浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2019, 53(7): 1252-1264 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.07.003

机械与能源工程

局部干法水下焊接技术的发展

韩雷刚,, 钟启明, 陈国栋, 张芩, 王振民,

Development of local dry underwater welding technology

HAN Lei-gang,, ZHONG Qi-ming, CHEN Guo-dong, ZHANG Qin, WANG Zhen-min,

通讯作者: 王振民，男，教授. orcid.org/0000-0002-1579-2923. E-mail： wangzhm@scut.edu.cn

收稿日期: 2019-01-19  

Received: 2019-01-19  

作者简介 About authors

韩雷刚（1987−），男，博士生，从事水下焊缝成形研究.orcid.org/0000-0001-8440-371X.E-mail：msleigang@mail.scut.edu.cn , E-mail：msleigang@mail.scut.edu.cn

摘要

为了引导和促进局部干法水下焊接的发展，完善局部干法水下焊接技术在海洋资源开发以及核电站建设和维修中的应用，探讨局部干法水下焊接的研究内容，评述相关应用背景、水下环境特点及各种工艺方法，以利于局部干法水下焊接工艺技术研究“标准化”和“科学化”的实现. 针对局部干法水下焊接自动化的发展问题，列举和分析水下自动化移动平台、双目立体视觉、排水装置、熔池模拟和焊接质量预测等关键技术存在的主要问题以及研究现状，总结了局部干法水下焊接技术未来的发展趋势和重点研究方向.

关键词： 局部干法水下焊接 ; 标准化和科学化 ; 自动化 ; 研究现状

Abstract

The research content of local dry underwater welding was discussed in order to guide and promote the development of local underwater welding technology and improve the application of local dry underwater welding technology in marine resource development and nuclear power plant construction and maintenance. The relevant application background, underwater environment characteristics and various process methods were reviewed in order to realize " standardization” and " scientific” research on local dry underwater welding technology. The main problems and research status of key technologies such as underwater automatic mobile platform, binocular stereo vision, drainage device, molten pool simulation and welding quality prediction were listed and analyzed for the development of local dry underwater welding automation. The future development trend and key research directions of local dry underwater welding technology were summarized.

Keywords： local dry underwater welding ; standardization and scientification ; automation ; research status

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本文引用格式

韩雷刚, 钟启明, 陈国栋, 张芩, 王振民. 局部干法水下焊接技术的发展. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(7): 1252-1264 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.07.003

HAN Lei-gang, ZHONG Qi-ming, CHEN Guo-dong, ZHANG Qin, WANG Zhen-min. Development of local dry underwater welding technology. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(7): 1252-1264 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.07.003

21世纪，人类对能源的需求越来越迫切，海洋、核电工程以及内陆水资源的开发成为人类获取能源的最主要途径，相关工程中水下钢结构件的连接和在役钢结构件的修补都离不开水下焊接技术的参与[1-2]. 经过上百年的发展，水下焊接技术已经形成了水下干法焊接、水下湿法焊接以及局部干法焊接3大水下焊接方法. 其中，局部干法水下焊接采用微型排水设备，将待焊部位一小块区域的水排开，从而实现近似干法焊接效果，综合了干法焊接的高焊缝质量和湿法焊接技术简便易行的优点，非常适合水下自动化焊接. 局部干法水下焊接设备简单，作业周期短，成本较低，通用性和环境适应性较好，已经成为水下焊接技术的研究热点之一. 虽然局部干法水下焊接相对于湿法焊接和干法焊接在自动化焊接应用中具备明显优势，但存在一些亟待解决的关键问题，例如核心设备焊接电源的响应速度较慢，在实际作业中应对强水冷却、待焊区水膜湿润以及环境压力等问题时存在明显的不足，极易发生电弧燃烧不稳定和断弧等现象、焊缝成形效果不理想等问题.

