CN107914085A - 一种模拟浅水环境的水下激光焊接装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟浅水环境的水下激光焊接装置，涉及水下激光焊接成套设备技术领域包括透明水箱、焊接工作台、光纤激光器、焊接机器人、激光头、水下激光焊炬、空气压缩机、焊接保护气气瓶和气体流量计；透明水箱上设置有进水孔和排水孔，焊接工作台设在透明水箱内；光纤激光器经光纤与激光头连接，激光头通过转接板与焊接机器人连接，水下激光焊炬设置在激光头下方，水下激光焊炬上方的进气口经三通阀与空气压缩机和焊接保护气气瓶的出气端连接，进气口与空气压缩机间的连接管路上设有气体流量计。本发明具有结构简单、使用方便，可安全稳定的实现水下激光焊接等优点。

Description

一种模拟浅水环境的水下激光焊接装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及水下激光焊接成套设备技术领域，详细讲是一种结构简单、使用方便，可安全稳定的实现水下激光焊接的模拟浅水环境的水下激光焊接装置及其使用方法。

背景技术

进入21世纪以来，随着人口数量爆炸，陆地资源储量骤减，生态环境恶化，世界各国纷纷加快了对海洋资源以及核能等清洁能源开发利用的步伐。然而，由于水深的增加、新材料的广泛使用以及高温、高辐射的核电设备服役环境，水下焊接技术作为海洋工程以及舰船修复的重要支撑技术，开始逐渐面临严峻的挑战并受到人们越来越多的关注。

水下激光焊接作为一种新型的自动化生产工艺，在西方发达国家正逐渐被作为一种核电站水下修复/维修技术受到越来越广泛的关注。与常规水下电弧焊接相比，水下激光焊接具有受水压影响小，焊接材料广泛，热输入量低、冷却速度快、热影响区小以及残余应力低等优点。同时，激光束可以通过光导纤维长距离传输，便于设备简化、集中，是十分理想的水下焊接修复的手段。然而，目前在全球范围内，水下激光焊接的研究还不成熟，诸多理论及技术问题尚未解决。

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，可安全稳定的实现水下激光焊接的模拟浅水环境的水下激光焊接装置及其使用方法。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于包括透明水箱、焊接工作台、光纤激光器、焊接机器人、激光头、水下激光焊炬、空气压缩机、焊接保护气气瓶和气体流量计；透明水箱上设置有进水孔和排水孔，焊接工作台设在透明水箱内；光纤激光器经光纤与激光头连接，激光头通过转接板与焊接机器人连接，水下激光焊炬设置在激光头下方，水下激光焊炬上方的进气口经三通阀与空气压缩机和焊接保护气气瓶的出气端连接，进气口与空气压缩机间的连接管路上设有气体流量计。

本发明中所述水下激光焊炬通过夹持装置固定在激光头下方，所述激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上。

本发明中所述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上。

本发明中所述的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，所述底板上设置有排水孔；透明水箱内设有焊接工作台，焊接工作台上设有焊接工件夹具。

本发明中所述的焊接工件夹具的结构为：焊接工作台的台面上设有两块相互平行的压板，压板两端设有长条形调节通孔，调节通孔内设有将压板与台面固定连接的调节螺栓。

本发明中所述的水下激光焊炬的结构如下：包括上端盖、排水罩和排水密封垫，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，上端盖内侧壁上设有环形气体缓冲槽，上端盖上设有连通气体缓冲槽和上端盖外侧的进气管，进气管呈环形设置在气体缓冲槽内，气体缓冲槽内的进气管上呈圆形阵列有排水气孔，气体缓冲槽的槽口处设有减速筛网；上端盖盖设在所述排水罩上，所述的排水密封垫呈环状、密封安装在排水罩下端，排水密封垫上设有呈环形的柔性橡胶裙衬套。

本发明中所述的胶裙衬套呈喇叭状向下延伸出排水密封垫下端。所述的上端盖上设有至少两根进气管，两根进气管对称的设置在上端盖上。进气更均匀，形成的压水气体层更稳定。所述的上端盖的盖口上设有调距罩，调距罩经螺纹与排水罩连接。所述调距罩通过外螺纹与上端盖内螺纹连接，所述排水罩通过外螺纹与调距罩连接，构成了水下激光焊接用排水装置的伸缩结构；所述排水密封垫通过卡箍与排水罩下端部连接。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。所述减速筛网为金属筛网，金属筛网通过挡圈固定在气体缓冲槽槽口处的上端盖内壁上。

上述水下激光焊接装置的使用方法，其特征在于包括如下操作步骤：

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、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空气，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待焊工件上方，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，打开所述焊接保护气气瓶通入焊接保护气体，在水下营造一个由焊接保护气体保护的局部干燥环境，并按照预先制订好的试验方案进行水下激光焊接试验。

步骤四：焊接工作完成后，关闭所述光纤激光器；继续维持所述空气压缩机处于工作状态，向水下激光焊炬内通入空气，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

本发明提供的水下激光焊接装置，在使用过程中能够模拟真实的浅水环境，采用高压气体从水下激光焊炬内喷出的方式，快速形成一个局部空间干燥环境，且在整个焊接过程中能够保证局部干燥环境的稳定，从而获得高质量的水下激光焊缝。本发明具有结构简单、使用方便，可安全稳定的实现水下激光焊接。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的组成结构示意图；

