CN106475732B - 一种水下设施激光增材修复的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下设施激光增材修复的方法与装置，特指一种包括超声检测，机械磨削，激光增材修复以及超声冲击强化四种功能的水下6自由度机器人，主要包括动力单元，超声单元，激光增材修复单元，机械磨削单元。其中，动力单元用于驱动装置并调整其姿态，机械单元用于激光增材修复的前后处理，激光增材修复单元采用干式修复法，对缺陷进行修补，超声单元用于检测裂纹，并在修复后辅以超声冲击强化。该装置能够对水下设施表面的裂纹，缺口进行精确修补，并进行超声冲击强化，提高其使用寿命。

Description

一种水下设施激光增材修复的方法与装置

技术领域

本发明属于水下设施激光增材修复领域，特别是一种水下设施激光增材修复的方法与装置。

背景技术

海洋蕴藏着丰富的油气资源以及广阔的建设空间，随着我国原油对外依存度逐年攀高，加快海洋石油开发的需求愈发迫切，大力发展海洋石油勘探开发技术并不断向海洋进军，对我国经济发展和能源安全具有非常重要的战略意义。随着海洋油气资源大开发时代的到来，大量的海洋工程建设和维护工作需要先进的水下制造技术作为支撑。水下制造技术已成为采油平台、输油管道和海底仓库等大型海洋结构物组装、维护及维修的关键所在。

随着海洋工业的发展，大量的海底设施出现裂纹，缺损等缺陷，如不及时维修将会导致整个设施的报废。目前的修补方式主要采用人工水下补焊的方式，该方式作业强度大，安全系数低，潜水员的人身安全难以保障。人工水下作业时间受氧气供给的限制，水下高强度作业环境导致人工修复质量差、效率低，因此急需开发一套自动化机械系统替代人工作业。基于以上技术的不足，本发明提出一种水下6自由度激光增材修复的方法与装置，它能够有效解决现有技术的弊端，提高修复质量与效率。

发明内容

本发明的目的在于克服人工水下作业成本高、工作时间短效率低、修复质量低、危险系数高的弊端，提供一种水下设施激光增材修复的方法与装置。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种水下设施激光增材修复装置，包括动力单元、超声单元、激光增材修复单元、机械磨削单元，且所述超声单元、激光增材修复单元、机械磨削单元均设置于动力单元上；

所述动力单元包括控制箱，所述动力单元用于通过对控制箱的控制实现动力单元的6个自由度的运动；

所述超声单元用于检测裂纹，并在修复后辅以超声冲击强化；

所述激光增材修复单元用于采用干式修复法，对缺陷进行修补；

所述机械磨削单元用于激光增材修复的前后处理。

进一步的，所述动力单元包括长方形箱体和控制箱，所述控制箱设置于长方形箱体内，位于长方形箱体的中后部，所述长方形箱体包括5块驱动面板和前挡板，所述驱动面板分别为上驱动面板、下驱动面板、左驱动面板、右驱动面板以及尾部驱动面板，且上驱动面板、下驱动面板、左驱动面板、右驱动面板、尾部驱动面板以及前挡板围成一个长方体；

其中上驱动面板和下驱动面板分别均布有4个螺旋桨，左右驱动面板以及尾部驱动面板分别设有2个螺旋桨；

所述控制箱分别与这14个螺旋桨连接，且所述控制箱用于控制动力单元内14个螺旋桨的动作，实现长方形箱体的6个自由度的运动。

进一步的，所述长方形箱体上设置有总线，所述总线包括光纤、保护气体通路、主作业气体通路、侧作业气体通路、送丝管，以及控制导线，所述总线通过控制导线传输控制信号给控制箱，通过保护气体通路、主作业气体通路、侧作业气体通路传输气体给激光增材修复单元，通过送丝管传输金属丝给激光增材修复单元。

进一步的，所述6个自由度为沿x轴、y轴、z轴方向的移动以及绕x轴、y轴、z轴三个轴的转动，即上下左右移动以及各个方向的360度转动。

进一步的，所述控制箱内还设有定位系统。

进一步的，所述超声单元包括短机械臂、超声探伤仪、超声冲击枪，所述超声单元位于所述长方形箱体靠近前挡板一侧，且所述短机械臂一端安装于所述长方形箱体内部，另一端通过前挡板伸出在长方形箱体外；

