1.基本原理

水下焊条电弧焊是典型的湿法水下焊接，发展最早，应用较广。这种方法的基本原理是：当焊条与焊件接触时，电阻热将接触点周围的水汽化，形成一个气相区。当焊条稍离开焊件，电弧便在气相区里引燃，继而由电弧热将周围的水大量汽化，加上焊条药皮产生的气体，在电弧周围形成一个一定大小的“气泡”，称为电弧气泡，把电弧和在焊件上形成的熔池与水隔开。由此可见，电弧在水中燃烧与在大气中燃烧大致相同，都是气体放电，只是电弧周围气体成分和压力不同而已。图9-6是电弧在水中燃烧的示意图。

图9-6 湿法水下焊条电弧焊示意图^［2］

1—工件 2—电弧气泡 3—上浮气泡 4—焊条 5—焊钳

电弧热使水蒸发或电离出的气体，使电弧气泡不断长大，但长到一定程度开始破裂，一部分气体以气泡形式逸出，电弧气泡变小。接着电弧热产生的气体又使气泡变大，就这样周而复始，电弧气泡处于亚稳定状态，电弧在亚稳定状态的电弧气泡中燃烧，完成焊接过程。

水下焊条电弧焊时，电弧气泡主要成分（体积分数）是H₂62％～82％、CO11％～24％、CO₂4％～6％，其余为水蒸气及金属和矿物质蒸气等。测量表明，电弧气泡破裂前的排水面最大直径可达φ20mm，而破裂后的尺寸为φ5～φ10mm，随着水深增加，电弧气泡尺寸变小，电弧稳定性变差，焊接质量随之变差。

2.焊接设备

水下焊条电弧焊的焊接设备比较简单，主要是由焊接电源、焊接电缆、切断开关和水下焊钳组成。水下焊接时，焊接电源放在陆上或工作船上（或平台上），潜水焊工将焊钳带到工作地点。

（1）焊接电源 从安全角度来考虑，水下焊条电弧焊一般采用直流电源。实践证明，采用陆上用的直流弧焊机基本上满足需要。水下焊接施工环境比较恶劣，电器元件和金属构件易损坏。焊接电源在使用过程中要经常维护和保养。

（2）水下焊钳 水下焊钳与陆上焊钳基本相同，但由于水，特别是海水，具有较好的导电性，故要求焊钳绝缘性更高些。图9-7所示为常用圆形水下焊钳示意图。图9-8为水下焊割两用钳。如果是单纯水下焊接作业，使用专用焊钳较方便、灵活些。

水下焊接时，尤其是在海水中焊接，焊钳易被水电解和腐蚀，使夹头部位损坏，从而导致夹紧力不足，使焊条松脱，或焊条与夹头问打弧而烧结。为延长焊钳使用寿命，要经常检查其绝缘状况、夹头夹紧力等，发现问题及时保养维修。

图9-7 圆形水下焊钳示意图^［2］

1—尾部绝缘外壳 2—本体绝缘外壳 3—导线孔 4—铜质本体焊条夹块 5—夹头部绝缘外壳 6—铜质头部夹头 7—焊条捶孔

图9-8 水下焊割两用焊钳示意图^［2］

1—焊钳夹头 2—气密弯管 3—导电铜排 4—绝缘接头 5—绝缘塑料外壳 6—绝缘体 7—进气管道 8—电线 9—氧气管接头 10—阀门压柄 11—氧气阀

（3）电缆和切断开关 目前尚没有专用水下焊接电缆，用陆上焊接电缆代替，但水下焊接电缆一般都较长，为减少电压损失，导电断面要选大一些。对于ZX-400、ZX-500型焊接电源，配用电缆断面不要低于70mm²，最好选用95mm²。为了操作方便，靠近焊钳那段（3～5m）断面可小些。另外，电缆护套绝缘性能要好，最好选用YHF型氯丁橡胶护套焊接电缆，耐海水腐蚀，强度好，不易破损。

为了水下作业安全，焊接回路应装置切断开关。可用自动切断器，亦可用刀开关。

3.焊接材料

（1）母材 目前，国内用于制造水下结构的材料大都限于低碳钢及低合金高强度钢。母材焊接性的评定，还是沿用陆上的试验方法。比较常用的有：碳当量法、小铁研抗裂试验、刚性固定对接试验、十宇接头试验和IIW最高强度试验等。

