CN103302396B - 一种水下机器人摩擦焊接系统及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下机器人摩擦焊接系统及其焊接方法，所述系统包括支架、焊枪、夹具；所述夹具包括夹具台和对称设置在夹具台上的一对夹臂，所述夹臂一端活动连接在夹具台上并通过液压控制，所述夹具台中央具有对位通孔，所述焊枪前端对应对位通孔垂直固定在夹具台上；所述支架上设置有通过液压控制的垂直升降台，所述夹具台固定连接在所述支架的垂直升降台上。本发明的水下机器人摩擦焊接系统，使用摩擦焊技术将焊接螺栓焊接到海底管道壁上，从而使得海底管道牺牲阳极的安装及更换过程简便快捷，焊接质量高，对管道损伤小，且通过ROV可实现精确定位，无需人员水下操作。避免了施工人员水下操作的风险，降低了施工成本，提高了施工效率。

Description

一种水下机器人摩擦焊接系统及其焊接方法

技术领域

本发明涉及海底管道维护技术领域，尤其涉及一种水下机器人摩擦焊接系统及其焊接方法。

背景技术

在海洋工业中，经常需要在海水中安设钢结构，铺设海底管道等，特别是在海洋石油工业中，海底输油管道、钻井架等都需要长期在海水中工作，为了延长海底管道、钢结构件的使用寿命，必须对其采取有效的防腐蚀措施，否则很容易被海水腐蚀掉。为防止海水腐蚀，通用方法是采用牺牲阳极保护，传统的牺牲阳极的做法主要是通过焊接的方式进行安装，在需要安装或更换阳极时需要投入大量的人力和花费较长的工期，作业过程对于水下作业人员来说，劳动强度大，作业风险高，工作效率也较低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水下机器人摩擦焊接系统及其焊接方法，旨在解决目前海底管道阳极安装效率低，作业人员劳动强度大的问题。

本发明的技术方案如下：

一种水下机器人摩擦焊接系统，所述系统设置在水下机器人本体上，所述系统通过水下机器人控制中心控制，其中，所述系统包括支架、设置在所述支架上的焊枪、以及设置在所述支架上用于夹持海底管道的夹具；

所述夹具包括框架结构的夹具台和对称设置在夹具台上的一对夹臂，所述夹臂一端活动连接在夹具台上并通过液压进行控制，所述夹具台中央具有对位通孔，所述焊枪前端对应对位通孔垂直固定在夹具台上；所述支架上设置有通过液压控制的垂直升降台，所述夹具台固定连接在所述支架的垂直升降台上。

所述的水下机器人摩擦焊接系统，其中，所述夹具台底面设置有对称分布的用于抵持海底管道的抵持块，所述抵持块为楔形结构，所述抵持块的抵持平面的曲率半径与海底管道的一致。

所述的水下机器人摩擦焊接系统，其中，所述夹臂包括支撑臂和抵持臂，所述支撑臂的一端固定连接抵持臂，另一端枢接在所述夹具台上；

所述支撑臂上还设置有液压泵，所述液压泵的一端枢接在支撑臂的中段，所述液压泵的另一端枢接在所述夹具台上；

所述抵持臂用于与海底管道接触的接触面与海底管道相适配。

所述的水下机器人摩擦焊接系统，其中，所述支架包括两条垂直导轨和设置在两垂直导轨之间的顶部横杆、底部横杆，所述顶部横杆水平设置在两垂直导轨的顶端，所述底部横杆水平设置在两垂直导轨的近下端。

所述的水下机器人摩擦焊接系统，其中，所述垂直升降台中央设置有与垂直升降台镙接的垂直螺杆，所述垂直螺杆两端分别枢接于顶部横杆和底部横杆上，所述垂直升降台通过垂直螺杆沿两垂直导轨上下运动。

所述的水下机器人摩擦焊接系统，其中，所述焊枪包括液压驱动装置和焊枪头，所述焊枪头夹持焊接螺栓，所述液压驱动装置带动焊枪头旋转将焊接螺栓焊接在海底管道壁上；

所述焊枪前端还设置用于抵靠在海底管道上的抵靠罩，所述焊枪头设置在抵靠罩中并在抵靠罩中做垂直上下移动。

所述的水下机器人摩擦焊接系统，其中，所述焊枪头的前端由前向后设置有螺母槽和螺栓固定槽，所述螺母槽为内六角槽，所述内六角槽与所述焊接螺栓对应的六角螺母形状适配，所述内六角槽中间设置用于螺栓通过的通孔；

