CN107838550A - 一种水下复合热源增材制造装置及使用方法 - Google Patents

一种水下复合热源增材制造装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种水下复合热源增材制造装置及使用方法,涉及水下增材领域,包含光纤激光器、控制系统、焊接机器人、激光头、扫描装置、水下激光焊炬、气体流量计、空气压缩机、焊机、送丝机、保护气气瓶、光纤和焊枪;光纤激光器经光纤与激光头相连,激光头通过转接板与焊接机器人连接;水下激光焊炬包括上端盖、内层排水筒、外层排水筒,上端盖上设有焊接口,焊接口上设有玻璃板,内层排水筒套设在外层排水筒内、上端与上端盖密封连接,上端盖上设有内排水腔进气孔,外层排水筒上设有外排水腔进气孔;设有送丝孔,内排水腔进气孔与空气压缩机相连,外排水腔进气孔与焊接保护气气瓶连接。具有结构简单、使用方便,增材速率快、稳定性和增材质量高等优点。

Description

一种水下复合热源增材制造装置及使用方法
技术领域
本发明涉及水下增材制造技术领域,详细讲是一种结构简单、使用方便,增材速率快、稳定性和增材质量高的复合热源增材制造装置及其使用方法。
背景技术
我国是一个海洋大国,海军是我国保卫海洋的重要武装力量,为保证在实战中受损舰船装备迅速的恢复作战功能和战斗力,实现舰船装备维修由岸基定点保障向远海机动保障的延伸,必须开发出舰船应急维修的装备和关键技术。对于船体的应急修补,从损毁位置上可分为水线以上部位的维修和水下维修两类。随着舰船维修工艺的改进,水线以上的维修技术较为成熟,但如何在不借助船坞的条件下,及时简便地修复水线以下的舰艇损伤是战时应急抢修的关键,在受损的情况下,实施水下应急抢修,尽快恢复受损设备的功能至关重要。
在水下,激光填丝增材制造技术具有受水压影响小、残余应力低、成本低、利用率高等优点,对于零件破损、脱落等故障,水下激光增材修复技术成为适用于水面舰艇应急抢修的必要技术手段,但在激光送丝增材制造时,易产生粘丝、顶丝、层间未熔合等现象,工艺稳定性较差。电弧热源作用面积大且制造成本较低,适于采用丝状材料,但在水下,焊接电弧受水环境影响较大,电弧不稳定,且电弧能量密度低、热流分布可控性较差、热影响区较大、热源移动速度慢效率低下。在水下,对于激光电弧复合热源来说,激光产生的等离子体有利于维持电弧的稳定,提高热源能量密度;电弧用于熔化固态焊丝从而避免粘丝、顶丝、层间未熔合等现象,并降低了金属表面的反射率,提高了激光束的能量传输效率。因此水下激光电弧复合热源增材制造,在避免粘丝、顶丝、层间未熔合等现象的同时,既可以提高增材接速度,还能够保证增材过程的稳定性和增材质量。然而,目前为止水下激光电弧复合热源增材制造技术鲜有报道,我国海军舰船装备的应急抢修能力还十分有限,严重缺乏舰船修复的水下作业关键技术和装备。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足,提供一种结构简单、使用方便,增材速率快、稳定性和增材质量高的水下复合热源增材制造装置及使用方法。
本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是:
一种水下复合热源增材制造装置,包含光纤激光器、控制系统、焊接机器人、转接板、激光头、扫描装置、水下激光焊炬、气体流量计、油水分离器、空气压缩机、MIG焊机、送丝机、保护气气瓶、光纤和MIG焊枪;光纤激光器经光纤与激光头相连,激光头通过转接板与焊接机器人连接(,所述光纤激光器产生的激光束通过光纤进入激光头);所述水下激光焊炬设置在激光头(正)下方,(激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上);水下激光焊炬包括上端盖、内层排水筒、外层排水筒,上端盖上端面中部设有上下贯通的焊接口,焊接口上密封安装有玻璃板,内层排水筒套设在外层排水筒内(二者中线重合),内层排水筒和外层排水筒上端与上端盖(下侧)密封连接,外层排水筒、内层排水筒和上端盖围成(呈环形筒状的)外排水腔,内层排水筒和上端盖围成(呈环形筒状的)内排水腔,(焊接口位于内排水腔上方),上端盖上呈圆形阵列有至少三个倾斜设置的内排水腔进气孔,外层排水筒上部周向均布至少三个沿外层排水筒内侧壁切向设置的外排水腔进气孔;内层排水筒和外层排水筒上分别设有由外至内向下倾斜的送丝孔(两个送丝孔中线重合),送丝机将焊丝通过MIG焊枪由送丝孔送至水下激光焊炬内;水下激光焊炬的内排水腔进气孔经气体流量计、油水分离器与空气压缩机相连,水下激光焊炬的外排水腔进气孔与焊接保护气气瓶的出气端连接。