为了进一步明确局部干法水下焊接工艺技术存在的问题，推动相关研究的“标准化”和“科学化”，本文分析国内外在局部干法水下焊接领域的研究情况，探讨水下环境特征及其对焊接工艺的影响、水下TIG焊接、水下MIG/MAG焊、水下激光-电弧复合焊等几种常用的局部干法水下焊接方法以及局部干法水下焊接自动化关键技术的研究现状和存在的主要问题，对相关领域的研究方向和发展趋势进行评述.

1. 水下环境对焊接工艺的影响

1.1. 水下环境特征

水下环境与陆上环境存在较大的差别，水的物理和化学性质不同于空气. 水的导热系数约为空气的20倍，密度为空气的770倍，并且水下存在较大的压强[3]. 在水下焊接过程中，水环境直接作用于引弧/燃烧、熔滴过渡及焊缝成形过程，电弧形态和能量密度相对陆上焊接均发生较大的变化，若电弧得不到有效的保护，则焊接过程将无法顺利开展[4]. 水下环境不仅作用于焊接过程，而且会对焊接设备和操作人员的下潜深度造成一定的影响. 对于局部干法水下焊接，待焊区域排水是一项重要的工艺特征，有效隔绝待焊区与周围水环境之间的作用，才能确保焊接的顺利进行. 局部干法水下焊接排水装置工作过程如图1所示，该排水装置最初的设计形式为内层通入电弧保护气体，外层采用高压水幕，这种设计不但增强了对待焊区域的保护效果，而且实现了对焊接设备的简化.

图 1

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图 1   局部干腔形成示意图

Fig.1   Schematic diagram of local dry cavity formation


1.2. 水下环境对焊接效率和电弧-电源系统的影响

目前，绝大部分的水下焊接作业均采用潜水蛙人在水下进行焊接，该焊接方式不仅成本高、周期长，而且人体本身的生理结构会限制水下焊接过程的高效率开展；水下环境的光线折射以及滋生的大量浮游生物，严重影响了对待焊接区位置的判断、形貌观测以及对焊接质量的检查；另外，在焊接过程中产生的大量气泡会干扰作业人员的视线，容易导致误操作，增大焊接作业周期.

目前普遍使用的逆变焊接电源的开关频率一般为20 kHz[5]，当面对水下压力、冷却环境及待焊区域的水膜时，极易发生引弧、重燃弧困难，燃烧过程稳定性欠佳. 另外，水环境引发熔滴的不均匀过渡，导致焊缝的成形质量较差. 虽然对于电弧在水下的特征的研究目前仍处于探索阶段，理论体系并未完善，但也取得了一些阶段性的成果.

在局部干法水下焊接过程中，保护气体和高温电弧作用于工件，但无法完全消除待焊区域的水膜，焊缝成形易出现咬边、气孔及合金烧损等问题. 另外，现有的通用“弧焊电源-弧长”系统很难在短路断开以后和正常弧压之前的瞬间，形成对电流的瞬时增长速度和能量输入的精确控制，因此容易形成大量的飞溅. 针对上述问题，冯允樑[6]研制出可以用于630 A级的全数字逆变式MIG水下机器人焊接与增材专用电源，针对水下环境对电弧-电源系统的影响进行改进，使该焊接与增材专用电源具备100%负载持续率，直流脉冲、双脉冲和交流方波/变极性等多种波形柔性输出的能力. 在核乏燃料试验池15 m水下进行局部干法焊接过程中，电弧燃烧平稳、无断弧，焊缝成形效果及力学性能与陆上焊缝基本相似，该局部干法水下焊接电弧-电源系统如图2所示.