所述超声冲击枪的底部安装于长方形箱体内部，而超声冲击枪的枪头通过前挡板伸出在长方形箱体外；

所述超声探伤仪的底部安装于长方形箱体内部，而超声探伤仪的探伤头通过前挡板伸出在长方形箱体外；且所述短机械臂的夹持头夹持超声探伤仪的探伤头；

所述长方形箱体外部设有视觉监控设备，所述短机械臂的夹持头夹持超声探伤仪的探伤头配合所述视觉监控设备对修补区域进行探伤检测并打上标记。

进一步的，所述增材修复单元包含液压微调杆、排水腔、激光头；

所述排水腔设置于长方形箱体的外侧，而所述激光头设置于排水腔上，且所述激光头与排水腔滑动连接；所述液压微调杆一端设置于与长方形箱体内，另一端与激光头连接，所述液压微调杆用于固定及微调所述激光头的角度与位置，并可以将激光头收回所述长方形箱体内部；所述激光头上设置有激光保护气体通路，所述激光头与光纤连接，而所述激光保护气体通路与保护气体通路连接；

所述排水腔上设置有保护气体罩、送丝管孔、主气孔、外侧气流气孔、内部通道以及外部气道；且所述外部气道沿排水腔的边缘设置；所述外侧气流气孔通过内部通道与外部气道相连；所述侧作业气体通路与外侧气流气孔相连，而所述主作业气体通路与主气孔相连，所述激光保护气体通路与保护气体罩连接，且所述激光头位于保护气体罩内；所述送丝管与送丝管孔连接。

进一步的，所述排水腔内设有LED灯环、测距传感器、摄像头；

所述液压微调杆有4根；所述外部气道包括三个气路，每条气路通过两个隔板安装在排水腔上形成，所述隔板上设置有钢刷。

进一步的，所述机械磨削单元包括长机械臂、伸缩刀架，所述长机械臂一端安装于所述长方形箱体内，另一端伸出在长方形箱体外；所述伸缩刀架安装于所述长方形箱体上；所述伸缩刀架内放置有刀具，所述长机械臂根据工况切换需要使用的刀具。

一种水下设施激光增材修复的方法，包括如下步骤：

1).通过船舶将激光增材修复装置运载至目标水域并投放至水中，操作人员在船上通过控制系统控制激光增材修复装置移动至裂纹处，调整其姿态，使装置垂直于待加工表面，通过超声探伤仪探测裂纹的深度及形态；

2).通过长机械臂配合多种刀具，对裂纹处进行钻孔、铣削、打磨、抛光；

3).将排水腔对准待修复区域，作业气体通过主作业气体通路、侧作业气体通路向排水腔内供气，使排水腔内形成局部干燥区域，同时尾部驱动面板中的螺旋桨转动，以抵消气体产生的后坐力，保护气体通过保护气体通路从激光头喷出，激光头发射激光将金属丝融化填充至待修复区域；

4).修复完毕后，调整装置的位置，用长机械臂对修复区域进行机械打磨整形；

5).移动装置，用超声冲击枪对修补区域进行超声冲击强化处理，完成修复过程。

本发明的有益效果为：

1、本水下设施激光增材修复装置，包括动力单元、超声单元、激光增材修复单元、机械磨削单元，从而集成超声探伤、机械磨削、激光增材修复、超声冲击强化于一体，保证了水下设施修复的高质量。

2、本水下设施激光增材修复装置，动力单元用于通过对控制箱的控制实现动力单元的6个自由度的运动，保证了装置的灵活性，可以对各个角度的表面进行修复。

3、本水下设施激光增材修复装置，采用干式激光增材修复避免了湿法修复产生的修补区域氢脆、寿命低等问题，且超声冲击强化进一步提高了修补后设施的耐蚀性及疲劳抗力，从而延长其使用寿命。