本发明中所述扫描装置、焊接机器人、激光器、送丝机、MIG焊机与控制系统相连;均由控制系统控制,可实现激光器的参数调节、丝材的同步送给以及增材路径的规划与控制,所述上端盖上设有通信孔扫描装置的数据线经通信孔密封引出、与控制系统相连。
本发明中所述的内层排水筒包括内层排水上筒体和内层排水下筒体,内层排水上筒体与内层排水下筒体经螺纹密封连接;外层排水筒包括外层排水上筒体和外层排水下筒体,外层排水上筒体与外层排水下筒体经螺纹密封连接;构成了高度可调的内层排水筒和外层排水筒。
本发明中所述扫描装置设置在水下焊炬内部,与激光头的位置相对固定。
优选的,所述水下激光焊炬内高压排水气体流量通过气体流量计控制,所述气体流量计通过油水分离器安装在空气压缩机出气端。
所述水下激光焊炬内高压排水气体流量通过气体流量计控制,所述气体流量计通过油水分离器安装在空气压缩机出气端。
本发明为了检测使用效果,设有工作台支架,工作台支架上设有透明水箱,透明水箱内设有焊接工作台,透明水箱包括侧板和底板,所述侧板上设置有刻度尺和进水孔,所述底板上设置有出水孔;所述焊接工作台包括工作面,夹具和焊接工件。
本发明中所述的内排水腔进气孔(处的管路)与说平方向呈60-80度角,外排水腔进气孔(处的管路)与说平方向呈8-15度角。
本发明中所述的所述外层排水筒的下端口所在的水平面低于内层排水筒下端口所处的水平面。
本发明中所述的玻璃板为增透玻璃板,增透玻璃板经增透玻璃架安装在上端盖的焊接口上,增透玻璃架与上端盖间设有密封环。所述增透玻璃架通过外螺纹安装在上端盖的焊接口处的内螺纹上。
一种浅水环境下的水下复合热源增材制造装置的使用方法,包括如下操作步骤:
步骤一:打开所述透明水箱侧壁的进水孔,向水箱内注入一定高度的水;将所述水下激光焊炬、扫描装置、送丝机、空气压缩机、焊接保护气气瓶和气体流量计进行连接与调试;
步骤二:打开空气压缩机向所述水下激光焊炬内通入高压气体,在所述焊接机器人的辅助作用下将水下激光焊炬放入透明水箱内工件上方,并在工件上方形成稳定的局部干燥空间;
步骤三:当工件上方的待焊区域形成局部干燥空间以后,焊接机器人带动水下激光焊炬在工件上方行走,通过三维扫描装置对工件破损部位进行扫描并将数据传入控制系统,规划增材路径;
步骤四:打开所述焊接保护气气瓶向水下焊炬内层通入焊接保护气体,在水下营造一个由焊接保护气体保护的局部空间,焊丝作为熔化极由MIG焊枪送出,到达增材制造起始位置;
步骤五:先启动MIG电弧,再启动激光器,根据预先生成的路径规划进行第一层激光-电弧复合增材制造,每道堆焊层高约为2 mm,层宽约为4 mm;
步骤六:完成第一道焊接层后,关闭激光器和MIG焊机,然后利用焊接机器人将水下激光焊炬提高约2 mm,并通过三维扫描装置重新规划增材路径,在第一道焊层基础上重复步骤五所述操作,进行第二层增材制造;
步骤七:重复步骤六直至增材制造工作完成,并关闭所述光纤激光器;继续维持所述保护气气瓶、空气压缩机处于工作状态,向水下激光焊炬内通入惰性气体,直至所述焊接机器人将水下激光焊炬完全移出水面;打开所述透明水箱底板上的排水孔,待水箱内的水排尽后取出所述焊接工件。