图 2

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图 2   核电站多功能局部干法水下机器人焊接电弧-电源系统

Fig.2   Nuclear power plant multi-function local dry underwater robot welding arc-power system


1.3. 水下环境对焊接成形的影响

研究表明：水下环境不仅影响焊接设备，而且焊接过程中的电弧形态和能量密度与陆上相比都有明显的不同. 水环境影响熔滴过渡的同时，使熔池动态行为发生改变并对焊缝成形造成影响，加上水下较高的导热率，使得焊缝迅速冷却，导致微观组织和力学性能均发生较大的改变. 由于直接在线判断水下焊接成形效果存在一定的难度，一般采用分析电信号的方式间接判断水下焊缝成形效果，但对于其中的因果关系缺乏深度的研究. 为了进一步揭示水环境对焊接成形的作用机理，武传松等[7-9]建立湿法熔化极气体保护焊热过程数值分析模型，对水下压力作用下电弧的压缩以及水环境中工件较高的换热速度进行一定的参数假设；数值模拟计算结果表明：随着水下压力（水深）的增大，熔池的深度增加，但熔池的宽度减小，各等温线逐步变窄且深度增加，如图3所示.

图 3

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图 3   焊缝横断面形状与熔合线的计算与试验结果的对比

Fig.3   Comparison of calculation and experimental results of weld cross-section shape and fusion line


高温水下电弧致使水分解为氢和氧，氢溶解到焊缝中导致氢质量分数升高. 若氢质量分数超过一定的阈值，加上焊接材料中的硫、磷杂质以及水下焊接较快的冷却速度，则容易诱发裂纹形成，破坏结构件的强度. 裂纹形式如图4所示. 目前主要围绕减少焊接过程中的可扩散氢、热影响区（HAZ）的微观硬度以及焊缝中的高残余应力的方式，降低裂纹发生的概率[10].

图 4

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图 4   水下焊缝不同基体组织上的裂纹形式

Fig.4   Crack on different matrix structures of underwater welds


1.4. 水下环境对焊接过程质量检测的影响

水下焊接质量是连接装置安全运行的关键，通过焊接过程质量检测保证焊接结果的完整性、可靠性、安全性和适用性. 采用视觉系统获取待测图像并结合焊缝的表面特征判断焊接质量为现阶段应用较多的水下焊接质量检测手段，但对于焊缝内部的缺陷几乎无法判定. 另外，在水下复杂工况干扰下检测结果失真率较大，影响对缺陷的判定. 水下特殊的环境会较大范围地限制检测设备的使用，导致检测的手段单一；对于某些重要的连接结构而言，无法准确地排除隐患，将引起严重的后果. 水下焊接过程检测需要具有熟练潜水经验的检测操作员潜入水下作业，要求操作人员具备较高的专业素质. 目前，一种通过采集分析水下焊接质量相关电信号的检测方式逐渐得到应用. 王振民等[11]开发的核电站局部干法水下焊接系统通过焊接质量分析仪显示的UI曲线的轮廓，间接判断焊接过程的稳定性，具备一定的准确率，如图5所示. 图中，U为电压，I为电流，t为时间.

图 5

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图 5   水下焊接过程电压电流波形图、曲线图及对应的焊缝

Fig.5   Voltage and current waveforms, curves and corresponding weld in underwater welding process


2. 局部干法水下焊接工艺方法研究

2.1. 水下TIG焊接

TIG氩弧焊可以应用于各种材料的焊接，不受板材厚度限制，适应性好，焊接接头质量较高. 由于钨棒本身没有熔滴过渡过程，弧长变化所受干扰较少，有助于电弧燃烧，非常适合作为水下焊接热源. 局部干法水下TIG焊接的研究始于20世纪70年代末，Hamasaki等[12]利用改进的钢丝刷双喷嘴结构的排水装置，在水下200 m的深度获得了满意的焊缝，焊接过程稳定，有效阻止了氩气的泄露. 李尚周等[13]设计小型气罩屏蔽的局部干法水下TIG焊接方法，从TIG脉枪喷出的氩气，不仅具有保护电极和熔池的作用，而且对于燃烧空穴的形成具有重要的作用. 该小型气罩的工作过程主要是利用保护气体将屏蔽罩下方的气体排出，阻挡外界的水进入气罩内部，使内部的气压与外部水的压力处于平衡状态，改善电弧燃烧的环境. 此后，为了实现对焊接过程的实时监控，古志明等[14]在李尚周等的研究基础上，设计同轴式局部干法水下TIG焊接工艺. 该工艺的特点是能够轴向直接观察电弧和熔池的状态，有效控制焊接过程，在保证焊缝宽度一致的同时能够有效地解决焊缝含氢量高、冷却速度快的问题，得到了机械性能较高的焊缝. Lyons等[15]将轨道TIG高压氧焊接系统用于维修海底管道以及执行其他类似的任务，在该试验中，工作装置被安装于海床上，由潜水员负责水下焊枪的更换、送丝盘的更换及其他简单的检查工作，不仅避免了潜水员所需要的焊接资质，而且减少了潜水员的出勤压力.