所述螺栓固定槽的槽壁设置有凸出于槽壁的弹性件，所述焊接螺栓通过与弹性件的过盈配合固定在螺栓固定槽中。

所述的水下机器人摩擦焊接系统，其中，所述系统还包括设置在所述焊枪上的数据采集装置，所述数据采集装置实时采集施工数据并将施工数据传输至水下机器人控制中心；所述数据采集装置包括焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器，所述焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器与所述水下机器人控制中心电性连接。

一种利用如上所述水下机器人摩擦焊接系统的焊接方法，其中，包括以下步骤：

A、接收操作人员的操作指令通过水下机器人控制中心控制水下机器人接近待施工海底管道后，将水下机器人摩擦焊接系统的支架下端对准海底管道使所述海底管道卡入支架的两垂直导轨之间；

B、通过支架的垂直升降台调节夹具台的高度，使预先装有油脂的焊枪抵靠罩抵靠在海底管道壁上，然后夹臂通过液压控制夹住海底管道进行固定；

C、焊枪头伸出焊枪壳体并通过液压驱动装置旋转将其所夹持的焊接螺栓焊接在海底管道壁上，所述焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器将施工数据实时传输给水下机器人控制中心，所述水下机器人控制中心根据施工数据控制水下机器人摩擦焊接系统的焊接过程。

有益效果：本发明提供的水下机器人摩擦焊接系统及其焊接方法，使用摩擦焊技术将焊接螺栓/螺钉焊接到海底管道壁上，并可进一步连接锌块作为牺牲阳极，从而使得海底管道牺牲阳极的安装及更换过程简便快捷，焊接质量高，对管道损伤小，且通过ROV可实现精确定位，无需人员水下操作。避免了施工人员水下操作所带来的风险，降低了施工成本，提高了施工效率。

附图说明

图1为本发明的水下机器人摩擦焊接系统的结构示意图。

图2为本发明的水下机器人摩擦焊接系统的夹具结构示意图。

图3为本发明的水下机器人摩擦焊接系统的支架结构示意图。

图4为本发明的水下机器人摩擦焊接系统的焊枪结构示意图。

图5为本发明的水下机器人摩擦焊接系统的焊枪前端结构示意图。

图6为本发明的水下机器人摩擦焊接系统的焊枪头局部剖面结构示意图。

图7为本发明的水下机器人摩擦焊接系统所用的焊接螺栓结构示意图。

图8为本发明的水下机器人摩擦焊接系统的焊接方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种水下机器人摩擦焊接系统及其焊接方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在海底管道的维护及其牺牲阳极的安装更换等施工工作中，本发明通过使用水下机器人（ROV）设备代替传统的潜水员人工操作的做法，使得施工效率明显提高，同时也消除了水下作业的风险，减轻了施工人员的劳动强度。

如图1所述的水下机器人摩擦焊接系统100设置在水下机器人本体200上，所述水下机器人摩擦焊接系统100通过水下机器人控制中心控制，所述系统包括支架110、设置在支架上的焊枪120、以及设置在支架上用于夹持海底管道300的夹具130。如图2所示，所述夹具130包括框架结构的夹具台131和对称设置在夹具台上的一对夹臂132，所述夹臂132一端活动连接在夹具台131上并通过液压进行控制。其中，所述夹臂132包括支撑臂137和抵持臂136，所述支撑臂137的一端固定连接抵持臂136，另一端枢接在所述夹具台131上。较佳的是，所述抵持臂136用于与海底管道300接触的接触面与海底管道相适配，即所述抵持臂136与海底管道的接触面的曲率半径与海底管道的曲率半径一致。所述支撑臂137上还设置有液压泵135，所述液压泵135的一端枢接在支撑臂137的中段，所述液压泵的另一端枢接在所述夹具台131上。通过液压泵实行对夹臂控制从而控制夹臂的打开角度及夹持力度。

另外，所述夹具台131底面设置有对称设置的用于抵持海底管道300的抵持块134，所述抵持块134为楔形结构，所述抵持块134的抵持平面的曲率半径与海底管道的一致。这样，配合夹臂的夹持作用，夹具台紧密贴合在海底管道管壁上，保证了夹具的连接稳定性，为下一步摩擦焊接提供条件。

所述夹具台131中央具有对位通孔133，所述焊枪120前端对应对位通孔133并垂直固定在夹具台131上。

如图3所示所示，所述支架110上设置有通过液压控制的垂直升降台114，所述夹具的夹具台131通过垂直升降台114上的连接臂116进行连接从而固定在垂直升降台上。其中，所述支架110还包括两条垂直导轨113和设置在两垂直导轨113之间的顶部横杆111、底部横杆112，所述顶部横杆111水平设置在两垂直导轨113的顶端，所述底部横杆112水平设置在两垂直导轨113的近下端，使得支架下端形成倒U型结构，该结构可用于卡合到海底管道300上对水下机器人进行初步固定。

