一种无氧水下切割电极及水下钢材切割方法与流程

本发明属于金属材料焊接与切割技术领域，特别涉及一种水下湿法电弧切割用切割电极，具体地说是一种无氧水下切割电极及水下钢材切割方法，无需额外供氧气、借助水下焊条电弧焊焊接装备就可顺利实施水下切割工艺。

背景技术：

水下切割技术最早用于打捞沉船工程，并逐步发展起来。尤其是近几年来，随着开发海洋事业的发展，为适应水下工程建造与解体事业的发展，从提高水下切割能力、速度和质量，以及为适应特殊结构、特殊环境需要出发，相继开发了一些新的水下切割方法和设备。其中应用最为广泛的是水下电氧切割技术和水下自保护湿法药芯割丝切割技术。

cn102699556a介绍了一种水下切割用的割条，只需要在水下引燃切割材料就可以断开引弧电源，借助氧气助燃作用，利用切割材料燃烧自身放出的热量支持水下切割材料进一步持续燃烧对工件进行切割。但该类割条多采用专用的割炬，且仍然无法摆脱对用于辅助切割的氧气，在实际工程应用中受到了限制。

水下湿法自保护药芯割丝切割技术，无需外加氧气供给源及熔化极水喷射电弧切割法所需的高压水泵装置，仅利用药芯成分自身的化学反应提供氧气助燃及气体保护，可实现自动化连续切割。专利cn102554520b分别公开了一种自保护水下湿式熔化极电弧切割方法，开发了以低碳钢带为金属外皮的水下专用药芯割丝，对碳钢及低合金钢进行切割，割丝。专利cn102554520b则在自保护情形下，为将待切割金属氧化并将熔融金属吹走，加入较多释放氧气的过氧化物。发明cn104858565a中设计的药芯割丝，在电弧热作用下，借助药芯中添加的放热性组分的产热作用，无需额外供氧和气体保护，可以对水下金属结构进行切割。水下自保护药芯割丝技术具备切口小、无需外部提供气体、切割效率高等优点，但由于其需要辅助送丝机构，设备复杂，更为适合大水深水下自动切割。

在现有的水下湿法焊条电弧焊基础上，以无需供氧、降低对水下焊割过程中所需装备复杂程度为目标，设计了一种无氧水下切割电极及水下钢材切割方法。该切割方法采用铝制切割电极芯对工程中应用广泛的碳钢进行切割，铝制切割电极芯不仅不会与母材连接，还会参与铝热反应，加速切割过程。本发明到目前为止，尚未见相关报导。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种无氧水下切割电极及水下钢材切割方法，无需辅助供氧，降低水下焊割过程中所需装备复杂程度，便携性好，通用性强，安全可靠。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种无氧水下切割电极，包括外部防水层、药皮和金属芯，金属芯为铝制材料，防水层由阻水材料涂覆于药皮外部，所述药皮包括以下组分：铝热剂、造气剂、制氧剂、稳弧剂和铁粉，各组成成分的质量百分比为：铝热剂20-50%，造气剂35-50%，制氧剂10-15%，氧化铈2-4%，铁粉3-11%。

进一步的，所述铝热剂为铝粉和赤铁矿粉的组合物，按质量百分比1:3进行配比。实际上，参与铝热反应的还包括铝制金属芯以及切割过程中产生的金属氧化物。铝热剂在电弧热高温作用下发生反应，放出较多的热量，辅助电弧将待切割金属熔化。

进一步的，所述造气剂为大理石和碳酸钾的组合物，按质量百分比8:1进行配比。大理石和碳酸钾作为造气剂，在水下切割电极药皮当中占较大的比例，大理石作为一种常见的造气矿物质，通过加热可以产生大量的二氧化碳气体，隔离水环境，保护电弧；碳酸钾不仅能通过受热产生电弧，还能产生钾离子，改善燃弧稳定性，碳酸钾分解产生的二氧化碳气体又能隔离水环境，保护电弧。考虑到原材料成本，大理石和碳酸钾按质量百分比8:1进行配比。

进一步的，所述制氧剂为高锰酸钾和过氧化钙的混合物，按质量百分比1:2进行配比。过氧化钙除自身受热分解产生氧气外，其水解产物过氧化氢还将分解为水与氧气，但由于在水中散热较快，过氧化氢的分解速度尚不能满足水下切割对氧气的需求，故本发明针对该反应的特点，添加特定比例的高锰酸钾，高锰酸钾受热产生氧气的同时，还能得到二氧化锰，二氧化锰作为催化剂，将促使过氧化氢分解反应快速发生且转化率高，保证了切割时的氧气供给，持续提供具有一定压力和流量的氧气将待切割处氧化，并将熔渣有效吹除，从而形成割口。

氧化铈的加入可以在提高切割材料的燃烧效率，促进切割材料在氧气中充分燃烧的同时，增加电弧燃烧的稳定性。当氧化铈重量百分比小于2％时，对燃弧稳定性的提高作用很小，随着氧化铈重量比的增大，对燃烧效率的提高作用明显，燃弧稳定性逐步上升，但超过4％后对燃弧稳定性的改进作用减弱，考虑到氧化铈价格较高，为了节约成本，选为2～4％。