2）水下焊条。水下焊条结构与陆上焊接结构基本相似，都有焊芯和涂料药皮。不同之处在于水下焊条具有防水性，是通过药皮外涂防水层或在药皮中加具有防水性的酚醛树脂做粘结剂来实现的。

由于水下焊接的特殊工作条件，陆上焊接用的焊条一般不太适合水下焊接，很多国家都研究了水下专用焊条，而且根据不同水深设计不同药皮成分。对于低碳钢及低合金钢焊条可分3个深度范围，即0～3m、3～50m、50～100m。药皮类型基本是两类，钛钙型和铁粉钛型。钛钙型焊条的焊接工艺性好、电弧稳定、容易脱渣、成形美观，铁粉钛型焊条熔敷率高。

英国Hydroweld公司发展了多种水下焊条，其中HydroweldFS焊条成为唯一被英国国防部认可的军舰水下修补焊条。采用该焊条曾对一艘英国皇家海军潜艇的球罐进行了水下焊接，40块板中最大的为2.6mx1.2m，碳当量为0.47。劳氏船级社对其水平、垂直和仰焊的检验结果表明，焊缝在热影响区没有裂纹。澳大利亚也曾使用该种焊条进行了148处高强度结构钢桥的补焊。这充分显示了其在水下钢结构焊接方面的发展潜力。

美国专利焊条——7018’S焊条药皮上有一层铝粉，水下焊接时能产生大量气体，避免焊缝金属受到侵蚀。铝粉颗粒尺寸近似为0.0254μm，使焊条抗湿性很强。该焊条施焊的焊缝连续20天在湿度为100％的条件下金属的氢含量仍然保持在2.3x10^-6的低值，适用于高强度钢材的水下焊接，-30℃的冲击吸收能量达到100J，相当于490MPa级交直流两用低氢型焊条^［4］。

我国目前使用的水下专用焊条（表9-3），主要是上海东亚焊条厂生产的T202和华南理工大学等单位开发的T203（由桂林市焊条厂生产）。焊条属于钛钙型药皮低碳钢焊条，焊芯是H08A。焊条涂有防水层，可焊接低碳钢及碳当量不大于0.40％的低合金钢。T202焊条熔敷金属的化学成分（质量分数）：C≤0.12％，Mn＝0.30％～0.60％，Si≤0.25％，S≤0.035％，P≤0.04％。熔敷金属抗拉强度大于或等于420MPa。

表9-3 水下低碳钢焊条的化学成分及力学性能^［2］

天津电焊条厂生产的TSH-1也是钛钙型低碳钢焊条，性能与T202焊条相似。TSH-1焊条不涂防水层，而是焊条药皮自身具有防水性，焊接过程中烟雾较少。猴王集团公司开发的水下焊条有两种：10m以内水深度使用的Mk.ST-1和30m以内水深度使用的Mk.ST-2。焊条熔敷金属的化学成分（质量分数）是C≤0.10％，Mn≈0.60％，Si≤0.25％，S≤0.035％，P≤0.035％。熔敷金属抗拉强度大于或等于420MPa。Mk.ST-1焊条曾用于水下高压蒸汽管道和循环冷却水管道的水下焊接修复，以及湛江港的建设。

焊接通常采用直流电源正极性（焊条接负极），但在某些场合也采用反极性，以减少气孔。在海水中焊接时，采用直流正极性还能减少海水对焊枪的腐蚀作用。

为了水下施工的应急需要，也可临时采用陆上焊接常用的酸性低碳钢焊条替代，E4313（J421）或E4303（J422）焊条，可在药皮外涂上防水层（油漆、酚醛树脂等）后，直接用于水下焊接。当然，效果要差一些。

4.焊接工艺及操作技术

（1）焊接工艺

1）工艺深度。我国尚未正式规定各种水下焊接方法在实际生产中的工作深度。考虑这一问题时，可参考美国AWS.D3.6—1993中的有关规定。即最大实际工作深度等于该水下焊接方法的试验深度再加上10m（或比试验深度大20％），在小于3m的深度进行湿法焊接时，可在等于实际工作深度或更浅的深度进行实验。

2）接头形式、焊缝类型及坡口的加工。水下焊接接头的形式及焊缝的类型大致与陆上焊接相同。坡口尺寸可根据焊接方法、板厚及结构的形状尺寸等参考陆上坡口的标准来考虑决定。若不能在陆上预先加工的坡口，可采用风动砂轮机、氧弧切割等方法及设备在水下进行加工。