Zhai等[16]采用理念较先进的药芯局部干法水下钨极焊接（LC-FCTIG），使用高速摄影、光谱诊断以及扫描电镜图像分析的方式，系统地研究了焊接过程中的金属转移模式、焊缝形貌和微观组织，证实了电极间隙（WEG）、金属传递方式及微观组织之间的相互影响，LC-FCTIG示意图如图6所示.

图 6

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图 6   LC-FCTIG示意图及熔滴过渡形式

Fig.6   Schematic diagram of LC-FCTIG and droplet transition form


由于局部干法水下TIG焊接的适应性较好，逐渐在某些重要的水下焊接领域应用，但是TIG焊接存在的抗侧向风能力差、熔透能力低、焊接效率不高和磁偏吹等问题影响局部干法水下TIG焊接的应用. 未来的研究方向集中于克服TIG焊接本身存在的缺点，例如采用高频震荡发生器引弧、选择合适的钨极端圆锥角和工艺参数等方式，以使局部干法水下TIG焊接的应用范围进一步扩大.

2.2. 局部干法水下MIG/MAG焊

MIG/MAG焊的焊丝和电弧的电流密度都大于TIG焊，焊丝熔化速度快、熔敷效率高，焊接生产效率高. 由于MIG/MAG焊良好的电弧状态稳定性及熔滴过渡平稳性，飞溅产生较少，在水下焊接中应用较广泛. 局部干法水下MIG/MAG焊接发展于20世纪60年代，应用经验丰富. Gülenç等[17]通过使用氩气掺杂不同含量的氢气作为屏蔽气体，配合3种不同的焊接电流参数作为试验条件，其中在1.5% H2-Ar屏蔽气体条件配合240 A电流的工况下得到的焊缝效果较好，揭示了保护气体对于焊接效果的重要性. 朱加雷等[18]设计一套局部干法水下MIG焊接系统，通过排水密封试验优化了微型排水罩，改善了排水效果，如图7所示，证明了送丝速度和活性气体对熔滴过渡状态的影响，筛选了合适的水下堆焊工艺参数.

图 7

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图 7   局部干法自动水下MIG焊接试验系统及焊缝成形效果

Fig.7   Local dry automatic underwater MIG welding experimental system and weld appearance


2.3. 水下激光-电弧复合焊

2个或2个以上的焊接电源采用结合方式协同工作，是目前实现优质、节能且高效焊接的一种重要途径. 激光-电弧复合焊是较常用且成熟的一种方式，既发挥了激光本身高能量密度、极优指向性及透明介质传导的特性，也充分利用了电弧等离子所具有的较高的热-电转化效率、低廉的成本以及技术成熟等优势，有效避免了两者的缺点，同时衍生出很多新的特点，例如高能量利用率、高的电弧稳定性以及较低的作业成本. 激光和电弧之间的协同作用使得激光-电弧复合焊具有1+1>2的效果，作为局部干法水下焊接的热源具有无法比拟的优势. 局部干法水下激光-电弧复合焊接的示意图如图8所示.

