CN101844273A - 海洋平台的水下脉冲激光焊接方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋平台的水下脉冲激光焊接方法和装置，一种海洋平台水下脉冲激光焊接装置，包括海洋平台，海洋平台上设有激光器，海洋平台中部的侧壁上横向设有机器手，机器手的下方设有激光焊接头，激光焊接头的内部形成一空腔，激光器与激光焊接头通过传输光纤连接，将脉冲激光器安装固定在海洋平台上，用多条传输光纤将激光光束输出传导至激光焊接头内，激光焊接头由机器手定位以及控制操作，调整激光的脉冲参数，并合理选择激光器的输出能量。本发明具有可以实现自动化水下无人焊接，也有利于保证定位精度和焊接质量，保证施工的可靠性，实现焊接自动化，提高生产效率作用。

Description

海洋平台的水下脉冲激光焊接方法和装置

技术领域：

本发明涉及海洋工程装备的制造技术领域，特别是一种海洋平台的水下脉冲激光焊接方法和装置。

背景技术：

近年来，随着对于能源的需求不断增加，海洋石油的开发不断受到重视。目前世界上海洋石油天然气平台及其配套的海洋钢结构已经接近万座。海洋石油的作业深度也逐渐由近海大陆架向深海区域发展。随着海洋油气开发不断向深水海域的发展，适应深海环境可用于海洋石油勘探和开采的海洋平台已成为深海油气开发的主要装备。于是在海洋结构的建造以及维修中，对水下焊接技术发展提出了迫切的要求。而且伴随着各种新材料的采用，现有的电弧技术受到限制，焊接变得格外困难，甚至可能无法进行焊接。

在海洋中进行水下焊接作业现有的技术可分为三类：湿法焊接、干法焊接和局部干法焊接。湿法焊接时，电弧在水下的能见度很低，电弧周围所产生的气泡也会对焊接过程的观察造成很大影响；而且随着水深度增加，水下压力也增大，必须提高电弧电压，烟尘和飞溅增大，焊缝金属中所含的气体也越多，容易造成氢脆、白点等缺陷，严重影响焊接质量。干法焊接时，在待焊部位制成封闭式焊接仓，其焊接质量可以和陆地上相同，但设备复杂、成本高。局部干焊法是通过焊接部位的排水罩利用其中的空气将水排出，并可以随着焊接电弧一起移动。这种方法的成本低，质量好，但对水下工作环境：水深、水温、海水流速等都有一定要求，难以适应环境条件复杂多变的深海作业。

发明内容：

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种提高焊接质量，保证施工的可靠性，实现焊接自动化，提高生产效率的海洋平台水下脉冲激光焊接装置及其方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：一种海洋平台水下脉冲激光焊接装置，包括海洋平台，海洋平台包括台面和支架，在台面上设有激光器，在支架的侧壁上设有一机器手，机器手的下方连接有激光焊接头，激光焊接头的内部形成一空腔，激光器与激光焊接头通过传输光纤连接，激光焊接头包括焊接头喷嘴，传输光纤与焊接头喷嘴的一端连接，激光焊接头的下方设有保护气体管路，保护气体管路的一端与激光焊接头的空腔相连，激光焊接头的内部的一端设有聚焦透镜。

一种海洋平台水下脉冲激光焊接装置实现的水下脉冲激光焊接的方法，包括如下步骤：

(A)将提供焊接能量的脉冲激光器安装固定在干舷甲板或海洋平台上，激光器由海洋平台或船舶提供电能，激光的输出配备光束转换开关；

(B)用多条传输光纤将激光光束输出传导至激光焊接头内，激光焊接头由机器手定位以及控制操作；

(C)多条传输光纤所传导的光束在激光焊接头内再次由聚焦透镜会聚在焊接加工部位，并调整离焦量使激光光斑处于合理位置；

(D)保护气体通过柔性管路送入激光焊接头内，以足够的流速由焊接头喷嘴喷出，将工件加工部位的水排开，在此形成一个局部无水空间，激光的光束热量可以将该区域水分彻底烘干；

(E)调整激光的脉冲参数，使焊接熔池在激光的脉动冲击作用下充分振动，并合理选择激光器的输出能量；

(F)控制激光焊接头的焊接速度，使其沿焊缝连续运动，实现连续焊接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

它可以实现自动化水下无人焊接，也有利于保证定位精度和焊接质量，所提出的脉冲激光水下焊接技术能够提高焊接质量的同时，保证施工的可靠性，实现焊接自动化，提高生产效率，为海上钢结构建造、船舶维护以及海洋石油管道项目提供了全新的施工技术和方法。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为激光焊接头的结构示意图；

图中标号：1-激光器、2-传输光纤、3-海洋平台、4-机器手、5-激光焊接头、51-聚焦透镜、52-保护气体管路、53-焊接头喷嘴。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1示出了本发明一种海洋平台水下脉冲激光焊接装置的一种实施方式，包括海洋平台3，海洋平台3包括台面3-1和支架3-2，在台面3-1上设有激光器1，在支架3-2的侧壁上设有一机器手4，机器手4的下方连接有激光焊接头5，激光焊接头5的内部形成一空腔6，激光器1与激光焊接头5通过传输光纤2连接，激光焊接头5包括焊接头喷嘴53，传输光纤2与焊接头喷嘴53的一端连接，激光焊接头5的下方设有保护气体管路52，保护气体管路52的一端与激光焊接头5的空腔相连，激光焊接头5的内部的一端设有聚焦透镜51。