所述垂直升降台114中央设置有与垂直升降台镙接的垂直螺杆115，所述垂直螺杆115两端分别枢接于顶部横杆111和底部横杆112上，所述垂直升降台114通过垂直螺杆115控制沿两垂直导轨113进行上下运动，所述垂直螺杆顶端连接液压控制系统，为垂直升降台的运动提供动力。较佳的是，两垂直导轨上连续设置圆形孔，这样既可减轻水下机器人摩擦焊接系统的总重量，提高系统的灵活性，也通过该结构提高了垂直导轨的强度。

如图4所示，所述焊枪120包括液压驱动装置和焊枪头122，所述焊枪头122夹持焊接螺栓，所述液压驱动装置带动焊枪头122旋转将焊接螺栓焊接在海底管道壁上。所述液压驱动装置包括直接提供动力的柱塞马达160、传动齿轮129、用于焊枪头伸缩的电磁吸合器128和磁力吸合片127。所述柱塞马达160位于焊枪后端并由液压驱动，所产生的驱动力通过传动齿轮129传递给焊枪头122，所述焊枪头122和磁力吸合片127分别与传动齿轮129的轴承进行过盈配合。焊枪头122在工作状态时随着焊接螺栓的前进逐渐从焊枪壳体中伸出，而不工作时大部分则可收缩至壳焊枪体中，这一功能是通过电磁吸合器128与磁力吸合片127配合实现。在弹簧125的作用下，焊枪头122处于复位状态，当电磁吸合器128通电后，磁力吸合片127被吸合，这样使得焊枪头122处于受压状态，继而对焊接螺栓持续施以压力。另外，磁力吸合片127在180°对角的位置设置有两个凸起，用以与焊枪壳体上对应设置的凹槽进行配合，从而有效防止磁力吸合片127产生旋转。

所述焊枪前端还设置用于抵靠在海底管道上的抵靠罩121，所述焊枪头在抵靠罩121中垂直上下移动。所述抵靠罩一方面为焊枪头122的焊接提供支撑，另一方面其内预先装填固体油脂，在摩擦焊接过程中，通过油脂隔绝焊接螺栓摩擦焊接部位与海水的接触，保证了焊接温度能够高于100℃，实现了焊接螺栓的焊接螺栓。所述抵靠罩侧壁上对称设置有通孔，该通孔保证了海水压力能够均匀施加到内部的油脂上，使得油脂紧靠中间的焊接螺栓，进一步密封避免海水进入焊接部位，密封摩擦焊接的空间。

另外，较佳的是，与水下机器人控制中心电性连接的数据采集装置包括焊枪头转速传感器142、压力传感器141、位移传感器143，所述焊枪头转速传感器142、压力传感器141、位移传感器143均设置在所述焊枪上。通过焊枪头传感器142检测焊枪头122的的转速，并将数据实时传输给水下机器人控制中心，水下机器人控制中心根据转速数据对焊接过程进行调整和控制；通过压力传感器141和位移传感器143检测焊接螺栓通过摩擦焊进入海底管道壁的深度并将数据实时传输给水下机器人控制中心，水下机器人控制中心根据上述数据调整水下机器人摩擦焊接系统的焊接状态，保证焊接螺栓焊入海底管道壁足够深度同时又保证不出现焊穿管壁的事故。

具体实施过程中，焊枪120工作位置到位后，电磁吸合器128通电，磁力吸合片127处于被吸合状态，此时，压力传感器141受压，此时焊枪头对海底管道壁的压力等于磁力吸合器吸力减去压力传感器的压力，因此利用压力传感器信号，水下机器人控制中心可获知焊接螺栓的受压情况。焊枪头工作时，焊枪头转速传感器142对其转速进行感应并将信号实时传回水下机器人控制中心。位移传感器143在受到一定拉力后也产生工作信号，同样，该工作信号实时传回水下机器人控制中心，水下机器人控制中心按照预先设定的位移参数、压力参数、转速参数对焊枪的工作状态进行控制，使最终焊接头的工作压力和位移量达到设定值后停止，焊接完成。其中，焊接所需的压力和位移参数是在陆地经多次试验得出的数据来进行确定。