图 8

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图 8   水下激光-电弧复合焊示意图

Fig.8   Schematic diagram of underwater laser-arc composite welding


日立公司2001年通过对水帘式局部干法水下焊接的扩展研究，首先将激光焊炬取代原来的弧焊方式，开创了局部干法水下激光焊接. Yoshihiro等[19]设计多种水下激光焊炬，主要针对局部干法水下激光焊接采用的气帘式和水帘式焊炬进行重点研究，验证了焊接过程中工件距离、坡口深度及激光焊炬的方向等因素对焊接质量的影响. Zhang等[20]运用激光物质与过程检测技术，研究局部干法激光焊接过程中光学信号与焊接稳定性之间的关系，证明了局部干法水下激光焊接对于获得良好焊接质量的显著优势；此后，通过局部干法水下激光焊接过程中的基本物理现象，确认了喷嘴结构和气体流量参数对局部干腔干燥程度的影响. Guo等[21]使用自主开发的双层气帘结构微型排水装置，在0～8 mm的水中开展多组局部干法激光-电弧复合焊接试验，对焊缝的外形、气孔和力学性能进行探索性研究；通过对输入参数的优化，得到与陆上焊接性能接近的304不锈钢焊缝.

虽然激光-电弧复合焊具有多种优势，焊缝的成形效果好，但是在水下焊接时，水对激光的吸收和折射导致激光的振幅和相位发生改变，光斑变大、变散乱，丧失方向凝聚性，使得激光发生衰减甚至失效，极大地限制了水下激光-电弧复合焊的焊接效果. 目前，水下激光-电弧复合焊局限于水深较浅的环境中进行较基础的试验研究，如何获得修正数据并针对性地对激光的衰减进行修正成为未来的研究方向之一.

2.4. 水下药芯焊丝电弧焊

药芯焊丝具有电弧稳定性高和经济性好等多种优点，焊接过程连续[22]；另外，药芯燃烧释放的气体在水下焊接时具有良好的自保护功能. 乌克兰巴顿焊接研究所提出水下药芯湿法焊接与切割技术和原理，开展相应的水下焊接试验，此后其他国家相继跟进研究. 张彤等[23-24]设计一款药芯焊丝微型局部干法焊接工艺，利用药芯焊丝在微型排水装置内燃烧产生的气体，使得待焊区域形成一个无水区；此后，为该系统配备了焊缝自动跟踪装置，提高了系统的自动化程度. 局部干法水下药芯焊丝排水罩的示意图如图9所示.

图 9

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图 9   药芯焊丝微型排水罩示意图

Fig.9   Schematic diagram of flux-cored wire micro-drain cover


局部干法水下药芯焊丝电弧焊对水下电弧具有双重的保护作用，但是随着药芯焊丝技术的提高，现阶段已经基本明确了不同水深条件下自保护药芯焊丝配方与冶金体系及其与水下环境的交互作用，实现了药芯焊丝冶金体系、渣系组分和制造工艺的优化；药芯焊丝自保护功能的完善和氢扩散问题的控制使其不再依赖排水装置的保护，研究的重点倾向简单低成本的水下湿法焊接.

3. 局部干法水下焊接自动化关键技术

3.1. 电源

近年来，水下焊接电源在输出功率、逆变频率、能量的精细化和柔性化输出等方面均有所突破. 此外，得益于宽禁带半导体（SiC、GaN）第三代电力电子材料的日渐成熟，研究人员尝试用该材料取代Si基功率器件（MOSFET、IGBT等），以获得更强的综合性能和更低的成本，宽禁带半导体的应用成为水下焊接电源的重要研究方向之一. 王振民等[25-26]开发出基于DSC的第三代宽禁功率器件全SiC型高频逆变大功率水下机器人焊接与增材样机，如图10所示. 图中，θ为SiC MOS管工作温度. 利用SiC功率器件开关时间短、损耗低的特性，实现了超高频开关状态工作，不但能够缩小功率变压器及其他磁性器件的体积和重量，而且热耐受性较高的特征使得弧焊电源的可靠性得到提高，实现了利用高速精密的DSC最小系统对输出电流电压的数字化、高速化和精密化的调控；熔滴过渡细化平稳，逆变频率高达200 kHz，具备智能变频/混频控制的能力.