4、本水下设施激光增材修复方法，利用本新型水下设施激光增材修复装置克服了人工水下修复作业时间短效率低、安全系数低、修复质量不可控的缺陷。

附图说明

图1是本发明装置内部的右视图；

图2是本发明装置内部的俯视图；

图3是本发明装置的俯视图；

图4是本发明装置中激光增材修复单元结构图；

图5是本发明装置中排水腔底部结构示意图；

图6是本发明装置内部的左视图；

图7是本发明的修复过程整体示意图。

附图标记说明

1-激光增材修复单元、2-动力单元、3-长机械臂、4-控制箱、5-液压微调杆、6-短机械臂、7-超声探伤仪、8-超声冲击枪、9-照明装置、10-视觉监控设备、11-总线、12-螺旋桨、13-长方形箱体、14-刀具、15-伸缩刀架、16-侧作业气体通路、17-送丝管、18-侧作业气体通路、19-排水腔、20-侧向排水气流、21-钢刷、22-外部气道、23-测距传感器、24-主作业气体通路、25-激光头、26-LED灯环、27-内部通道、28主气孔、29-摄像头、30-金属丝、31-光纤、32-保护气体通路、33-激光、34-保护气体、35-水下设施、36-激光增材修复装置、37-船舶、38-裂纹、39-隔板、40-保护气体罩、171-送丝管孔、181-外侧气流气孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种水下设施激光增材修复装置，其包括动力单元、超声单元、激光增材修复单元、机械磨削单元，且超声单元、激光增材修复单元1、机械磨削单元均设置于动力单元上；

如图1、图2所示，动力单元2包括控制箱4，动力单元2用于通过对控制箱4的控制实现动力单元2的6个自由度的运动；

超声单元用于检测裂纹，并在修复后辅以超声冲击强化；

激光增材修复单元1用于采用干式修复法，对缺陷进行修补；

机械磨削单元用于激光增材修复的前后处理。

动力单元2包括长方形箱体13和控制箱4，控制箱4设置于长方形箱体13内，位于长方形箱体13的中后部，长方形箱体13包括5块驱动面板和前挡板，驱动面板分别为上驱动面板、下驱动面板、左驱动面板、右驱动面板以及尾部驱动面板，且上驱动面板、下驱动面板、左驱动面板、右驱动面板、尾部驱动面板以及前挡板围成一个长方体；

其中上驱动面板和下驱动面板分别均布有4个螺旋桨12，左右驱动面板以及尾部驱动面板分别设有2个螺旋桨12；

控制箱4分别与这14个螺旋桨连接，且控制箱4用于控制动力单元内14个螺旋桨12的动作，实现长方形箱体13的6个自由度的运动。

6个自由度为沿x轴、y轴、z轴方向的移动以及绕x轴、y轴、z轴三个轴的转动，即上下左右移动以及各个方向的360度转动。控制箱4内还设有定位系统。

如图1、图4所示，长方形箱体13上设置有总线11，总线11包括光纤31、保护气体通路32、主作业气体通路24、侧作业气体通路18、送丝管17，以及控制导线，总线11通过控制导线传输控制信号给控制箱4，通过保护气体通路32、主作业气体通路24、侧作业气体通路18传输气体给激光增材修复单元1，通过送丝管17传输金属丝给激光增材修复单元1。

如图1所示，超声单元包括短机械臂6、超声探伤仪7、超声冲击枪8，超声单元位于长方形箱体13靠近前挡板一侧，且短机械臂6一端安装于长方形箱体13内部，另一端通过前挡板伸出在长方形箱体13外；

超声冲击枪8的底部安装于长方形箱体13内部，而超声冲击枪8的枪头通过前挡板伸出在长方形箱体13外；

超声探伤仪7的底部安装于长方形箱体13内部，而超声探伤仪7的探伤头通过前挡板伸出在长方形箱体13外；且短机械臂6的夹持头夹持超声探伤仪7的探伤头；

长方形箱体13外部设有视觉监控设备10，短机械臂6的夹持头夹持超声探伤仪7的探伤头配合视觉监控设备10对修补区域进行探伤检测并打上标记。

如图4，图5所示，增材修复单元1包含液压微调杆5、排水腔19、激光头25；

排水腔19设置于长方形箱体13的外侧，而激光头25设置于排水腔19上，且激光头25与排水腔19滑动连接；液压微调杆5一端设置于与长方形箱体13内，另一端与激光头25连接，液压微调杆5用于固定及微调激光头25的角度与位置，并可以将激光头25收回长方形箱体13内部；激光头25上设置有激光保护气体通路，激光头25与光纤31连接，而激光保护气体通路与保护气体通路32连接；

