Сварка

Подводная сварка

Во всем мире получила широкое развитие добыча нефти и газа со дна морей, выполняемая со стационарных оснований. Транспортировка нефти и газа в регионы потребления осуществляется, как правило, по подводным трубопроводам. Построены причальные сооружения с большим количеством металлических элементов, находящихся в воде. Строятся и эксплуатируются десятки тысяч кораблей и судов. В подводной части этих сооружений возникают дефекты вследствие монтажных работ, волнового воздействия, коррозии, боевых повреждений, а также ввиду возможных ошибок при проектировании и строительстве. Практика показывает, что для восстановления этих металлоконструкций требуется применение высококачественных способов сварки и резки.

Ремонт корпусов кораблей и судов обычно выполняется в сухих доках или на слипах по отработанным технологиям. Проблемы возникают в случае невозможности поместить металлоконструкцию в сухой док или при отсутствии доков в регионах, где необходимо проведение ремонтно-восстановительных работ. в этом случае ремонт осуществляется с применением подводной сварки.

В настоящее время существуют два основных метода выполнения сварочных работ под водой:

Преимущества сухой сварки в обитаемых камерах общеизвестны. Однако ее использование применительно к ремонту трубных элементов стационарных оснований, корпусов судов, причалов и других гидротехнических сооружений с развитой поверхностью связано со значительными материальными затратами. Существенные неудобства возникают и при использовании "сухой" сварки в обитаемых камерах при ремонте подводных переходов трубопроводов через малые водные преграды. В этом случае невозможно использовать специализированные глубокосидящие суда, имеющие на борту необходимое оборудование и грузоподъемные механизмы. Камеру для проведения ремонтных работ, как правило, изготавливают в регионе, где выполняют ремонтные работы. Ее конструкция упрощена. Стоимость установки и обслуживания такой камеры в этом случае значительно возрастает. Ухудшаются условия работы водолаза-сварщика.

При мокрой сварке сварщик и свариваемый объект находятся в водной среде. Технологический процесс происходит без каких-либо дополнительных сооружений и устройств. Благодаря этому сварщик имеет большую свободу перемещений, что делает мокрую сварку наиболее эффективной и самой экономичной из существующих способов сварки под водой, в первую очередь, при восстановлении металлоконструкций с развитой поверхностью на глубине до 20 м.

Мокрая сварка плавящимся электродом являлась и в настоящее время является основным технологическим процессом, используемым на территории стран СНГ для восстановления большинства подводных металлоконструкций. В связи с этим, в дальнейшем изложении материала будет использоваться термин подводная сварка, говорящий о том, что дуга горит непосредственно в воде и не защищается ничем другим, кроме газов, образующихся при плавлении электродного материала. Технологии сухой сварки или сварки в мини-боксе, когда дуга имеет дополнительную защиту от воздействия окружающей водной среды, в данной публикации не рассматриваются.

Дуга, в условиях сварки под водой, горит в газовой фазе, из которой формируется парогазовый пузырь. Наличие газовой фазы является необходимым условием существования дугового разряда.

Формирование пузыря вокруг дуги связано с созданием в нем противодавления окружающей среде. Оно прямо пропорционально глубине погружения дуги в воду Объем пузыря зависит от глубины, на которой горит дуга, и наличия газообразующих компонентов в шихте порошковых проволок или обмазке электродов. Определенное влияние на объем парогазового пузыря оказывают электрические параметры дугового процесса.

Пузырь вокруг дуги, при сварке в нижнем положении, имеет форму, близкую к полусфере с основанием, лежащим на свариваемом изделии. В случае достижения критического объема часть пузыря начинает всплывать. Всплывающая часть составляет 70…90% объема. Оставшаяся часть составляет основу для роста следующего пузыря.

Размер пузыря зависит от плотности среды, определяемой соленостью и температурой воды. Наиболее значима соленость воды. В соленой воде объем пузыря увеличивается практически в два раза, по сравнению с пресной.