图 10

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图 10   SiC高频数字化焊接与增材电源样机、驱动信号、SiC MOS管工作温度和DS级电压波形

Fig.10   SiC high-frequency digital welding and additive power supply prototype，drive signal，SiC MOS tube operating temperature and DS voltage waveform


3.2. 水下自动化移动平台

水下智能移动平台是水下设备移动的载具，所涉及的技术包含：基于全景摄像及位置监测的水下复杂环境主动感知技术；基于水下机器视觉驱动、激光/超声测距的焊缝寻轨定位、自主导航技术；基于磁吸附、液压吸附、浮游模式的无轨移动平台技术；机械臂多自由度配置、构型、动静密封、抗辐射主动防护技术. 水下运载工具的研制始于20世纪30年代，研制初期主要为了满足军事用途；70年代以后，由于海洋工程建设和海底石油的开采，无人潜水平台得到了较快的发展.

伴随着无人潜航器的高速发展，研究人员不断尝试将无人潜航器与焊接电源相配合，实施深海、核电站或其他危险水域的焊接，并设想在未来完全代替人工方式完成水下焊接. Cranfield University海洋研究中心使用Workspace软件和ASEA IRB6/2机器人，建立水下遥控仿真系统，开展水下环境模拟、远程操作和避障等方面的研究；后续使用6自由度的TA9，采用远程遥控方式，实施水下焊接试验，如图11所示.

图 11

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图 11   ASEA IRB 6/2机器人和TA9机器人

Fig.11   ASEA IRB 6/2 robot and TA9 robot


蒋力培等[27]在设计全位置智能焊接机器人时采用四磁轮式，底板与左、右两侧磁轮间通过铰链机构柔性连接，交流伺服电机通过减速器驱动磁轮箱中的磁轮，可以自动保证4个磁轮同时接触焊接表面，磁吸附力接近2 000 N，能够实现原地转动.

考虑到水下作业环境的复杂性，自动化水下移动平台设计内容须包含水密性、运动自由度、操作工位的可达性、设备的稳定性及水下操作的准确性等，必须保证水下焊接机器人作业时一次引弧的成功率；现阶段水下焊接所使用的自动化移动平台缺乏专业性，承担的基本属于非关键的水下作业任务，如无损检测和裂纹修复，目前还没有将水下焊接完全交由焊接机器人独立完成的实例[28- 29].

3.3. 水下双目立体视觉及定位

目前，在工程应用中已开始采用双目视觉，基于影像匹配和三角测量原理，计算同一目标物在2幅图像上成像的偏差，判断该目标物的三维坐标. 在水下环境中，光线传播会受到散射、折射、浮沉等的影响，如何实现水下图像增强从而确保对待焊区域的快速定位和精确测量是现阶段研究的关键问题.

Shi等[30]为水下焊接开发了基于激光传感器的机器人焊接系统，提出基于统计和排列的焊接坡口识别新方法，满足了一般焊缝跟踪的要求. 肖心远等[31-32]采用改进的模糊图像处理方法，增强了图像处理的效率，获得了清晰的边缘图像；利用多目立体视觉技术获取水下焊缝图像三维坐标，为机器人跟踪焊缝提供了位置信息. 李盛前[33]为了解决水下焊接技术、水下摄像机标定、手眼协调、焊接机器人路径规划等水下焊接机器人发展的瓶颈，开发了一套水下焊接机器人视觉伺服跟踪焊缝系统，在试验水箱中开展系统联调焊接试验，实现了水下焊缝的自动跟踪焊接，如图12所示.