排水腔19上设置有保护气体罩40、送丝管孔171、主气孔28、外侧气流气孔181、内部通道27以及外部气道22；且外部气道22沿排水腔19的边缘设置；外侧气流气孔181通过内部通道27与外部气道22相连；侧作业气体通路18与外侧气流气孔181相连，而主作业气体通路24与主气孔28相连，激光保护气体通路与保护气体罩40连接，且激光头25位于保护气体罩40内；送丝管17与送丝管孔171连接。

排水腔19内设有LED灯环26、测距传感器23、摄像头29；

液压微调杆5有4根；外部气道22包括三个气路，每条气路通过两个隔板39安装在排水腔19上形成，所述隔板39上设置有钢刷21。

如图6所示，机械磨削单元包括长机械臂3、伸缩刀架15，长机械臂3一端安装于长方形箱体13内，另一端伸出在长方形箱体13外；伸缩刀架15安装于长方形箱体13上；伸缩刀架15内放置有刀具14，长机械臂3根据工况切换需要使用的刀具14。

如图7所示，某水下设施35表面有裂纹38，一种水下设施激光增材修复的方法，包括如下步骤：

1).通过船舶37将激光增材修复装置运载至目标水域并投放至水中，操作人员在船上通过控制系统控制激光增材修复装置移动至裂纹处，调整其姿态，使装置垂直于待加工表面，通过超声探伤仪7探测裂纹的深度及形态；

2).通过长机械臂3配合多种刀具，对裂纹处38进行钻孔、铣削、打磨、抛光；

3).将排水腔19对准待修复区域，作业气体通过主作业气体通路24、侧作业气体通路18向排水腔19内供气，使排水腔内形成局部干燥区域，同时尾部驱动面板中的螺旋桨12转动，以抵消气体产生的后坐力，保护气体通过保护气体通路32从激光头25喷出，激光头25发射激光33将金属丝30融化填充至待修复区域；

4).修复完毕后，调整装置的位置，用长机械臂3对修复区域进行机械打磨整形；

5).移动装置，用超声冲击枪8对修补区域进行超声冲击强化处理，完成修复过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水下设施激光增材修复装置，其特征在于：包括动力单元、超声单元、激光增材修复单元、机械磨削单元，且所述超声单元、激光增材修复单元(1)、机械磨削单元均设置于动力单元上；

所述动力单元(2)包括长方形箱体(13)和控制箱(4)，所述控制箱(4)设置于长方形箱体(13)内，位于长方形箱体(13)的中后部，所述长方形箱体(13)包括5块驱动面板和前挡板，所述驱动面板分别为上驱动面板、下驱动面板、左驱动面板、右驱动面板以及尾部驱动面板，且上驱动面板、下驱动面板、左驱动面板、右驱动面板、尾部驱动面板以及前挡板围成一个长方体；

其中上驱动面板和下驱动面板分别均布有4个螺旋桨(12)，左右驱动面板以及尾部驱动面板分别设有2个螺旋桨(12)；

所述长方形箱体(13)上设置有总线(11)，所述总线(11)包括光纤(31)、保护气体通路(32)、主作业气体通路(24)、侧作业气体通路(18)、送丝管(17)，以及控制导线，所述总线(11)通过控制导线传输控制信号给控制箱(4)，通过保护气体通路(32)、主作业气体通路(24)、侧作业气体通路(18)传输气体给所述激光增材修复单元(1)，通过送丝管(17)传输金属丝给激光增材修复单元(1)；

所述控制箱(4)分别与这14个螺旋桨连接，且所述控制箱(4)用于控制动力单元内14个螺旋桨(12)的动作，实现长方形箱体(13)的6个自由度的运动；

所述超声单元用于检测裂纹，并在修复后辅以超声冲击强化；

所述激光增材修复单元(1)用于采用干式修复法，对缺陷进行修补；

所述机械磨削单元用于激光增材修复的前后处理；

所述增材修复单元(1)包含液压微调杆(5)、排水腔(19)、激光头(25)；

所述排水腔(19)设置于长方形箱体(13)的外侧，而所述激光头(25)设置于排水腔(19)上，且所述激光头(25)与排水腔(19)滑动连接；所述液压微调杆(5)一端设置于与长方形箱体(13)内，另一端与激光头(25)连接，所述液压微调杆(5)用于固定及微调所述激光头(25)的角度与位置，并可以将激光头(25)收回所述长方形箱体(13)内部；所述激光头(25)上设置有激光保护气体通路，所述激光头(25)与光纤(31)连接，而所述激光保护气体通路与保护气体通路(32)连接；