Линейные размеры пузыря находятся в пределах 0,7 — 1,65 см (объем 0,64-9,41 см³).

От состава атмосферы парогазового пузыря в значительной степени зависят металлургические процессы сварки. Основной составляющей парогазового пузыря является водород. Большая его часть образуется при температуре выше 1000°с за счет термодиссоциации водяного пара с выделением свободного кислорода и водорода по следующей схеме

2 + О2 - 2Н2О + 484 кДж/моль.

Для того, чтобы эта реакция проходила в заметной степени, необходима температура порядка 4000…5000 К. Процесс диссоциации воды проходит с поглощением теплоты. Согласно принципу Ле-Шателье, повышение температуры должно сдвигать равновесие процесса влево, т. е. в сторону образования водорода и кислорода.

Часть ионов Н+ и ОН- образуется в реакционной зоне под действием ультрафиолетового излучения дуги за счет фотодиссоциации воды.

В состав наполняющих пузырь газов входят также СО, СО2 и пары воды. Процентное содержание газов в атмосфере парогазового пузыря, помимо металлургических причин, зависит от глубины погружения дуги в воду.

Надо полагать, что в дуговом промежутке практически весь водяной пар, находящийся в этой области, диссоциирует на кислород и водород. Основная часть кислорода, образовавшегося в результате диссоциации водяного пара, расходуется на окисление легирующих элементов, присутствующих в составе электродных материалов. Остальная его часть соединяется со свободным водородом и снова образует водяной пар, который либо продолжает принимать участие в реакциях, протекающих в парогазовом пузыре, либо уходит с его всплывающей частью.

Существенное влияние на состав парогазового пузыря оказывают электрические параметры дуги. Установлено, что при сварке порошковыми проволокам ППС-АН1 и ППС-АН5 с увеличением напряжения на дуге концентрация водорода в парогазовом пузыре возрастает, а соотношение между оксидом и диоксидом углерода сохраняется. Полученные результаты можно объяснить тем, что в удлиненную дугу парам воды из парогазового пузыря попасть значительно легче. Процесс диссоциации водяного пара, в этом случае, происходит более интенсивно.

Увеличение силы сварочного тока (120 - 230А) в рабочем диапазоне режимов при постоянном напряжении на дуге вызывает незначительное снижение концентрации водорода в парогазовом пузыре за счет роста содержания оксида и диоксида углерода. Предполагается, что в условиях сварки под водой, как и при сварке на воздухе, увеличение тока способствует росту температуры сварочной дуги и капель расплавленного металла. Это способствует большему окислению металла и повышению концентрации в реакционной зоне его паров. в этом случае парциальное давление паров воды в столбе дуги снижается.

Сварка под водой может осуществляться "открытой" (горящей в парогазовом пузыре) или "заглубленной" (горящей под слоем шлака) дугой. Это было установлено в процессе проведения экспериментов, выполнявшихся в глубоководной камере С117. При сварке некоторыми опытными порошковыми проволоками с оболочкой из никелевой ленты на глубинах более 100 м дуга горела под слоем шлака. В этом случае, согласно показаниям приборов, электрические параметры дугового процесса стабилизируются. Швы имели гладкую поверхность с плавным переходом на основной металл. Поверхность шва была покрыта толстой шлаковой коркой с хорошей отделимостью. Такой дуговой процесс наблюдался вплоть до имитационной глубины 1200 м. Систематических исследований в этом направлении не проводилось.

Обеспечение стабильности горения дуги под водой и мелкокапельного переноса электродного металла, которые взаимосвязаны между собой, являются важнейшей составной частью комплекса мер по улучшению процесса мокрой сварки под водой плавящимся электродом. в общем случае процесс переноса зависит от целого ряда параметров. К ним, в первую очередь, относятся режимы сварки, конструкция и диаметр плавящегося электрода, характеристики источника питания и параметры сварочной цепи, состав покрытия электрода или сердечника порошковой проволоки, глубины выполнения сварки, а также другие, сопутствующие работе под водой, параметры. От переноса металла в сварочную ванну зависят металлургия процесса сварки и качество сварного соединения.

