我国的南水北调东线工程和黄水东调工程中都大量的使用了钢制的长距离输水管道，在长时间的使用后，管道壁上常常会出现腐蚀裂缝，严重影响长距离水分运输。针对上述管道裂缝，现在的人工修复方法修复时间长，效率低下。研究发现，水下焊接可以应用于该裂缝的修复，现阶段水下焊接主要分为三种，分别是水下湿法焊接、水下干法焊接、水下局部干法焊接[1]。
1、水下湿法焊接
水下湿法焊接所需焊接设备简单，但是水下湿法焊接的焊接电弧直接和水接触，焊接质量极易受到水的影响。目前水下湿法焊接的研究跟不上实际发展的需求，它需要在满足水下抢险维修的同时，还要保证焊接接头有较好的强度、韧性、耐腐蚀性。在焊接过程中水在焊接电弧的分解下产生大量的氢元素，焊缝在氢元素的影响下出现裂纹，大大降低接头的力学性能。由于水的热导率是空气的几十倍，所以水下湿法焊接的冷却速度要快很多，导致焊接接头产生更多的马氏体，使水下湿法焊接的焊接接头更脆，同时有更高的气孔率。水下湿法焊接的焊接过程并不稳定，在焊接过程中，由于水的影响，焊接电弧会频繁的出现电弧和短路，造成焊接过程不稳定[2]。
现在水下湿法焊接的研究方向分为先进焊条的研究和焊接电弧稳定性的提高，我国六十年代开始研究水下焊接的专用焊条，2009年，郭宁等开发了一种水下湿法自保护药芯焊丝，可以在30m以内水深完成焊接，焊缝形貌美观，无咬边、焊瘤、气孔、裂纹等缺陷，Mita在上世纪八十年代提出了焊接电流和电压波形的评价标准，格列茨基通过进行大量试验得出焊接电流和电弧电压及水深之间的相互约束关系，随着水深的增加，电流电压的选择范围会越来越小[3]。
2、水下干法焊接
水下干法焊接分为高压干法焊接和常压干法焊接，在焊接前提前排除了水的影响，焊接质量和陆地焊接基本一致，焊接质量较好，但是由于设备复杂和密封性的要求高，导致焊接成本大大增加。高压焊接法最先由美国开展研究，之后挪威巴西英国等国家都开展了高压干法焊接的研究，其中英国于1990年研制出一种命名为Heper-wedl250的无人高压焊接装置，该高压焊接装置可以用来模拟水下250m处的压力，国内哈尔滨焊接研究所在上世纪80年代开始高压干法焊接的研究，开发出了MMA焊接的水下高压焊接舱，北京石油化工大学研制出一种可以进行深水干式法焊接的水下管道维修系统[4]，并验证其可行性。水下常压焊接方法目前国内没有进行相关研究的实验装置，水下常压焊接方法需要在密封的压力舱中进行实验，密封要求高于高压干法焊接。总之，水下干法焊接质量优于其他两种焊接，但是设备造价极其昂贵，结构复杂，焊接舱适用性不高，通常只能应用于单一场景。
3、水下局部干法焊接
水下局部干法焊接只需将焊接部位周围的水排开，就能得到类似于水下干法焊接的焊接质量，其操作难度和水下湿法焊接类似，非常适合水下自动化焊接和半自动化焊接。排水罩是水下局部干法焊接最关键的一部分，最开始采用高压水帘隔水的形式设计排水罩，后来钢丝裙式排水罩代替高压水帘式排水罩，目前绝大多数排水罩的设计思路都来自于早期的钢刷排水罩，中国在该领域的研究曾经一度领先于世界，二十世纪八十年代，哈尔滨焊接研究所研究的局部CO2半自动焊接装置（LD-CO2），同时研究出一种特殊结构的焊枪，最终证明局部干法的焊接质量优于水下湿法焊接，Kielczynski等首次提出了可应用于生产移动气室排水罩的方案；移动气室型排水罩对焊接电弧的保护较好，但是焊接效率低，无法快速完成焊接工作，王振民[5]开发除了双气帘式排水罩，在水下焊接时，既能保护焊接电弧，又具有很强的焊接通用性，适合多位置多场景的水下焊接。天津大学的沈相星[6]研制出了一种应用于管道外部进行焊接的固定式排水罩，该固定式排水罩通过锁链固定在管道外部，排水罩底部安装有预热板，在焊接之前提前进行预热，经过实验证明焊缝脆性小，韧性高。
