CN105149747B - 一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，包括超声换能器、复合焊炬、导电杆和绝缘套管，所述超声换能器与所述复合焊炬相连接，所述超声换能器和复合焊炬设置有相互连通的通孔，所述导电杆和绝缘套管设置在所述通孔内，所述绝缘套管套设在所述导电杆径向外侧，在所述绝缘套管和导电杆之间形成有空隙，还包括防水壳体和供气装置，所述超声换能器设置在所述防水壳体内，所述防水壳体与所述空隙相连通，所述防水壳体与所述供气装置相连通。本发明超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，利用超声波与保护气结合的方法进行水下焊接，采用超声波降低水压对电弧的影响，采用保护气增加电弧电离，提高电弧的稳定性，从而提高焊接质量。

Description

一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及水下焊接技术领域，特别是一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置及方法。
背景技术
随着对海洋的开发，水下焊接已经成为海洋结构安装和维修的重要技术手段，但是水下环境使得水下焊接过程比陆上要复杂，并且会产生各种各样陆地未出现的问题。目前水下湿法焊接是应用最为广泛的水下焊接方法，但是由于水的存在，会造成焊缝含氢量高，冷却速度快等问题，进而使焊缝产生淬硬组织；还会使导电介质密度增加，增加电离难度，电弧电压随之升高，电弧稳定性降低。
为解决水下湿法焊接过程中关键问题，中国专利申请号201310035956.0公开了一种改善水下湿法焊接接头组织性能的方法及装置，采用中/高频感应加热的方法对湿法焊接区域进行焊前的预热或焊后热处理，虽然对减少焊缝及热影响区淬硬组织、降低冷裂纹倾向等湿法焊接缺陷有一定效果，但是由于电弧导电是气体导电，此方法电弧仍然处在水介质中导致电弧电离难度加大，电弧稳定性降低。中国专利申请号201410066059.0公开了一种超声辅助水下湿法焊接方法，这种方法的特点是减少了电弧熄灭率，焊缝熔深增加，提高熔覆率，此种方法虽然排开水对电弧的影响，但电弧处于封闭的气囊内，也不利于电弧电离。日本国家工业研究所公开的刷式局部干法水下焊接，它是把钢刷喷嘴套在水下湿法焊炬上，这种钢刷喷嘴是采用不锈钢丝制成的，保护气体通入到钢刷喷嘴的内腔，腔内气压高于水压，将电弧周围的水排开，这种方法具有干式和湿式的特点，但是整个焊接过程需要消耗大量的惰性气体，增加了实际费用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置及方法，以解决现有技术中的技术问题。
根据本发明的第一方面，提供一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，包括超声换能器、复合焊炬、导电杆和绝缘套管，所述超声换能器的第一端与所述复合焊炬的第二端相连接，所述超声换能器和复合焊炬沿其轴向设置有相互连通的通孔，所述导电杆和绝缘套管设置在所述通孔内，所述绝缘套管套设在所述导电杆径向外侧，在所述绝缘套管的内壁和导电杆的外壁之间形成有环形的空隙，还包括防水壳体和供气装置，在所述防水壳体内形成密封腔体，所述超声换能器设置在所述密封腔体内，所述密封腔体与所述空隙相连通，所述密封腔体与所述供气装置相连通。
优选地，所述防水壳体的上端密封连接到所述导电杆的外壁上，所述防水壳体的下端密封连接在所述超声换能器的壳体上。
优选地，所述防水壳体的上端位于水面上方。
优选地，所述防水壳体的上端设置有防水管，所述防水管与所述防水壳体密封连接。
优选地，所述防水管远离所述防水壳体的一端位于水面上方。
优选地，焊丝为实心焊丝，所述供气装置提供的气体为氩气、二氧化碳、氩气和二氧化碳混合气或二氧化碳和氧气混合气或氩气、二氧化碳和氧气混合气；
或者，
焊丝为药芯焊丝，所述供气装置提供的气体为空气。