Исследовался процесс переноса электродного металла при мокрой сварке под водой покрытыми электродами и проволоками сплошного сечения с применением скоростной рентгенокиносъемки. Было установлено, что кроме сил, действующих на электродный металл при его переходе в сварочную ванну в случае сварки на воздухе (сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электромагнитные и электродинамические, силы реакции испаряющегося металла и др.) добавляются силы конвективных потоков, создающихся в пузыре, и силы внешнего гидростатического давления. Они оказывают существенное влияние на перенос электродного металла при сварке под водой плавящимся электродом. Установлено, что при сварке проволокой сплошного сечения без подачи в реакционную зону защитного газа отрыв капли от электрода не завершается непосредственным ее переходом в сварочную ванну, как это происходит при сварке на воздухе или при сварке под водой покрытым электродом. Капля, потеряв механическую связь с электродом, увлекается конвективными потоками в парогазовом пузыре в сторону и вверх, достигая иногда токоподводящего наконечника, после чего она постепенно выходит из сферы интенсивного действия этих сил и подходит к сварочной ванне.

При сварке под водой покрытым электродом капля устремляется после отрыва непосредственно в ванну.

Размер капли при сварке под водой покрытым электродом относительно невелик. При сварке проволокой сплошного сечения размер капель увеличивается, превышая диаметр электрода в 2 - 3 раза.

С использованием скоростной киносъемки в лучах видимой части спектра и синхронного осциллографирования напряжения и тока дуги изучался перенос электродного металла при сварке под водой порошковой проволокой ППС-АН1. Установлено, что границы пузыря образуют почти правильный конус с большим основанием на свариваемом металле. Дуга горит в нижней части парогазового пузыря. Вокруг пузыря наблюдается множество мелких капель расплавленного металла и шлака. Процесс переноса электродного металла при сварке под водой порошковой проволокой близок к процессу сварки под водой проволокой сплошного сечения без дополнительной защиты реакционной зоны газом.

Существенный интерес, применительно к сварке непосредственно в воде, представляет применение косвенных методов, позволяющих измерять и оценивать параметры, физически связанные с переносом расплавленного металла. В этом случае измеряется и обрабатывается информация, получаемая при анализе сварочного напряжения или тока в реальном масштабе времени. Наиболее информативным представляется построение распределений тока и напряжения дуги на основе статистической обработки результатов измерений, а также оценка длительности коротких замыканий, вызванных переходом капли в сварочную ванну.

Оценка стабильности горения дуги при сварке под водой порошковыми проволоками осуществлялась с привлечением информационно-измерительной системы АНП-2 (анализатора нестационарных процессов). Сварка осуществлялась в камере С-117 порошковой проволокой ППС-АН5 и ППС-АН1. Давлением воды в камере имитировали погружение на глубину до 50 м (0, 5, 10, 20, 50) м. в качестве источника питания дуги использовался сварочный преобразователь АСУМ-400, включенный на жесткую внешнюю вольтамперную характеристику. Полярность сварки обратная. Скорость сварки, скорость подачи электродной проволоки и напряжения холостого хода источника питания оставались постоянными и составляли соответственно, (1,39 × 10-3 м/с; 3,6 × 10-2 м/с и 29…30 В).

Характер плавления проволоки (перенос) оценивался по длительности коротких замыканий (КЗ) TAUк.з. и их частоте Nк.з., а особенности горения дуги — по распределениям напряжения дуги и тока сварки. Анализ многомодальных распределений проводили с помощью метода их поэтапной обработки. Полученная информация — количество измерений, средние значения, коэффициент вариаций и дисперсия анализируемого параметра.

Установлено, что с повышением давления воды, резко возрастает частота КЗ при сохранении их длительности, т. е. сокращается время горения дуги, а доля времени, приходящаяся на короткие замыкания, увеличивается, достигая для проволоки ППС-АН1 — 24% от общего времени сварки. Большое количество коротких замыканий, особенно длительных, ухудшает стабильность дуги, что хорошо согласуется с практикой.