3）焊接参数的选择。实际操作时，焊接参数的选择原则与陆上焊时大致相同，一般情况下应先进行试焊以确定最佳的条件。

①焊条直径。焊条直径的选择一般应根据母材厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层次等条件而定。例如，板厚小于10mm时，焊条直径一般不超过4mm。

②焊接电流。焊接电流主要取决于焊条直径、母材厚度、焊接位置及现场条件等因素。使用同种直径的焊条时，水下焊接使用的焊接电流可比陆上焊时高20％～30％。表9-4是不同焊条直径使用的焊接电流范围。

③电弧电压。电弧电压主要由弧长决定。湿法焊条电弧焊时，焊条一般靠在工件上运行，故弧长仅取决于焊条涂料层套筒的长度。实际焊接时，应尽量压低电弧。

表9-4 不同焊条直径使用的焊接电流范围^［2］

④焊接速度。焊接速度对水下焊接的质量影响较大，应根据实际情况确定。在大坡口对接平焊、角焊缝平焊、船形焊时，焊接速度可慢些，一般在10～20cm/min。横焊、立焊、仰焊时，焊接速度可稍快，一般不低于15cm/min。

⑤焊道层次。湿法焊条电弧焊时，由于运条方法的特点，焊缝宽度在很大程度上取决于焊条直径。实际焊接时，每层焊道的厚度为焊条直径的0.8～1.2倍时较为合适。

（2）操作技术水下焊条电弧焊的基本操作也是引弧、运条、收弧操作。但由于水下可见度差，必须采取一些辅助工艺措施。具体操作方法如下：

1）引弧。水下焊条电弧焊一般采用定位触动引弧，即引弧前焊接回路处于开路（断电状态），焊接时先将焊条端部放在选定的引弧点上，然后通知水面辅助人员接通焊接回路，再用力触动焊条，或稍微抬起焊条，并碰击焊件，便可引弧。(www.daowen.com)

2）运条。在水下焊条电弧焊中，多采用拖拉运条法，即将焊条端部依靠在工件上，使焊条与工件呈60°～80°角。引弧后，焊条始终不抬起来，让药皮套筒一直靠在焊件上，边往下压边往前拖着运行。在拖拉过程中焊条可摆动，也可不摆动。为使运条均匀，可用左手扶持焊条，或用绝缘物体（母材或塑料）做靠尺，使焊条能准确地沿坡口运行。这样就成了引焊，如图9-9所示。

图9-9 水下焊接操作示意图^［2］

3）收弧。水下焊接收弧可采用陆上焊接时的收弧方法。即划圈式收弧或后移式收弧。但在水下焊接中焊缝余高较大，如果采用后移收弧，会使收弧处的焊缝更高了，尤其多层焊时，会给下层焊接带来困难。故一般采用划圈收弧较好。

水下焊条电弧焊时，不宜使用反复断弧法收弧。因为电弧一断，熔池很快被水淬冷，再引弧时如同在冷钢板上引弧，极易产生气孔。

不同位置的水下焊条电弧焊操作技术，可参考陆上焊条电弧焊操作技术及文献，这里不再赘述。

5.水下焊条电弧焊实际应用

由于水下焊条电弧焊成本低、方便灵活、工期短，因而广泛地应用于船舶、海洋工程结构等应急性修理工作。这里介绍几种常用的水下补焊要领。

（1）漏洞的补焊 对于船体和闸门产生的漏洞，多采用外敷板的方法堵漏，补板的厚度根据需要而定。

焊接补板时，较重要的工作是焊前补板的装配固定。一般补板要大出漏洞的边缘20～30mm。补板和壳体问的问隙不得大于2mm。如超过2mm，必须在问隙内塞入薄铁板，并清除坡口附近的油污、泥沙及铁锈等。

补板的固定有以下几种方法：

1）直接定位焊法。将补板扶持在补焊位置上，先压紧一边，将该部位定位焊上。定位焊缝长度不得小于20mm，以防裂开滑落。然后在两侧按顺序轮换定位焊，焊缝问距以150～250mm为宜。