优选地，所述供气装置包括储气罐和调节阀，所述储气罐的出气口通过管道与所述防水壳体内部连通，所述调节阀设置在所述储气罐与防水壳体之间的管道上。
根据本发明的第二方面，提供一种利用上述超声辅助水下湿法气体保护焊接装置进行水下焊接的方法，包括如下步骤：
步骤一：由所述供气装置向所述防水壳体内供气；
步骤二：待所述复合焊炬未与所述超声换能器连接的一端处有气体流出时，由移动装置带动所述超声换能器和复合焊炬移动到待焊接部位的上方；
步骤三：待所述复合焊炬有均匀的气泡产生后，打开超声电源，并调节超声参数；
步骤四：待所述超声换能器预先工作一段时间后，打开焊接电源，调整焊接参数，形成电弧后，启动所述移动装置，带动所述超声换能器和复合焊炬沿所述带焊接部位的走向移动进行焊接；
步骤五：焊接结束后先关闭所述焊接电源，然后再关闭所述超声电源，待所述复合焊炬离开水面后再关闭所述储气罐上的调节阀门。
优选地，所述供气装置的送气量为15～50L/min。
优选地，所述超声换能器预先工作时间为0～5s。
本发明提供的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置及方法，利用超声波与保护气结合的方法进行水下焊接，采用超声波降低水压对电弧的影响，采用保护气增加电弧电离，提高电弧的稳定性，从而提高焊接质量。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明超声辅助水下湿法气体保护焊接装置的结构示意图；
图2为本发明水下焊接过程示意图；
图3为本发明超声辅助水下湿法气体保护焊接装置另一实施例结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明提供的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置利用保护气与超声波结合辅助水下湿法焊接的方法来提高水下湿法焊接的质量，将水对焊接质量的影响降到最低。下面结合具体实施例对本发明超声辅助水下湿法气体保护焊接装置的结构及使用方法进行详细介绍：
如图1所示，本发明提供的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置包括焊接部、超声波发生部和供气部，所述焊接部包括焊接电源1、复合焊炬2、导电杆3、导电嘴4、焊丝5和送丝装置6，所述导电嘴4连接至所述导电杆3的第一端，所述焊炬2沿其轴向设置有通孔，所述导电杆3的第一端沿所述复合焊炬2上的通孔穿过所述复合焊炬2，并使所述导电嘴4露出在所述复合焊炬2的第一端外侧。所述导电杆3与焊接电源1通过导线连接，所述导电杆3及导电嘴4沿其轴向方向设置有送丝孔，所述焊丝5通过所述送丝装置6通过所述送丝孔由所述导电杆3的第二端插入所述导电杆3内，然后在所述送丝装置6的作用下将所述焊丝5的端部送至所述导电嘴4处，并使所述焊丝5的端部露出在所述导电嘴4的外侧。所述超声波发生部包括超声电源7、超声换能器8和防水壳体9，所述超声换能器8设置在所述防水壳体9内，所述防水壳体9形成密封腔体，所述防水壳体9的上端与所述导电杆3的外壁密封连接，所述防水壳体9的下端与所述超声换能器8的外壁密封连接；所述超声电源7设置在所述防水壳体9外侧，并通过导线与所述超声换能器8连接。所述复合焊炬2的第二端与所述超声换能器8的第一端连接，优选地，通过螺纹连接，且所述超声换能器8上沿其轴向方向设置有通孔，所述超声换能器8与所述复合焊炬2连接后，所述超声换能器8上的通孔与所述复合焊炬2上的通孔连通，所述导电杆3由所述超声换能器8的第二端插入，并完全贯穿所述超声换能器8及复合焊炬2，且所述导电杆3的第二端位于所述防水壳体9的外侧，优选地，所述防水壳体9与所述导电杆3、超声电源7的导线及复合焊炬2接触的部分均做密封处理，使所述超声换能器8处于密封的环境中。优选地，还设置有绝缘管10，所述绝缘管10设置在所述超声换能器8及复合焊炬2上的通孔内，其内径大于所述导电杆3的外径，所述导电杆3设置在所述绝缘管10内，使所述绝缘管10的内壁与所述导电杆3的外壁之间形成有环形空隙。