图 12

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图 12   水下双目立体视觉子系统

Fig.12   Underwater binocular stereo vision subsystem


现阶段的水下双目视觉系统主要是用于水下遥控或无线机器人的水下导航和定位，同时很多的双目视觉研究集中于水下图像的降噪处理、图像的增强，但是对光线传播路径的变化欠缺考虑. 双目视觉系统对于水下物体的三维坐标信息读取存在一定的困难，所获得的水下图像清晰度有很大的提升空间. 目前的标定方法主要以提高标定方法计算过程的效率和鲁棒性为目的，较少针对水下环境视觉标定技术实际应用的问题展开研究. 研究成果难以满足水下焊接机器人对待焊区域坐标的定位以及对待焊区域形貌水下判别的要求，因此对于光线水下折射的研究及合适的标定和匹配算法将是未来的研究重点.

3.4. 局部干法用排水装置设备及模拟

排水装置是局部干法水下焊接不可或缺的结构形式. Hamasaki等[34-35]首先提出水帘式排水罩局部干法焊接方式，此后用细钢丝群代替高压水帘； Kielczynski等[36]提出移动气室排水罩的方案，并应用于生产；哈尔滨焊接研究所20世纪70年代成功开发水下局部CO2半自动焊接装置，得出局部干法焊接质量比湿法工艺优异的结论. 当开发新型排水装置时，对于排水装置内部复杂的多物理场耦合环境，一般采用数值模拟的方法间接分析内部作用机理，以获得对排水装置优劣和改进的判据. 周凯等[37]利用Fluent软件模拟排水罩内的流场，开发双向进气口、进气口水平向下并具有一定倾角的微型排水罩；高延峰等[38-39]开发带有多孔介质隔板排水罩，研究高压气体在排水罩内部对电弧等离子体的温度场、速度场和压力场的影响规律，如图13所示.

图 13

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图 13   排水罩风场仿真与实验结果对比

Fig.13   Comparison of wind field simulation and experimental results of drainage cover


目前，绝大部分排水装置的设计原理均来源于早期的钢刷结构，焊接过程中排水装置对不同焊接接头的工艺适应性较差；移动气室型的排水装置对水下电弧的保护较好，但是由于采用水下干法焊接的设计思想，焊接效率较低，无法快速地完成焊接修补工作. 另外，各局部干法采用的排水装置之间通用性较差，焊接任务单一，研制成本较高. 为了改善排水装置使用效果不佳的问题，王振民等[40-41]以拉法尔管原理为基础，开发双气帘结构的微型排水装置；该排水装置较好地保护了水下电弧并能够及时排渣清理，且具备较强的通用性，能够适应多种位置的水下焊接，在核乏燃料试验池现场的实际应用效果良好，排水装置的结构形式如图14所示.

图 14

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图 14   排水装置外形轮廓及工作形式示意图

Fig.14   Schematic diagram of outline and working form of drainage cover


3.5. 局部干法水下焊接质量预测

3.5.1. 焊接质量在线监测

在水下焊接过程中，电弧中心区域会产生大量的气泡和烟雾，极易诱发焊接缺陷，例如氢致裂纹而导致的焊缝力学性能下降，普通的视觉检测方式很难满足水下焊接质量的检测要求.

Chen等[42]针对水下测距误差较大的问题，提出基于最小二乘误差法原理的主动三角水下测距图像处理算法，在试验中获得了高质量的图像，明显优于带通滤光器. 为了使监测的焊缝图像更加清晰准确，Schechner等[43-44]提出反演图像形成过程的算法，消除了水下视觉的退化影响，恢复了物体良好的可见性图像，使水下的能见度提高了1倍. 张为民等[45]基于Schechner等提出的反演图像形成过程的算法，开发了激光结构传感器，使用了图像加窗、拉普拉斯锐化、二值化以及数学形态学滤波和图像细化处理的方式，获得了较清晰、误差较小的焊缝；此后，以经向基函数为核函数，应用最小二乘支持向量机（LSSVM）预测模型对船舶水下焊接质量进行在线监测，监测画面如图15所示. 图中，P为焊接熔深，L为试件长度. 此外，监测信号包括电信号、声信号以及热信号等，重点检测部分为电弧区域，各种监测方式都有各自的特点.