本发明提供的水下复合热源增材制造装置,在浅水环境下,通过采用高压气体从水下激光焊炬内喷出的方式,在工件上方形成一个局部干燥空间,并在气相空间形成后通入惰性气体,对整个增材过程进行保护;采用水下激光焊炬内的扫描装置对工件进行扫描,寻找破损工件的待修复位置,并将数据传入控制系统,进行路径规划;送丝机通过焊枪将焊丝送往增材起始位置,在控制系统的作用下对激光器与MIG焊机进行同步控制,先启动MIG焊机后启动激光器,进行增材制造,与此同时扫描装置对其进行焊缝跟踪;第一层堆焊层完成后关闭激光器与MIG焊机,将水下激光焊炬提高并移至适当位置,进行第二层堆焊。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种浅水环境下的水下复合热源增材制造装置组成结构示意图;
图2是水下激光焊炬内部结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图详细地描述本发明的各种实施例。
一种水下复合热源增材制造装置,包含光纤激光器1、控制系统2、焊接机器人3、转接板4、激光头5、扫描装置6、水下激光焊炬7、气体流量计11、油水分离器12、空气压缩机13、截止阀14、MIG焊机16、送丝机15、保护气气瓶17、光纤18和MIG焊枪19;光纤激光器1经光纤18与激光头5相连,激光头5通过转接板4与焊接机器人3连接,所述光纤激光器产生的激光束通过光纤进入激光头;所述水下激光焊7炬设置在激光头5正下方,激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上;水下激光焊炬7包括上端盖71、内层排水筒、外层排水筒,上端盖71上端面中部设有上下贯通的焊接口715,焊接口715上密封安装有玻璃板714,玻璃板714为增透玻璃板。内层排水筒套设在外层排水筒内,二者中线重合,内层排水筒和外层排水筒上端与上端盖下侧密封连接,外层排水筒、内层排水筒和上端盖围成呈环形筒状的外排水腔,内层排水筒和上端盖围成呈柱状的内排水腔,焊接口位于内排水腔正上方,上端盖上呈圆形阵列有至少三个与内排水腔连通的进气管711,内排水腔进气孔712处的进气管711向下倾斜设置的内排水腔上,内排水腔进气孔712处的进气管711与水平方向呈60-80度角,外层排水筒上部周向均布至少三个沿外层排水筒内侧壁切向设置的外排水腔进气孔710,外排水腔进气孔710向下倾斜,外排水腔进气孔710处的进气管与水平方向呈8-15度角。内层排水筒和外层排水筒上分别设有由外至内向下倾斜的送丝孔76,两个送丝孔中线重合,送丝机15将焊丝20通过MIG焊枪19由送丝孔76送至水下激光焊炬内;水下激光焊炬的内排水腔进气孔712经气体流量计11、油水分离器12和截止阀14与空气压缩机13相连,水下激光焊炬的外排水腔进气孔710与焊接保护气气瓶17的出气端连接。所述扫描装置6设置在水下焊炬7内部,与激光头5的位置相对固定;所述扫描装置、焊接机器人、激光器、送丝机、MIG焊机与控制系统相连;均由控制系统控制,可实现激光器的参数调节、丝材的同步送给以及增材路径的规划与控制,所述上端盖上设有通信,716,扫描装置的数据线经通信孔716密封引出、与控制系统相连。
本发明中所述水下激光焊炬7内高压排水气体流量通过气体流量计11控制,所述气体流量计11通过油水分离器12安装在空气压缩机13出气端;所述增材制造丝材为镍基合金焊丝20,由送丝机15送至水下激光焊炬7内;所述扫描装置6、焊接机器人3、送丝机15、MIG焊机16、激光器1均由控制系统2控制,可实现激光器1的参数调节、丝材的同步送给以及增材路径的规划与控制。
本发明为了检测使用效果,设有工作台支架10,工作台支架10上设有透明水箱9,透明水箱9内设有焊接工作台8,透明水箱9包括侧板和底板,所述侧板上设置有刻度尺和进水孔,所述底板上设置有出水孔;所述焊接工作台8包括工作面,夹具和焊接工件。所述水下激光焊炬4通过夹持装置固定在激光头2下方,夹持装置通过螺栓一端与焊接机器人1转接板固定连接,另一端与水下激光焊炬4连接,优选的,所述激光头2和水下激光焊炬4在竖直方向位于同一直线上。
本发明中所述的内层排水筒包括内层排水上筒体79和内层排水下筒体75,内层排水上筒体79与内层排水下筒体75经螺纹密封连接;外层排水筒包括外层排水上筒体72和外层排水下筒体74,外层排水上筒体72与外层排水下筒体74经螺纹密封连接;构成了高度可调的内层排水筒和外层排水筒。所述的所述外层排水筒的下端口所在的水平面低于内层排水筒下端口所处的水平面。