所述供气部包括储气罐11，所述储气罐11的出口通过管道与所述防水壳体9连接，用于向所述防水壳体9内提供气体，所述气体充满所述防水壳体9，并通过所述绝缘管10与所述导电杆3之间的空隙排出，防止水通过所述空隙进入所述防水壳体9内。所述储气罐11与防水壳体9的连接管路上设置有调节阀12，用于控制向所述防水壳体9内提供的气体的量。本发明提供的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置还包括移动装置(图中未示出)，所述防水壳体9固定到所述移动装置上，并由所述移动装置带动所述焊接部和超声波发生部移动，如果在工作工程中保持所述防水壳体9的上端位于水面上方，这样不需要额外防水措施，避免所述导电杆3与水接触。在另一优选实施例中，如果在工作工程中保持所述防水壳体9的上端位于水面下方，就需要在所述防水壳体9上端设置有防水管14(如图3所示)，所述防水管14密封连接在所述防水壳体9上端，并使所述导电杆3的第二端位于所述防水管14内侧。所述防水管14的长度根据水深的需要设定，使所述超声辅助水下湿法气体保护焊接装置工作时所述防水管14远离所述防水壳体9的一端位于水面上方。
本发明提供的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置的使用方法为：
打开所述储气罐11上的调节阀12向所述防水壳体9内供气，优选地，送气流量设定为15～50L/min，待所述复合焊炬2的第一端处有气体流出时，启动所述移动装置带动所述超声波发生部和焊接部移动到水中，并使所述复合焊炬2的第一端，即所述导电嘴4移动到焊件13的上方，优选地，距离所述焊件13为10～20mm，同时保证所述防水壳体9的上端(或所述防水管14远离所述防水壳体的一端)位于水面上方，避免水进入所述导电杆3中的送丝孔。待所述复合焊炬2的第一端处有均匀的气泡产生后，打开所述超声电源7，并调节超声参数，优选地，振动频率为10～50kHz，所述超声换能器8将所述超声电源7输出的电信号转换成机械振动，并作用于所述复合焊炬2的第一端与待焊接部位附近的水介质，利用超声的空化作用在所述导电嘴4附近形成气囊，如图2所示，同时，所述复合焊炬2第一端排出的气体有一部分可进入所述护气囊中，使气囊内部与外部的压力差减小，进而减小气囊的压缩量，使电弧更容易电离，电弧稳定性增加。待所述超声换能器8工作一段时间后，优选工作0～5s后，打开所述焊接电源1，调整焊接参数，即焊接电流优选为100～200A，焊接电压优选为21～39V，形成电弧后，启动所述移动装置，带动所述超声换能器8和复合焊炬2沿所述焊件13的走向移动进行焊接。焊接的过程中所述送丝装置6根据焊丝消耗量进行送丝。焊接结束后先关闭所述焊接电源1，然后再关闭所述超声电源7，待所述复合焊炬2离开水面后再关闭所述储气罐11上的调节阀门12。
优选地，所述储气罐11内的气体，根据所述焊丝5的类型进行选择，具体如下：
实施例一：
当所述焊丝5选用实心焊丝时，由于实心焊丝不具有造气、造渣的功能，所述储气罐11内的气体可选用GMAW(gas metal arc welding，熔化极气体保护焊)方法所需的气体，即氩气、CO2、氩气+CO2、氩气+CO2+氧气、CO2+氧气等，保护气的选择主要根据金属的材质和焊接厚度确定，例如：铝及铝合金一般采用氩气+2％CO2，不锈钢及高强钢采用氩气+(1-2％氧气或5％CO2)，碳钢及低合金钢采用氩气+(20-30％CO2或20％氧气)。
实施例二：
当所述焊丝5选用药芯焊丝时，由于药芯焊丝具有造气、造渣的作用(自保护作用)，导入的气体可以是空气也可以是GMAW方法所需要的混合气体。
本发明利用超声的空化作用在电弧周围形成气囊，排开水对电弧的影响，使电弧能够在气氛围中进行焊接，利用超声的声流效应，使电弧空间周围的水呈现稳定的束流状流动，减少外界波动对电弧的影响，在此基础上将保护气通过绝缘套管导入到电弧区域，向电弧空间提供气体介质以及起到保护作用，包括保护电弧、保护被焊件(焊接区整体)，避免受到水的影响，这种方法将超声辅助水下湿法焊接转变为类似于陆上的超声熔化极气体保护焊，减少了水下湿法焊接中常见的电弧偏吹和电弧熄灭率，焊缝成形均匀，降低了焊接缺陷率；另外，本发明采用超声和熔化极气体保护焊相结合，在一定程度上能够增加焊缝熔深，细化焊缝晶粒，降低水下湿法焊接中焊缝冷却速度，解决了水下湿法焊接直接在水下施焊的关键难题，实现电弧稳定燃烧，这对于提高水下湿法焊接接头质量具有重要的意义。