如图5所示，所述焊枪上还设置固定板170，将焊枪120前端对准夹具台的对位通孔133使得抵靠罩121进入对位通孔133，并用螺栓将固定板170和夹具台131连接固定，这样夹具台的上下移动也成为了焊枪的上下移动，通过调整夹具台与海底管道的相对距离使得焊枪与海底管道之间保持合适的距离，为焊接工作创造条件。

如图5、6、7所示，所述焊枪头122的前端由外向里设置有螺母槽123和螺栓固定槽124，所述螺母槽123为内六角槽，所述内六角槽与所述焊接螺栓150对应的六角螺母151形状适配，所述内六角槽中间设置用于螺栓通过的通孔；所述螺栓固定槽124的槽壁设置有凸出于槽壁的弹性件126，所述弹性件126与所述焊接螺栓150的后端152过盈配合，焊接螺栓152插入螺栓固定槽124后被固定，较佳实施例中，所述弹性件126可使用弹性橡胶圈，弹性橡胶圈卡入螺栓固定槽壁上预置的环状条形槽，焊接螺栓150的后端通过与其过盈配合而得以固定。这样就避免了摩擦焊接过程的高速旋转所导致的焊接螺栓倾斜，松动的问题，保证了焊接质量。

如图8所示的利用上所述水下机器人摩擦焊接系统的焊接方法，包括以下步骤：

S100、接收操作人员的操作指令通过水下机器人控制中心控制水下机器人接近待施工海底管道后，将水下机器人摩擦焊接系统的支架下端对准海底管道使所述海底管道卡入支架的两垂直导轨之间。

水下机器人本体上同时设置有浮力装置、动力装置及液压配套装置等，在施工船只到达施工海域后，将水下机器人吊入水中，同时船上操作人员利用水下机器人控制中心并通过水下机器人连接的脐带线对其进行控制，使其靠近待施工海底管道，并最终调整姿态将将水下机器人摩擦焊接系统的支架下端对准海底管道使所述海底管道卡入支架下端的倒U型结构中实现初步固定。

S200、通过支架的垂直升降台调节夹具台的高度，使预先装有油脂的焊枪抵靠罩抵靠在海底管道壁上，然后夹臂通过液压控制夹住海底管道进行固定。

初步固定完成后，船上操作人员控制水下机器人摩擦焊接系统支架的垂直升降台进行上下移动，通过位移传感器，压力传感器、水下摄像头等状态检测设备确定垂直升降台的位置，使预先装有油脂的焊枪抵靠罩能够抵靠在海底管道管壁上，这样就做好了焊接前准备

S300、焊枪头伸出焊枪壳体并通过液压驱动装置旋转将其所夹持的焊接螺栓焊接在海底管道壁上，所述焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器将施工数据实时传输给水下机器人控制中心，所述水下机器人控制中心根据施工数据控制水下机器人摩擦焊接系统的焊接过程。

焊枪头通过磁吸过程伸出焊枪壳体进入工作状态，然后在液压驱动装置的驱动下高速旋转，带动其前段夹持的螺栓高速旋转进而通过与海底管道壁的摩擦形成高温使得接触点的螺栓和海底管道壁融化融合，最终焊接螺栓焊接在海底管道壁上。此过程，抵靠罩中的油脂起到了隔离海水与焊接部位的作用，使得焊接温度能够高于100℃。完焊接后，焊枪在垂直升降台的带动下向上移动，最终实现焊接螺栓与焊枪头的分离。然后再通过所焊接的焊接螺栓连接牺牲阳极锌块，最终完成施工。较佳的是，锌块可预先与焊接螺栓连接，在焊接螺栓焊接完毕后，锌块也一起释放，这样施工效率更高。

水下机器人控制中心通过水下机器人上设置的摄像头传输的实时画面对焊接过程进行控制，同时也通过焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器等其它检测装置传输的实时数据对焊接过程进行判断和监控。水下机器人控制中心根据实时施工数据调整水下机器人摩擦焊接系统的工作状态，保证摩擦焊接过程准确无误，例如通过压力传感器和位移传感器检测的数据，水下机器人控制中心判断焊枪头将焊接螺栓已经通过摩擦焊焊入海底管道壁的规定深度，此时则及时停止焊枪头的转动，稍等焊接螺栓稳固后，取下焊枪，焊接工作完成。

