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于氣體類型的選擇，局部干法焊接使用的保護(hù)氣對(duì)水下螺柱焊提供了有益的參考[8-9]。在局部排水焊接中使用的氣體主要包括空氣、CO2和Ar三種氣體?？諝庵泻写罅垦鯕?，具有較高的氧化性，影響到焊接質(zhì)量;CO2在高溫下分解出的氧氣具有較強(qiáng)的氧化性，并且隨著溫度的升高增強(qiáng)，在螺柱焊接過(guò)程中較為不利;Ar是惰性氣體，不與金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)Ar不溶解于液態(tài)金屬，將其作為氣體保護(hù)層，可防止被焊金屬中的合金元素高溫下氧化燒損，且保護(hù)效果好，能獲得較高的焊接質(zhì)量。因此，在水下螺柱焊接過(guò)程中采用氬氣作為排水和氣體保護(hù)焊氣體。

2.3 施工便利性設(shè)計(jì)

水下螺柱焊槍的施工便利性設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程優(yōu)化控制設(shè)計(jì)等。

由于水下螺柱焊槍采用短周期拉弧焊原理設(shè)計(jì)，其內(nèi)置電磁提升、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等相關(guān)組件，質(zhì)量較大，會(huì)影響潛水員水下使用。為減輕水下螺柱焊槍的質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)焊槍本體采用超高分子量聚乙烯材料加工而成，該材料具有強(qiáng)度高、抗沖擊、耐磨和防腐性好等優(yōu)點(diǎn)，且密度較低（0.97 g/cm3）能減輕焊槍的整體質(zhì)量。另外，對(duì)于電磁鐵-彈簧提升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸等部件，采用中空設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步減輕焊槍內(nèi)部機(jī)構(gòu)質(zhì)量。

在水下螺柱焊接過(guò)程中，螺柱的提升高度、時(shí)機(jī)和持續(xù)時(shí)間是關(guān)鍵參數(shù)。為保證自動(dòng)焊接過(guò)程，螺柱提升和下落運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要由焊槍內(nèi)的電磁鐵線圈的通斷電和彈簧的壓縮、釋放來(lái)完成。當(dāng)按下焊槍開關(guān)，焊槍中的電磁線圈通電，使鐵心產(chǎn)生向上的運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，螺柱隨之提起一定高度;焊接預(yù)設(shè)時(shí)間到達(dá)之后，電磁鐵線圈斷電，在彈簧恢復(fù)力和電磁鐵鐵心重力作用下，螺柱插入熔池完成焊接。

通過(guò)防水、供氣排水、氣體保護(hù)、用電安全以及自動(dòng)控制等特殊設(shè)計(jì)，研制完成如圖4所示的水下螺柱焊槍。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證水下螺柱焊槍的實(shí)用性、可靠性和安全性，對(duì)水下螺柱焊槍進(jìn)行焊槍水密性試驗(yàn)和供氣排水試驗(yàn)等測(cè)試，如圖5所示。

將水下螺柱焊槍的供氣排水保護(hù)罩放置在水槽中，啟動(dòng)焊接開關(guān)，焊槍保護(hù)罩內(nèi)出現(xiàn)氣泡。當(dāng)供氣一定時(shí)間后，水下螺柱焊槍能夠自動(dòng)引弧。上述動(dòng)作的順利完成證明焊接區(qū)域的排水效果良好。

將螺柱焊槍放置在水深為4 m的水中進(jìn)行水密試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)0.5 h后，未發(fā)現(xiàn)水下螺柱焊槍的透明觀察管出現(xiàn)水滴現(xiàn)象，證明水下螺柱焊槍能滿足設(shè)計(jì)的密封性能。開啟焊接開關(guān)，水下螺柱焊機(jī)按照設(shè)定參數(shù)實(shí)施水下供氣排水。根據(jù)潛水員在水下的觀察結(jié)果可以證實(shí)，焊槍排水效果良好。

順利完成上述測(cè)試工作后，在青島近海某碼頭開展了水下螺柱焊工藝試驗(yàn)。作業(yè)區(qū)域水深4 m，能見度約2 m，焊接用螺柱直徑10 mm，母材為Q345船用鋼板，板厚8 mm。水下螺柱焊焊接成形如圖6所示，焊后經(jīng)彎曲測(cè)試，被焊螺柱性能滿足設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該水下螺柱焊槍具有焊接時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、安全性高、焊接質(zhì)量好等特點(diǎn)，可以在水下將螺柱直接固定于金屬表面上，代替鉚接、鉆孔和攻螺紋連接，滿足水下快速固定、安裝以及應(yīng)急搶修等作業(yè)需求，可用于封艙打撈、水下構(gòu)件安裝等水下快速固定、安裝等作業(yè)，也可以用于破損船舶的水下快速堵漏或搶修等工程。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種基于短周期拉弧焊接技術(shù)的水下螺柱焊焊槍，解決了安全用電設(shè)計(jì)、供氣排水設(shè)計(jì)和施工便利性設(shè)計(jì)等焊槍設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。

（2）水下螺柱焊槍具有良好的水密性，能夠根據(jù)需要排干電弧區(qū)域周圍的水分，滿足螺柱焊接要求。水下螺柱焊槍設(shè)計(jì)安全可靠，可在水下安全地引燃電弧。

（3）水下螺柱焊接技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)水下快速連接，在水下打撈修復(fù)等工程中有著較大的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張洪濤，鐘詩(shī)勝，馮吉才. 水下焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].焊接，2011（10）：18-22.

[2] 張義，陳小敏，張景林. 電弧螺柱焊電源的發(fā)展方向探索-超級(jí)電容器在螺柱焊機(jī)中的應(yīng)用[J]. 電焊機(jī)，2010，40（4）：1-6.

[3] Jorg H，Hadi S. A review on assessment of fatigue strength in welded studs[J]. International Journal of Steel Structures， 2014，14（2）：21-438.

[4] 唐識(shí)，張俊寶，董永志. 螺柱焊在三代核電工程結(jié)構(gòu)模塊中的應(yīng)用[J]. 電焊機(jī)，2016，46（8）：1-6.

[5] 殷浩澍. 螺柱焊在船廠的應(yīng)用[J]. 電焊機(jī)，2006，36（1）：19-22.

[6] Masanobu H，F(xiàn)umikazu T. Underwater Stud Welding[J]. Transation of the Japan Welding Society，1979，10（1）：67-71.

[7] 賈文卓，朱加雷，高輝，等. 水下局部干式焊接排水氣罩研究[J]. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，18（4）：47-50.

[8] 賈濱陽(yáng). 高壓氣體環(huán)境對(duì)GMAW焊電弧形態(tài)影響[D]. 北京：北京化工大學(xué)，2012：1-50.

[9] 趙華夏. 高壓環(huán)境焊接電弧特性及熔滴過(guò)渡行為研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2010：1-20.