Существенное влияние на перенос металла оказывает глубина. При сварке на воздухе колебания напряжения и тока находятся в очень узких пределах, что свидетельствует о высокой стабильности дуги. По этим параметрам проволока ППС-АН5 уступает проволоке ППС-АН1. С погружением в воду ситуация меняется. Уже на глубине 0,5 м при сварке проволокой ППС-АН1 появляются характерные возмущающие факторы — короткие замыкания и обрывы дуги. Они наблюдаются в области низких значений напряжения в момент короткого замыкания (Uк.з) и в области высоких значений напряжения — всплесков, обусловленных индуктивностью источника питания и сварочной цепи (Uобр). Следует отметить, что обрывы дуги при сварке проволокой ППС-АН5 появляются лишь на глубинах 20…50 м, а при сварке ППС-АН1 — сразу же при погружении в воду (0,5 м).

Количественно оценить долю времени, приходящуюся на горение дуги, достаточно сложно, однако, ориентируясь на площадь распределения напряжения горения дуги, можно заметить, что для глубины 50 м, по сравнению со сваркой на воздухе, она уменьшается для проволоки ППС-АН1 примерно в четыре и для ППС-АН5 — в три раза. Из этого можно сделать вывод, что с глубиной резко сокращается "чистое" время горения дуги за счет обрывов и коротких замыканий и для глубины 50 м оно составляет лишь 25…30% от общего времени сварки. Тем не менее, проволока плавится в соответствии установленной скоростью подачи. Сокращение времени горения дуги компенсируется увеличением силы тока. Сочетание интенсивного плавления проволоки и крупных капель приводит к обрывам дуги и неустойчивости процесса в целом. В исследованном диапазоне глубин проволока ППС-АН5 горит более стабильно, чем проволока ППС-АН1.

Как уже отмечалось выше, основной составляющей парогазового пузыря при мокрой сварке под водой составляет водород, обладающий высокой теплопроводностью и потенциалом ионизации (Ui = 13,5 В). Он, по-видимому, вызывает контрагирование столба дуги, что, в свою очередь, способствует увеличению электродинамической силы, действующей на каплю и удерживающей ее на торце электрода.

Введение в состав порошковой проволоки ППС-АН5 органических соединений стабилизирует размеры парогазового пузыря и способствует измельчению капель за счет увеличения мощности газового потока. Кроме органических соединений в проволоку ППС-АН5 вводится церий и лантан в количестве 0,15%, являющиеся хорошими стабилизаторами дугового разряда.

Следовательно, можно ожидать, что введение церия и лантана в анодную область дуги при сварке порошковой проволокой ППС-АН5 снижает сжатие столба дуги. В этом случае электродинамическая сила меньше удерживает каплю, а возможно, даже способствует ее переходу. Эта точка зрения косвенно подтверждается тем, что напряжение дуги при сварке порошковой проволокой ППС-АН5 меньше и сравнительно мало увеличивается с глубиной.

Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что сварка на малых глубинах покрытыми электродами и порошковыми проволоками характеризуется мелкокапельным переносом электродного металла, причем состав обмазки и сердечника порошковой проволоки оказывает существенное влияние на перенос. С увеличением глубины выполнения работ (более 10 м) дуговой процесс дестабилизируется. Увеличивается размер капель электродного металла. Возрастает длительность коротких замыканий. При сварке проволокой сплошного сечения без защиты реакционной зоны дуга горит нестабильно. Перенос электродного металла крупнокапельный. Рабочий диапазон напряжения горения дуги составляет 2 - 3 В.

Металлургические процессы и формирование сварного соединения при дуговой сварке под водой плавящимся электродом происходят в специфических, по отношению к сварке на воздухе, условиях. К ним можно отнести:

Рассмотрим некоторые из вышеприведенных аспектов, применительно к их влиянию на металлургический процесс при сварке непосредственно в  воде плавящимся электродом.