铁粉的加入主要是增加水下电弧挺力和穿透力，使得切口减小、切割效果更好。铁粉的含量为3-11%。

利用前述的无氧水下切割电极进行的水下钢材切割方法，包括以下步骤：

（1）连接水下无氧切割系统各部件，所述切割系统包括：恒流焊接电源、电缆、水下焊把、切割电极和母材；恒流焊接电源为水下切割过程提供电力能源供应，在恒流焊接电源处于关断状态下，水下焊把通过电缆与恒流焊接电源阴极相连接；母材通过电缆与恒流焊接电源正极相连接；切割电极固定于水下焊把上，安装方式与水下湿法焊接相同；

（2）在潜水员允许后，岸上工作人员启动恒流焊接电源，潜水员手持水下焊把将切割电极移向母材，引燃电弧，开始切割；母材为黑色金属；

（3）潜水员通过视觉判断切割进程，逐步移动切割电极，完成切割过程；

（4）切割过程完成后，或者切割电极即将消耗殆尽时，潜水员通知岸上工作人员，切断恒流焊接电源的输出，从水下焊把上取出切割电极残余部分，更换新切割电极，准备下一次切割工作。

与现有技术相比，本发明优点在于：

1)便携性好：整套切割装备仅包括恒流焊接电源、切割电极、水下焊把和电力电缆，施工过程中，恒流焊接电源处在水面以上，切割电极送给仅依靠潜水员手工操作完成，操作人员只需要携带水下焊把和切割电极在水下工作，单人就可以携带，不必携带送丝装置等质量较大的装备进行潜水作业。

2)安全性高：切割过程无需提供氧气，切割电极自带制氧剂和造气剂，通过化学反应产生切割过程所需的氧气和保护气，在简化了施工所需装备的同时，摆脱了对氧气气瓶的依赖，提高了生产作业的安全性。

3)通用性强：利用水下焊条电弧焊焊把和配套的焊接电源，潜水员在施工时可以随身携带切割电极与焊条，在不增加任何设备的前提下即可根据需要，仅通过更换切割电极/焊条，即可实现不同的水下修复工艺，适用于水下应急抢修施工过程。

4)切割效率高：采用铝制切割电极芯对碳钢等黑色金属进行切割，增强了铝热反应的效果，使得其燃烧过程中放出的能量进一步提高，具有较高的切割速度，切割效率高。

附图说明

图1为本发明的切割电极示意图。

图2为本发明的水下无氧切割系统的示意图。

图中，1.恒流焊接电源；2.电缆；3.水下焊把；4.切割电极；5.母材；41.防水层；42.药皮；43.金属芯。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1和2所示，选用直径为4.0mm的纯铝焊条芯作为切割电极的金属芯43，其长度为400mm，选用石蜡作为防水层41的材料，石蜡涂敷于药皮42外部，药皮42的配方为：铝粉5%，赤铁矿15%，大理石32%，碳酸钾4%，高锰酸钾4%，过氧化钙8%，氧化铈2%，铁粉3%，制成切割电极4。在切割电流150-180a条件下，对8mm厚q235钢板进行水下切割，可以得到质量较好的割口，割口容易清渣。具体步骤如下：

（1）连接水下无氧切割系统各部件，所述切割系统包括：恒流焊接电源1、电缆2、水下焊把3、切割电极4和母材5；恒流焊接电源1为水下切割过程提供电力能源供应，在恒流焊接电源1处于关断状态下，水下焊把3通过电缆2与恒流焊接电源1阴极相连接；母材5通过电缆2与恒流焊接电源1正极相连接；切割电极4固定于水下焊把3上，安装方式与水下湿法焊接相同；

（2）在潜水员允许后，岸上工作人员启动恒流焊接电源1，潜水员手持水下焊把3将切割电极4移向母材5，引燃电弧，开始切割；

（3）潜水员通过视觉判断切割进程，逐步移动切割电极，完成切割过程；

（4）切割过程完成后，或者切割电极即将消耗殆尽时，潜水员通知岸上工作人员，切断恒流焊接电源1的输出，从水下焊把3上取出切割电极残余部分，更换新切割电极，准备下一次切割工作。

实施例2

切割电极的药皮配方为：铝粉8%，赤铁矿24%，大理石40%，碳酸钾5%，高锰酸钾4%，过氧化钙8%，氧化铈3%，铁粉8%，其余组分与结构实施例1相同，水下无氧切割方法与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3

切割电极的药皮配方为：铝粉12%，赤铁矿36%，大理石40%，碳酸钾5%，高锰酸钾5%，过氧化钙10%，氧化铈4%，铁粉11%，其余组分与结构实施例1相同，水下无氧切割方法与实施例1相同，此处不再赘述。

综上所述，本发明切割过程无需提供氧气，切割电极自带制氧剂和造气剂，通过化学反应产生切割过程所需的氧气和保护气，安全性高；施工过程中，恒流焊接电源处在水面以上，切割电极送给仅依靠潜水员手工操作完成，操作人员只需要携带水下焊把和切割电极在水下工作，单人就可以携带，不必携带送丝装置等质量较大的装备进行潜水作业，便携性好；铝制切割电极芯，切割效率高。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。