如图1所示,所述扫描装置6对破损工件进行全方位扫描,扫描信息传入控制系统,经由软件处理后选定增材起始位置并进行路径规划;所述送丝机15将焊丝20通过水下激光焊炬7下部送丝孔76,经由MIG焊枪19送至增材起始位置;所述MIG焊枪19与工件水平方向成50°夹角,与水下激光焊炬7下部送丝孔密封、连接在一起;所述控制系统2对焊接机器人3、激光器1和送丝机进行同步控制,先启动MIG焊枪19后启动激光器1按照之前生成的增材制造路径开始水下激光增材制造,与此同时扫描装置对其进行焊缝跟踪;第一层堆焊层完成后关闭激光器1与MIG焊机19,将水下激光焊炬提高并移至适当位置,进行第二层堆焊,如此重复直至增材结束。
如图1所示,所述水下激光焊炬7外排水腔进气孔710通过导气管与空气压缩机13连接,内排水腔进气孔712和保护气气瓶17连接,所述空气压缩机13产生的高压气流先后通过截止阀14、油水分离器12和气体流量计11进入水下激光焊炬7外排水腔,所述截止阀14可打开或关闭,用于控制所述水下激光焊炬7内高压气流的流通,所述油水分离器12包括空气减压阀、过滤器和油雾器,可以有效过滤从空气压缩机13中流出的高压气流中的水分,使气流始终处于恒定状态,所述气体流量计11可以对从油水分离器12中流出的高压气体流速进行实时监控,确保水下激光焊炬7能够在水下形成稳定的局部干燥空间;所述惰性保护气气瓶17产生的气体进入水下激光焊炬7内层,对增材制造区域进行保护。
上述水下复合热源增材制造装置使用方法为:
工作人员首先将预先设置的破损试验工件固定到所述焊接工作台8上,通过所述透明水箱9侧板上的进水孔向所述透明水箱9内注水,根据侧板上的刻度尺获得需要的焊接水深,然后通过导气管将水下激光焊炬7、保护气气瓶17、气体流量计11、油水分离器12以及空气压缩机13连接起来,打开空气压缩机13,利用气体流量计11,通过调整截止阀14和油水分离器12获得额定流速的高压空气流;在所述焊接机器人3的辅助作用下将水下激光焊炬7放入透明水箱9内实验工件上方,保持水下激光焊炬7在初始位置停留一定时间,优选地,所述水下激光焊炬7的停留时间为10 s左右,以保证在待试验工件上方形成稳定的局部干燥空间;通过控制系统2控制焊接机器人将水下激光焊炬7在试验工件上方利用三维扫描装置6进行全方位扫描,扫描信息传入控制系统2,经由软件处理后选定增材起始位置并进行路径规划,之后利用送丝机15将焊丝通过水下激光焊炬7下部送丝孔,经由MIG焊枪19送至位置激光头5下方,优选的丝材直径为1.2 mm;随后,打开保护气气瓶16,向水下激光焊炬7内层通入焊接保护气体,在激光增材制造区域营造一个由惰性保护气体保护的局部干燥环境;按照预先生成的增材制造路径,以焊接机器人3作为运动机构,在一定的工艺规范下进行水下激光增材制造试验,优选的光束起始离焦量为0.3 mm,光斑直径为1.2 mm;先启动MIG焊机16,再启动激光器1,根据预先生成的路径规划进行第一层激光-电弧复合增材制造,每道堆焊层高约为2 mm,层宽约为4 mm;完成第一道焊接层后,关闭激光器1和MIG焊机16,然后利用焊接机器人将水下激光焊炬提高约2 mm,并通过三维扫描装置重新规划增材路径,在第一道焊层基础上进行第二层增材制造,如此重复直至增材制造过程完成;继续维持所述空气压缩机13处于工作状态,向水下激光焊炬7内通入空气,直至所述焊接机器人3将水下激光焊炬7完全移出水面,打开所述透明水箱9底板上的排水孔,待透明水箱9内的水排尽后取出所述增材制造工件。
本发明通过激光与MIG电弧热源的成功耦合,解决了水下送丝式激光增材制造出现的粘丝、顶丝等问题,同时也克服了水下电弧增材制造时成形速度慢、热影响区较宽、成形精度较低等缺点。在浅水环境下,采用激光与电弧复合热源进行增材制造时,复合热源移动速度快,电弧燃烧稳定,单层焊缝尺寸易于控制、成形良好,加工精度与加工质量明显提高。此外,由于电弧用于熔化焊丝,降低了金属表面的反射率,从而提高了激光束的能量传输效率,降低了该工艺对激光功率的要求。