Дуга и расплавленный металл заключены в постоянно меняющийся парогазовый объем, поддерживаемый парами воды, продуктами ее распада, газами, образующимися за счет диссоциации компонентов шихты порошковых проволок или обмазки электродов и парами металлов. Повышенная температура дуги и капель (выше 2500°С) расплавленного металла способствует росту химической активности ингредиентов в реакционной зоне. Это интенсифицирует их взаимодействие со шлаком и газами.

Кислород, образовавшийся в результате диссоциации паров воды, интенсивно растворяется в металле шва, где его содержание может превышать 0,22%. Кислород взаимодействует с активными элементами, такими как углерод, кремний и марганец, практически полностью окисляя их. Образовавшиеся в результате этой реакции оксиды, попадают в шлак и металл шва, засоряя последний неметаллическими включениями. Не вступивший в реакцию с активными элементами и железом кислород в периферийных частях парогазового пузыря взаимодействует с водородом и окисью углерода.

Водород, образовавшийся в результате диссоциации воды и ее паров, частично растворяется в железе, насыщая расплавленный металл, как на стадии капли, так и на стадии ванны. Общее содержание водорода в металле шва может превышать 0,006%. Оставшаяся часть водорода попадает в парогазовый пузырь и уходит из реакционной зоны с его всплывающей частью. Доля водорода в составе парогазового пузыря меняется и зависит от состава электродного покрытия или сердечника порошковой проволоки, давления (глубины), а также от электрических параметров дуги. Увеличение концентрации водорода в парогазовом пузыре способствует большему наводораживанию металла шва.

В результате непосредственного контакта с водой основного металла и металла шва скорость охлаждения сварного соединения при сварке под водой в 2 — 10 раз выше, чем при сварке на воздухе.

Повышенное, по отношению к атмосферному, давление окружающей среды способствует интенсификации металлургических реакций. Более интенсивно, по отношению к сварке на воздухе, окисляются легирующие элементы и насыщается водородом металл шва.

Все вышеперечисленные факторы, характерные для подводной сварки, затрудняют получение бездефектных сварных соединений непосредственно в воде. Для того чтобы оказать влияние на металлургический цикл, необходимо использовать специализированные электродные материалы, а также воздействовать на термический цикл сварки, путем изменения скорости теплоотвода.

Изучению термического цикла при дуговой сварке под водой уделяется большое значение, так как он оказывает превалирующее влияние на формирование структуры металла шва и зоны термического влияния. Ряд работ в этом направлении выполнен как в Украине, так и в других странах. Было установлено, что скорость охлаждения сварного соединения при сварке под водой покрытым электродом более чем в три раза выше по сравнению со скоростями охлаждения, получаемыми при сварке аналогичных образцов на воздухе. Установлено, что мгновенная скорость охлаждения у линии сплавления в различных участках по длине шва существенно отличается друг от друга. Так в средней части шва при 500°с она составляет 165°С/с, а в начальной части валика и у кратера соответственно 190 и 310°С/с, т. е. в 1,2 и 2 раза больше. Полученные данные показывают, что техника наложения швов может оказать существенное влияние на процесс получения шва без дефектов. Основная теплоотдача происходит через лицевую поверхность шва и зону, прилегающую ко шву. Основными факторами, влияющими на скорость охлаждения сварного соединения, формирующегося под водой, являются толщина основного металла, гидростатическое давление и погонная энергия. Увеличение скорости охлаждения в диапазоне температур 650…500° связано с изменением характера кипения на поверхности свариваемого изделия. Пленочное кипение переходит в пузырьковое.

В 1975 г. были проведены исследования термический цикл при наплавке валика на воздухе и в пресной воде порошковой проволокой ППС-АН1. Установлено, что при сварке с малыми скоростями (0,19 см/с) под водой металл пребывает в расплавленном состоянии значительно меньше времени, чем при сварке на воздухе. Охлаждающее действие среды влечет за собой уменьшение зоны перегрева и значительное сужение всей зоны термического влияния (ЗТВ), а также образование более мелкодисперсной структуры, как в металле шва, так и в ЗТВ.