图 15

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图 15   船舶水下焊接质量在线监测画面

Fig.15   Ship underwater welding quality online monitoring screen


3.5.2. 熔池动态行为

熔池是局部干法水下焊接中最重要、最复杂的部分，涉及到非对称电磁场、表面张力梯度、等离子体和气体射流的作用力以及金属熔滴冲击力和金相转变等诸多方面；现有的测试条件很难实现对熔池内部的行为特征直接观察，一般利用数值模拟的方式间接反映焊接过程中的一系列变化. 得益于陆上熔池行为数值模拟仿真研究的发展，焊接学者尝试将数值模拟仿真技术应用于水下焊接熔池动态行为的研究中，取得了一定的研究成果. 近年来的研究集中于流体动力学的熔池模型和流体静力学的焊缝模型，如图10所示为焊缝成形过程中熔池内部的驱动力和热平衡示意图. Hamann等[46]将水下焊接中的边界条件、温度等问题三维化，开发了计算程序，用于计算焊接过程从工件到水中的热损失情况. 此后，Ronda等[47]根据Hamann的计算结果，研究使用热自由边界模型和热机械接触模型，对水下焊接过程中的温度场、相变及残余应力等问题进行计算. Ghadimi等[48]通过研究薄板水下焊接的三维数值模拟结果，证实了周围流体的类型、材料等因素对焊接过程中温度变化的重要作用，热辐射对热损失造成的影响几乎可以忽略不计. Chen等[49-51]针对水的流量和流向，研究焊接稳定性、熔池形态和金属转移方式的影响，通过对电信号数据、金属传递图像以及焊接宏观和微观的分析，确定了流量和流向与焊缝成形因素之间的关系. Zhao等[52]对陆上熔池动态行为的数值研究有着丰富经验，近年来在水下焊接数值模拟研究中也取得了一定的进展；为了系统地了解水下焊接过程中的物理机制，建立熔渣和水下环境对熔池内热传质影响的瞬态三维CFD模型，讨论焊缝成形中的熔滴过渡过程、力学行为以及相变形式，并与相同焊接参数条件下陆上的成形效果进行对比，不同时刻横截面上的温度和液体流动仿真结果如图16所示.

图 16

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图 16   水下焊缝正中横截面上不同时间的温度场和液体流动

Fig.16   Temperature field and liquid flow at different time in mid-section of underwater weld


现阶段的三维热源模型能够较好地描述焊接热流在空间的分布特征，静态模型的空间几何形状已非常接近实际效果，但所使用的焊接热源模型一般为理想状态，对于实际热源的反应存在一定的局限性，尤其是缺乏对动态焊接热源的探索. 此外，现有的不同种类热源的复合焊模型基本是基于单一模型建立，各热源之间的相互作用机理有待进一步的研究.

4. 结　论

（1）局部干法水下焊接在应对水下环境时主要通过焊接材料、焊接设备以及焊接工艺的改进，对于水下环境中的强水冷却、压力以及多氢环境对焊缝成形的影响机理缺乏系统性研究，未来应综合考虑水环境中多物理场的作用.

（2）已有的几种局部干法焊接工艺在深水作业的效果上不够理想，与水下焊接机器人自动化相关的水下移动平台、视觉定位和焊接质量检测等信息融合技术有待突破，须加强与企业之间的合作，加快研发和成果转化步伐.

（3）水下焊接数值模拟相关的液-电弧-熔池耦合模型已初步得到建立，但由于对水下焊接过程相关耦合工况缺乏系统性研究，导致水下焊接动态模型的研究接近于空白. 未来水下焊接数值模拟研究的重点在于如何突破焊接过程动态模型仿真，充分揭示水下焊接过程，达到预测焊缝成形尺寸的目的.

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