所述排水腔(19)上设置有保护气体罩(40)、送丝管孔(171)、主气孔(28)、外侧气流气孔(181)、内部通道(27)以及外部气道(22)；且所述外部气道(22)沿排水腔(19)的边缘设置；所述外侧气流气孔(181)通过内部通道(27)与外部气道(22)相连；所述侧作业气体通路(18)与外侧气流气孔(181)相连，而所述主作业气体通路(24)与主气孔(28)相连，所述激光保护气体通路与保护气体罩(40)连接，且所述激光头(25)位于保护气体罩(40)内；所述送丝管(17)与送丝管孔(171)连接。

2.如权利要求1所述的一种水下设施激光增材修复装置，其特征在于：所述控制箱(4)内还设有定位系统。

3.如权利要求2所述的一种水下设施激光增材修复装置，其特征在于：所述超声单元包括短机械臂(6)、超声探伤仪(7)、超声冲击枪(8)，所述超声单元位于所述长方形箱体(13)靠近前挡板一侧，且所述短机械臂(6)一端安装于所述长方形箱体(13)内部，另一端通过前挡板伸出在长方形箱体(13)外；

所述超声冲击枪(8)的底部安装于长方形箱体(13)内部，而超声冲击枪(8)的枪头通过前挡板伸出在长方形箱体(13)外；

所述超声探伤仪(7)的底部安装于长方形箱体(13)内部，而超声探伤仪(7)的探伤头通过前挡板伸出在长方形箱体(13)外；且所述短机械臂(6)的夹持头夹持超声探伤仪(7)的探伤头；

所述长方形箱体(13)外部设有视觉监控设备(10)，所述短机械臂(6)的夹持头夹持超声探伤仪(7)的探伤头配合所述视觉监控设备(10)对修补区域进行探伤检测并打上标记。

4.如权利要求3所述的一种水下设施激光增材修复装置，其特征在于：所述排水腔(19)内设有LED灯环(26)、测距传感器(23)、摄像头(29)；

所述液压微调杆(5)有4根；所述外部气道(22)包括三个气路，每条气路通过两个隔板(39)安装在排水腔(19)上形成，所述隔板(39)上设置有钢刷(21)。

5.如权利要求4所述的一种水下设施激光增材修复装置，其特征在于：所述机械磨削单元包括长机械臂(3)、伸缩刀架(15)，所述长机械臂(3)一端安装于所述长方形箱体(13)内，另一端伸出在长方形箱体(13)外；所述伸缩刀架(15)安装于所述长方形箱体(13)上；所述伸缩刀架(15)内放置有刀具(14)，所述长机械臂(3)根据工况切换需要使用的刀具(14)。

6.一种基于权利要求5所述的水下设施激光增材修复装置的修复方法，其特征在于：包括如下步骤：

1).通过船舶(37)将激光增材修复装置运载至目标水域并投放至水中，操作人员在船上通过控制系统控制激光增材修复装置移动至裂纹处，调整其姿态，使装置垂直于待加工表面，通过超声探伤仪(7)探测裂纹的深度及形态；

2).通过长机械臂(3)配合多种刀具，对裂纹处(38)进行钻孔、铣削、打磨、抛光；

3).将排水腔(19)对准待修复区域，作业气体通过主作业气体通路(24)、侧作业气体通路(18)向排水腔(19)内供气，使排水腔内形成局部干燥区域，同时尾部驱动面板中的螺旋桨(12)转动，以抵消气体产生的后坐力，保护气体通过保护气体通路(32)从激光头(25)喷出，激光头(25)发射激光(33)将金属丝(30)融化填充至待修复区域；

4).修复完毕后，调整装置的位置，用长机械臂(3)对修复区域进行机械打磨整形；

5).移动装置，用超声冲击枪(8)对修补区域进行超声冲击强化处理，完成修复过程。