При больших скоростях сварки (0,047 м/с) наблюдается незначительное уменьшение ЗТВ, образование более мелкозернистой структуры в шве и околошовной зоне по сравнению со сваркой на воздухе, а также с подводной сваркой при малой скорости.

Изучалось влияние солености воды и технологических параметров процесса на скорость охлаждения шва и ЗТВ. Наплавки выполнялись на пластины из стали 09Г2 толщиной 14 мм. Использовали порошковые проволоки ППС-АН1 и ППС-АН5. Мощность источника теплоты варьировали за счет изменения силы тока при постоянной скорости сварки и напряжении на дуге.

Установлено, что наиболее резкие отличия в термическом цикле наблюдались при сварке на воздухе и под водой. Разница при сварке в пресной и соленой воде сравнительно меньше.

Температурные поля при сварке проволоками ППС-АН1 и ППС-АН5 практически одинаковы и изотермы сливаются. Резкое отличие изотерм при сварке под водой и на воздухе объясняется, в первую очередь, различной теплоемкостью и теплопроводностью сред. Увеличение скорости охлаждения металла шва и околошовной зоны при сварке в соленой воде связано с изменением характера кипения на поверхности металла. Наличие в воде NаCl уменьшает возможность образования паровой пленки на поверхности металла и способствует более быстрому ее разрушению. Процесс кипения происходит более равномерно, чем в пресной воде.

Наибольший интерес, применительно к формированию закалочных структур в ЗТВ, представляет скорость охлаждения сварного соединения в диапазоне температур от 800 до 300°С. При сварке под водой скорость охлаждения повышается в 5 — 9 раз по сравнению со скоростями охлаждения, полученными при тех же режимах сварки на воздухе. с увеличением солености воды от 0 до 30 ‰ скорость охлаждения ЗТв возрастает в 1,25 - 1,43 раза.

К сожалению, до настоящего времени нет научно обоснованных данных о влиянии скорости течения и положения шва в пространстве на термический цикл при сварке под водой плавящимся электродом. Однако эти параметры могут оказать существенное влияние на скорость охлаждения соединения при сварке. Течением воды смывается парогазовый пузырь и паровая пленка рядом со швом. Это должно привести к увеличению скорости охлаждения сварного соединения. Аналогичные результаты можно получить и при сварке на вертикальной плоскости, когда парогазовый пузырь, поднимаясь вверх рядом со свариваемой поверхностью, увлекает за собой поток воды, создавая дополнительное течение, способное увеличить скорость охлаждения сварного шва. Противоположное явление наблюдается при сварке в потолочном положении, когда парогазовый пузырь, растекаясь по свариваемой поверхности, образует дополнительную газовую полость, снижающую теплоотвод.

Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что повышение скорости охлаждения ЗТв ряда низколегированных сталей повышенной прочности в условиях мокрой сварки под водой плавящимся электродом может вызвать появление бейнитных и мартенситных структур с твердостью 300…450HV. Полученные данные, близки к показателям, приведенным в ряде работ, применительно к сварке непосредственно в воде покрытыми электродами и самозащитными порошковыми проволоками.

Изменить термический цикл в условиях сварки под водой можно за счет изоляции околошовной зоны и обратной стороны свариваемого изделия теплоизоляционными материалами. Тепловая изоляция от воды дает уменьшение скорости охлаждения металла ЗТв в интервале температур 800…500°с в 4,4…5,0 раз у кромки шва и в 1,9…2,5 раз - под швом. Оптимальная ширина слоя теплоизолирующего материала составляет 80 мм. Применение тепловой изоляции устраняет неоднородность распределения скоростей охлаждения в поперечном сечении пластины и позволяет получить при минимальной погонной энергии такую же скорость охлаждения металла ЗТВ, как при сварке на максимальной погонной энергии без тепловой изоляции и выйти в область допустимых для низколегированных сталей скоростей охлаждения в интервале температур фазовых превращений при подводной сварке плавящимся электродом.