一种海洋平台水下脉冲激光焊接装置的方法，包括如下步骤：

(A)将提供焊接能量的脉冲激光器1安装固定在干舷甲板或海洋平台3上，激光器1由海洋平台3或船舶提供电能，激光的输出配备光束转换开关；

(B)用多条所述传输光纤2将激光光束输出传导至所述激光焊接头5内，激光焊接头5由机器手4定位以及控制操作，可以实现自动化水下无人焊接，也有利于保证定位精度和焊接质量；

采用机器手4控制激光焊接头5，可以实现自动化水下无人焊接，也有利于保证定位精度和焊接质量。

(C)多条传输光纤2所传导的光束在激光焊接头5内再次由聚焦透镜51会聚在焊接加工部位，并调整离焦量使激光光斑处于合理位置；

(D)CO₂保护气体通过柔性管路送入激光焊接头5内，以足够的流速由焊接头喷嘴53喷出，将工件加工部位的水排开，在此形成一个局部无水空间，激光的光束热量可以将该区域水分彻底烘干；

采用CO2压力气体一方面可以在焊接部位造成局部无水空间，激光能量不必为气化水分而损耗，可以主要用于焊接加热；另一方面CO2气体可以保护焊接过程不发生氧化、氢脆等缺陷。

工件的焊接部位在激光能量的加热作用下呈熔融状态，并形成焊接熔池，熔池周围有CO₂气体保护，防止焊缝金属受到水下环境中氢气、氧气所造成的氧化、氢脆等不利影响。

(E)调整激光的脉冲参数，使焊接熔池在激光的脉动冲击作用下充分振动，焊缝金属在熔融状态扩散更加均匀，提高焊接质量；并合理选择激光器的输出能量保证激光焊接的焊透深度；

采用脉冲激光进行水下焊接，可以利用激光的脉动冲击作用，使熔池内的焊缝金属充分扩散，从而抑制成份偏析，减小焊接应力，进一步提高焊接质量。

(F)控制激光焊接头5的焊接速度，使其沿焊缝连续运动，实现连续焊接。焊接速度在每分钟0.5米至5米之间。

本发明具有可以实现自动化水下无人焊接，也有利于保证定位精度和焊接质量，保证施工的可靠性，实现焊接自动化，提高生产效率，为海上钢结构建造、船舶维护以及海洋石油管道项目提供了全新的施工技术和方法的作用。

Claims (4)

1.一种海洋平台水下脉冲激光焊接装置，其特征在于：包括海洋平台(3)，所述海洋平台(3)包括台面(3-1)和支架(3-2)，在所述台面(3-1)上设有激光器(1)，在所述支架(3-2)的侧壁上设有一机器手(4)，所述机器手(4)的下方连接有激光焊接头(5)，所述激光焊接头(5)的内部形成一空腔(6)，所述激光器(1)与所述激光焊接头(5)通过传输光纤(2)连接。

2.根据权利要求1所述一种海洋平台水下脉冲激光焊接装置，其特征在于：所述激光焊接头(5)包括焊接头喷嘴(53)，所述传输光纤(2)与所述焊接头喷嘴(53)的一端连接，所述激光焊接头(5)的下方设有保护气体管路(52)，所述保护气体管路(52)的一端与所述激光焊接头(5)的空腔相连，所述激光焊接头(5)的内部的一端设有聚焦透镜(51)。

3.一种根据权利要求1或2所述的海洋平台水下脉冲激光焊接装置实现水下脉冲激光焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(A)将提供焊接能量的所述脉冲激光器(1)安装固定在干舷甲板或海洋平台(3)上，所述激光器(1)由所述海洋平台(3)或船舶提供电能，激光的输出配备光束转换开关；

(B)用多条所述传输光纤(2)将激光光束输出传导至所述激光焊接头(5)内，所述激光焊接头(5)由所述机器手(4)定位以及控制操作；

(C)多条所述传输光纤(2)所传导的光束在所述激光焊接头(5)内再次由所述聚焦透镜(51)会聚在焊接加工部位，并调整离焦量使激光光斑处于合理位置；

(D)保护气体通过柔性管路送入所述激光焊接头(5)内，以足够的流速由所述焊接头喷嘴(53)喷出，将工件加工部位的水排开，在此形成一个局部无水空间，激光的光束热量可以将该区域水分彻底烘干；

(E)调整激光的脉冲参数，使焊接熔池在激光的脉动冲击作用下充分振动，并合理选择激光器的输出能量；

(F)控制所述激光焊接头(5)的焊接速度，使其沿焊缝连续运动，实现连续焊接。

4.根据权利要求3所述海洋平台水下脉冲激光焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述焊接速度在每分钟0.5米至5米之间。

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