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他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仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种水下复合热源增材制造装置,包含光纤激光器、控制系统、焊接机器人、转接板、激光头、扫描装置、水下激光焊炬、气体流量计、油水分离器、空气压缩机、MIG焊机、送丝机、保护气气瓶、光纤和MIG焊枪;光纤激光器经光纤与激光头相连,激光头通过转接板与焊接机器人连接;所述水下激光焊炬设置在激光头下方;水下激光焊炬包括上端盖、内层排水筒、外层排水筒,上端盖上端面中部设有上下贯通的焊接口,焊接口上密封安装有玻璃板,内层排水筒套设在外层排水筒内,内层排水筒和外层排水筒上端与上端盖密封连接,外层排水筒、内层排水筒和上端盖围成外排水腔,内层排水筒和上端盖围成内排水腔,上端盖上呈圆形阵列有至少三个倾斜设置的内排水腔进气孔,外层排水筒上部周向均布至少三个沿外层排水筒内侧壁切向设置的外排水腔进气孔;内层排水筒和外层排水筒上分别设有由外至内向下倾斜的送丝孔,送丝机将焊丝通过MIG焊枪由送丝孔送至水下激光焊炬内;水下激光焊炬的内排水腔进气孔经气体流量计、油水分离器与空气压缩机相连,水下激光焊炬的外排水腔进气孔与焊接保护气气瓶的出气端连接。
2.根据权利要求1所述的水下复合热源增材制造装置,其特征在于所述扫描装置、焊接机器人、激光器、送丝机、MIG焊机与控制系统相连。
3.根据权利要求1所述的水下复合热源增材制造装置,其特征在于所述的内层排水筒包括内层排水上筒体和内层排水下筒体,内层排水上筒体与内层排水下筒体经螺纹密封连接。
4.根据权利要求1所述的水下复合热源增材制造装置,其特征在于所述扫描装置设置在水下焊炬内部,与激光头的位置相对固定。
5.根据权利要求1所述的水下复合热源增材制造装置,其特征在于设有工作台支架,工作台支架上设有透明水箱,透明水箱内设有焊接工作台,透明水箱包括侧板和底板,所述侧板上设置有刻度尺和进水孔,所述底板上设置有出水孔;所述焊接工作台包括工作面,夹具和焊接工件。
6.根据权利要求1所述的水下复合热源增材制造装置,其特征在于所述外层排水筒的下端口所在的水平面低于内层排水筒下端口所处的水平面。
7.根据权利要求5所述的水下复合热源增材制造装置,其特征在于其使用方法,包括如下操作步骤:
步骤一:打开所述透明水箱侧壁的进水孔,向水箱内注入一定高度的水;将所述水下激光焊炬、扫描装置、送丝机、空气压缩机、焊接保护气气瓶和气体流量计进行连接与调试;
步骤二:打开空气压缩机向所述水下激光焊炬内通入高压气体,在所述焊接机器人的辅助作用下将水下激光焊炬放入透明水箱内工件上方,并在工件上方形成稳定的局部干燥空间;
步骤三:当工件上方的待焊区域形成局部干燥空间以后,焊接机器人带动水下激光焊炬在工件上方行走,通过三维扫描装置对工件破损部位进行扫描并将数据传入控制系统,规划增材路径;
步骤四:打开所述焊接保护气气瓶向水下焊炬内层通入焊接保护气体,在水下营造一个由焊接保护气体保护的局部空间,焊丝作为熔化极由MIG焊枪送出,到达增材制造起始位置;
步骤五:先启动MIG电弧,再启动激光器,根据预先生成的路径规划进行第一层激光-电弧复合增材制造,每道堆焊层高约为2 mm,层宽约为4 mm;
步骤六:完成第一道焊接层后,关闭激光器和MIG焊机,然后利用焊接机器人将水下激光焊炬提高约2 mm,并通过三维扫描装置重新规划增材路径,在第一道焊层基础上重复步骤五所述操作,进行第二层增材制造;
步骤七:重复步骤六直至增材制造工作完成,并关闭所述光纤激光器;继续维持所述保护气气瓶、空气压缩机处于工作状态,向水下激光焊炬内通入惰性气体,直至所述焊接机器人将水下激光焊炬完全移出水面;打开所述透明水箱底板上的排水孔,待水箱内的水排尽后取出所述焊接工件。
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