4、 排水罩整体结构设计
本排水罩为修复管道裂缝而设计，排水罩应用于管道内部，需要实现隔水排烟密封吸附功能，需要覆盖在管道裂缝上方，排水罩底部安装吸附装置，吸附于管道内壁上，排水罩内部为气相环境，排水罩底部安装有密封门，排水罩底板上方安装有排水泵。
目前水下的吸附方式主要有负压吸附、磁吸附和仿生吸附等，对于管道内壁的缺陷修复，使用磁吸附具有吸附简单、能量消耗低等优点，可以产生较大的吸附力、能够适应凹凸不平的复杂壁面环境，同时电磁吸附能够轻松的吸附和脱离壁面，方便在管道内进行移动，所以选择电磁吸附，在排水罩底板上安装有多个电磁铁，在需要进行吸附时，电磁铁吸附在管壁上，在焊接修复完成后，电磁铁断电，排水罩脱离管壁。
排水罩使用排水泵进行排水，本设备采用排水泵抽水的方法进行排水，通过排水泵将排水罩和管壁之间的水分完全排出，在排水罩进入水中时，密封门关闭，排水罩内部密封门上方为气相环境，排水罩外部为液相环境，在排水罩吸附在管壁上时，打开密封门，通过安装在排水罩内部的排水泵将管壁和排水罩底板下方的水抽出，排水泵连接排水阀将水排出排水罩，在焊接过程中持续向排水罩内部通入高压气体维持焊接环境，同时通过排烟阀进行排烟。
本排水罩底部安装密封圈进行密封，整体机架采用铝型材搭建，铝型材外侧和底部安装铝合金板，铝型材和铝合金板之间采用橡胶垫进行密封，铝型材顶部安装亚克力板作为观察窗，内部安装照明灯提供照明，底部安装排水罩底板，电磁铁安装在排水罩底板上，排水罩侧板上安装操作手套、排水阀、排烟阀等装置。
本排水罩使用方法如下：操作人员通过地面上方的管道观察口携带排水罩进入管道内，操作人员在管道内部拖动排水罩抵达裂缝区域，操作人员将排水罩置于裂缝上方，下压排水罩，排水罩底部密封圈变形，形成密封，电磁铁通电，排水罩吸附于管道内壁，通入压缩空气，打开手套盖，通过操作手套在设备内部进行操作，打开密封门，排水泵排水，使用焊枪进行修复操作，焊接修复的同时通入高压气体进行排烟，修复完成后电磁铁断电，排水罩脱离管道内壁，操作人员拖动排水罩前往下一处裂缝区域进行修复。
结语
目前水下焊接领域的焊接方法多种多样，本文对三种水下焊接方法进行分析，最终选用水下局部干法焊接的方法，并从管道内部焊接修复的现实情况出发，提出了一种水下局部干法焊接专用排水罩。
参考文献
[1]Chen Y,Wei X U,Hongwei M A,et al.Research Status and Development Trend of Underwater Welding Technology[J].Welded Pipe & Tube, 2014.
[2] 薛延华,朱小俊,杜永鹏,等．水下电弧螺柱焊接关键参数试验．焊接,2020.
[3] 薛龙,焦向东,周灿丰,等.水下干式高压焊接试验系统研究[J].中国机械工程,2006.
[4] 尤·亚·格列茨基,谢·尤·马克西莫夫.流体静压力对水下焊接电弧燃烧稳定性的影响[J].张琳琳 译. 机械制造文摘-焊接分册.
[5] 王振民，谢芳祥，朱磊．双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩.中国:201720082385X［P］.
[6] 沈相星, 程方杰, 邸新杰,等.水下局部干法焊接预 热技术及专用排水罩的研制[J]. 焊接学报,2018.
作者简介：尹逊瑞(1999—),男,硕士研究生,主要研究方向为机械设计与分析, 2503980210@qq.com