本发明提供的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置不仅适用于水下焊接(包括水下湿法焊接、水下局部干法焊接、水下干法焊接)，还适用于空气中的熔化极气体保护焊。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，包括超声换能器、复合焊炬、导电杆和绝缘套管，所述超声换能器的第一端与所述复合焊炬的第二端相连接，所述超声换能器和复合焊炬沿其轴向设置有相互连通的通孔，所述导电杆和绝缘套管设置在所述通孔内，所述绝缘套管套设在所述导电杆径向外侧，在所述绝缘套管的内壁和导电杆的外壁之间形成有环形的空隙，其特征在于，
还包括防水壳体和供气装置，在所述防水壳体内形成密封腔体，所述超声换能器设置在所述密封腔体内，所述密封腔体与所述空隙相连通，所述密封腔体与所述供气装置相连通，
所述供气装置包括储气罐和调节阀，所述储气罐的出气口通过管道与所述防水壳体内部连通，用于向所述防水壳体内提供气体，所述气体充满所述防水壳体，并通过所述绝缘管与所述导电杆之间的空隙排出，防止水通过所述空隙进入所述防水壳体内，
所述调节阀设置在所述储气罐与防水壳体之间的管道上。
2.根据权利要求1所述的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，其特征在于，所述防水壳体的上端密封连接到所述导电杆的外壁上，所述防水壳体的下端密封连接在所述超声换能器的壳体上。
3.根据权利要求2所述的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，其特征在于，所述防水壳体的上端位于水面上方。
4.根据权利要求1所述的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，其特征在于，所述防水壳体的上端设置有防水管，所述防水管与所述防水壳体密封连接。
5.根据权利要求4所述的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，其特征在于，所述防水管远离所述防水壳体的一端位于水面上方。
6.根据权利要求1所述的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置，其特征在于，焊丝为实心焊丝，所述供气装置提供的气体为氩气、二氧化碳、氩气和二氧化碳混合气或二氧化碳和氧气混合气或氩气、二氧化碳和氧气混合气；
或者，
焊丝为药芯焊丝，所述供气装置提供的气体为空气。
7.一种利用权利要求1～6任一项所述的超声辅助水下湿法气体保护焊接装置进行水下焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：由所述供气装置向所述防水壳体内供气；
步骤二：待所述复合焊炬未与所述超声换能器连接的一端处有气体流出时，由移动装置带动所述超声换能器和复合焊炬移动到待焊接部位的上方；
步骤三：待所述复合焊炬有均匀的气泡产生后，打开超声电源，并调节超声参数；
步骤四：待所述超声换能器预先工作一段时间后，打开焊接电源，调整焊接参数，形成电弧后，启动所述移动装置，带动所述超声换能器和复合焊炬沿所述待焊接部位的走向移动进行焊接；
步骤五：焊接结束后先关闭所述焊接电源，然后再关闭所述超声电源，待所述复合焊炬离开水面后再关闭所述储气罐上的调节阀门。
8.根据权利要求7所述的水下焊接方法，其特征在于，所述供气装置的送气量为15～50L/min。
9.根据权利要求7所述的水下焊接方法，其特征在于，所述超声换能器预先工作时间为0～5s。
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