本发明提供的水下机器人摩擦焊接系统，使用摩擦焊技术将焊接螺栓/螺钉焊接到海底管道壁上，并可进一步连接锌块作为牺牲阳极，从而使得海底管道牺牲阳极的安装及更换过程简便快捷，焊接质量高，对管道损伤小，且通过ROV可实现精确定位，无需人员水下操作。避免了施工人员水下操作所带来的风险，降低了施工成本，提高了施工效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种水下机器人摩擦焊接系统，所述系统设置在水下机器人本体上，所述系统通过水下机器人控制中心控制，其特征在于，所述系统包括支架、设置在所述支架上的焊枪、以及设置在所述支架上用于夹持海底管道的夹具；

所述夹具包括框架结构的夹具台和对称设置在夹具台上的一对夹臂，所述夹臂一端活动连接在夹具台上并通过液压进行控制，所述夹具台中央具有对位通孔，所述焊枪前端对应对位通孔垂直固定在夹具台上；所述支架上设置有通过液压控制的垂直升降台，所述夹具台固定连接在所述支架的垂直升降台上；

其中，所述焊枪包括液压驱动装置和焊枪头，所述焊枪头夹持焊接螺栓，所述液压驱动装置带动焊枪头旋转将焊接螺栓焊接在海底管道壁上；

所述焊枪前端还设置用于抵靠在海底管道上的抵靠罩，所述焊枪头设置在抵靠罩中并在抵靠罩中做垂直上下移动；所述抵靠罩内预先装填固体油脂，所述抵靠罩侧壁上对称设置有通孔，所述通孔保证了海水压力能够均匀施加到内部的油脂上，使得油脂紧靠中间的焊接螺栓；

所述焊枪上设置固定板，焊枪前端对准夹具台的对位通孔使得抵靠罩进入对位通孔，并用螺栓将固定板和夹具台连接固定。

2.根据权利要求1所述的水下机器人摩擦焊接系统，其特征在于，所述夹具台底面设置有对称分布的用于抵持海底管道的抵持块，所述抵持块为楔形结构，所述抵持块的抵持平面的曲率半径与海底管道的一致。

3.根据权利要求1所述的水下机器人摩擦焊接系统，其特征在于，所述夹臂包括支撑臂和抵持臂，所述支撑臂的一端固定连接抵持臂，另一端枢接在所述夹具台上；

所述支撑臂上还设置有液压泵，所述液压泵的一端枢接在支撑臂的中段，所述液压泵的另一端枢接在所述夹具台上；

所述抵持臂用于与海底管道接触的接触面与海底管道相适配。

4.根据权利要求1所述的水下机器人摩擦焊接系统，其特征在于，所述支架包括两条垂直导轨和设置在两垂直导轨之间的顶部横杆、底部横杆，所述顶部横杆水平设置在两垂直导轨的顶端，所述底部横杆水平设置在两垂直导轨的近下端。

5.根据权利要求4所述的水下机器人摩擦焊接系统，其特征在于，所述垂直升降台中央设置有与垂直升降台螺接的垂直螺杆，所述垂直螺杆两端分别枢接于顶部横杆和底部横杆上，所述垂直升降台通过垂直螺杆沿两垂直导轨上下运动。

6.根据权利要求1所述的水下机器人摩擦焊接系统，其特征在于，所述焊枪头的前端由前向后设置有螺母槽和螺栓固定槽，所述螺母槽为内六角槽，所述内六角槽与所述焊接螺栓对应的六角螺母形状适配，所述内六角槽中间设置用于螺栓通过的通孔；

所述螺栓固定槽的槽壁设置有凸出于槽壁的弹性件，所述焊接螺栓通过与弹性件的过盈配合固定在螺栓固定槽中。

7.根据权利要求1所述的水下机器人摩擦焊接系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述焊枪上的数据采集装置，所述数据采集装置实时采集施工数据并将施工数据传输至水下机器人控制中心；所述数据采集装置包括焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器，所述焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器与所述水下机器人控制中心电性连接。

8.一种利用如权利要求7所述水下机器人摩擦焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、接收操作人员的操作指令通过水下机器人控制中心控制水下机器人接近待施工海底管道后，将水下机器人摩擦焊接系统的支架下端对准海底管道使所述海底管道卡入支架的两垂直导轨之间；

B、通过支架的垂直升降台调节夹具台的高度，使预先装有油脂的焊枪抵靠罩抵靠在海底管道壁上，然后夹臂通过液压控制夹住海底管道进行固定；

C、焊枪头伸出焊枪壳体并通过液压驱动装置旋转将其所夹持的焊接螺栓焊接在海底管道壁上，所述焊枪头转速传感器、压力传感器、位移传感器将施工数据实时传输给水下机器人控制中心，所述水下机器人控制中心根据施工数据控制水下机器人摩擦焊接系统的焊接过程。