2）螺钉加压法。在漏洞边缘适当的地方先焊两个马蹄形铁，用带有螺钉的杠杆压在补板上，如图9-10所示，然后焊固。

图9-10 螺钉加压法固定补板示意图^［2］

1—补板 2—杠杆 3—马蹄铁 4—压紧螺钉

3）铆接法。在补板和壳体重叠处钻孔，用铆钉和螺栓固定住。待补板焊好后，再将铆钉或螺栓焊牢，如图9-11所示。

焊接补板的搭接焊缝时，要分段对称施焊，以防焊接应力过大将焊缝拉开。焊接程序如图9-12所示。

图9-11 铆接法固定补板示意图^［2］

图9-12 补板焊接程序示意图^［2］

（2）裂纹的补焊 补焊裂纹一般分下列几个程序：

1）止裂。补焊前先在裂纹两端钻直径φ6～φ8mm的止裂孔，如图9-13所示。止裂孔的位置要离裂纹可见端有一定的距离，一般要求沿裂纹的延伸方向超出10～20mm为宜。

图9-13 裂纹补焊示意图^［2］

2）开坡口（清除裂纹）。用水下砂轮或风铲将裂纹清除，并修成V形或U形坡口。目前，我国还没有使用水下砂轮和水下风铲开坡口的经验。一般是用水下焊条直接清除，即采用较大的焊接电流，较大的焊条倾角，利用电弧吹力将熔化金属吹掉，形成U形坡口，如图9-14所示。

对于较短的裂纹，清除前也可以不钻止裂孔。但用焊条清除时，要从裂纹端部沿裂纹方向超前20～30mm处开始清除，以防止裂纹扩展。

3）补焊。采用分段反焊法（短裂纹除外）。多道焊时，每段焊道的接头要错开。

图9-14 用焊条清除裂纹开U形坡口示意图^［2］

（3）管结构焊接水下金属结构，大部分是管结构（如钻采平台的导管架）。补焊管结构可采用两种形式：一是利用补板进行补焊，即在破损处敷一个曲率与管径相符的弧形补板，采用前一节所介绍的焊补板的方法进行补焊；二是将破损段切除，换一段新管，采用对接焊修复。

补焊管结构时，一条焊缝往往处在几种焊接位置上，潜水焊工必须掌握全位置焊接技术。下面介绍一下对接焊技术。

1）水平固定管的对接。这种焊缝处于平、立、仰三种位置。焊接过程中，焊条必须不断地变换位置，而又不便于调节焊接参数，这就要求潜水焊工的操作技术必须熟练。

焊前将焊缝开成V形坡口（薄壁管也可不开坡口）。组装时，管子轴线要对正。定位焊缝要均匀而对称布置，定位焊缝长度不小于20mm。

焊接时，一般是采用先上部后下部的施焊程序。组装时，下部装配问隙稍大一点，以补偿焊缝收缩而造成的下部问隙的减小。

一般情况下，将管口圆周沿垂线分成两部分进行焊接。起焊时，从12点钟位置超前10～15mm处引弧，在超过最低点（即6点钟位置）10～15mm处熄弧。焊接时，焊条倾角如图9-15所示。后半周焊接时，应注意接头质量。

图9-15 水平固定管焊接时焊条倾角示意图^［2］

焊接层数视壁厚决定，每层之问各焊缝接头处均要错开。为了确保焊缝底层熔透，可在管内加环形垫板。垫板和管子焊在一起，留在管内。

2）竖直固定管的对接。这种管结构的对接，是单一的横向环焊缝，与平板焊缝大体相同。

近年来为了解决湿法水下焊接在重要海洋工程结构中的应用问题，按照结构适合于服役的思想，提出了焊接接头设计的概念，即只要采用恰当设计的对接接头，虽然湿法水下焊接接头的延性较差，但并不影响水下工程结构的服役性能。按这个概念设计的焊接接头不仅可用于水下工程重要节点的修复，而且在新结构建造时也可借鉴。

焊接接头设计可采用有限元方法，不需要昂贵的接头原形制备以及力学试验，只需按照实际结构建模，在计算机上模拟计算。接头几何尺寸、材料特性及加载条件可随意改变，并用可视化技术清晰地给出结构节点上的应力应变分布及变化规律。通过分析连接部位各区域在加载过程中应变的发展，并用临界断裂应变作为失效判据。经过多种方案进行比较，找出恰当的焊接设计以减轻焊缝的负担，使焊缝处于低应力区。例如，采用柔性连接板，修理水下管结构节点，如图9-16所示。使水下焊缝避开了重应力区，同时也改善了装配及焊接条件。

图9-16 柔性连接板示意图^［5］