图2是本发明透明水箱结构示意图；

图3是本发明焊接工作台俯视示意图；

图4是本发明水下激光焊炬的结构示意示意图。

图5是本发明水下激光焊炬上端盖处进气管的环向进气示意图。

具体实施方式

如图1-5所示的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，包括透明水箱6、焊接工作台5、光纤激光器1、焊接机器人2、激光头3、水下激光焊炬4、空气压缩机10、焊接保护气气瓶12和气体流量计8；透明水箱6包括侧板62和底板61，侧板62上设置有刻度尺621和进水孔622，底板上设置有排水孔611，排水孔上设有密封盖；焊接工作台5设在透明水箱6内；焊接工作台5上设有焊接工件夹具；所述焊接工件夹具的结构为：焊接工作台的台面51上设有两块相互平行的压板521，压板521两端设有长条形调节通孔522，调节通孔522内设有将压板521与台面51固定连接的调节螺栓523；从图1中可以看出，设有工作台支架7，透明水箱6设置在工作台支架7上；优选的，所述工作台支架7的高度50~100 cm，优选为80 cm，以方便焊接工作人员放取焊接工件。光纤激光器1经光纤13与激光头3连接，激光头3通过转接板与焊接机器人连接，水下激光焊炬4通过夹持装置固定在激光头正下方。水下激光焊炬包括上端盖01、排水罩09和排水密封垫05，上端盖01上端面中部设有上下贯通的焊接口016，焊接口016上密封安装有玻璃板014，所述的玻璃板014为增透玻璃板，增透玻璃板经增透玻璃架015安装在上端盖的焊接口016上，增透玻璃架015与上端盖间设有密封环013。所述增透玻璃架015通过外螺纹安装在上端盖的焊接口处的内螺纹上。上端盖01内侧壁上设有环形气体缓冲槽012，上端盖01上设有连通气体缓冲槽012和上端盖01外侧的进气管031，进气管031一部分呈环形设置在气体缓冲槽012内，气体缓冲槽012内的进气管031上呈圆形阵列有排水气孔032，气体缓冲槽的槽口处设有减速筛网02；所述减速筛网02为金属筛网，金属筛网通过挡圈固定在气体缓冲槽槽口处的上端盖内壁上。上端盖01盖设在所述排水罩09上，所述的排水密封垫05呈环状、密封安装在排水罩下端，排水密封垫05上设有呈环形的柔性橡胶裙衬套07；胶裙衬套07呈喇叭状向下延伸出排水密封垫下端。所述的上端盖上设有至少两根进气管，两根进气管对称的设置在上端盖上。进气更均匀，形成的压水气体层更稳定。所述的上端盖的盖口上设有调距罩04，调距罩04经螺纹与排水罩09连接。所述调距罩04通过外螺纹与上端盖内螺纹连接，所述排水罩通过外螺纹与调距罩连接，构成了水下激光焊接用排水装置的伸缩结构；所述排水密封垫通过卡箍08与排水罩下端部连接。所述水下激光焊炬通过夹持装置固定在激光头下方。所述激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上。水下激光焊炬上方的进气管经三通阀与空气压缩机10和焊接保护气气瓶12的出气端连接，保护气气瓶上带有阀门和流量显示计。气体流量计8设在进气管与空气压缩机间的连接管路上，气体流量计通过油水分离器9和截止阀11安装在空气压缩机出气端上。所述空气压缩机10产生的高压气流先后通过截止阀11、油水分离器9和气体流量计8进入水下激光焊炬4内，所述截止阀11可打开或关闭，用于控制所述水下激光焊炬4内高压气流的流通，所述油水分离器9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10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8可以对从油水分离器9中流出的高压气体流速进行实时监控，确保水下激光焊炬4能够在水下形成稳定的局部干燥空间。

如图3所示，所述焊接工作台5包括台面51、夹具52和焊接工件53。所述焊接工作台5的台面51上设置有所述夹具52，所述夹具52包括两块相互平行的压板521、压板两端设有长条形调节通孔522，调节通孔内设有将压板与台面固定连接的调节螺栓523，所述压板521设置有两个，用于装夹所述焊接工件53，所述压板521的两端各设置一个相互平行的所述调节通孔522，所述焊接工作台5的台面51上设置有与所述压板521上的调节通孔522相对应的螺纹孔，所述压板521通过所述调节螺栓523与所述台面51上的螺纹孔连接到所述台面51上，且所述调节螺栓523可在所述压板521上的调节通孔522内滑动，调整所述压板51与所述焊接工件53的相对位置。

本发明提供的一种模拟浅水环境的水下激光焊接装置的使用方法为：

焊接工作人员首先将打磨干净的焊接工件53通过所述焊接工件夹具52固定到所述焊接工作台5上，通过所述透明水箱6侧板62上的进水孔622向所述透明水箱6内注水，根据侧板62上的刻度尺621获得需要的焊接水深，然后通过导气管将水下激光焊炬4、焊接保护气气瓶12、气体流量计8、油水分离器9以及空气压缩机10连接起来，打开空气压缩机10，利用气体流量计8，通过调整截止阀11和油水分离器9获得额定流速的高压空气流；接着，在所述焊接机器人2的辅助作用下将水下激光焊炬4放入透明水箱6内待焊工件53上方，保持水下激光焊炬4在焊接初始位置停留一定时间，优选地，所述水下激光焊炬4的停留时间为10 s左右，以保证在待焊工件53上方形成稳定的局部干燥空间；随后，关闭空气压缩机10，打开焊接保护气气瓶12，向水下激光焊炬4内通入焊接保护气体，在水下营造一个由焊接保护气体保护的局部干燥环境，并按照预先制订好的试验方案，以焊接机器人2作为运动机构，沿某一方向在一定的焊接工艺规范下进行水下激光焊接试验；焊接工作完成后，关闭所述光纤激光器1；继续维持所述空气压缩机10处于工作状态，向水下激光焊炬4内通入空气，直至所述焊接机器人2将水下激光焊炬4完全移出水面，打开所述透明水箱6底板上的排水孔611，待透明水箱6内的水排尽后取出所述焊接工件53。

本发明提供的水下激光焊接装置，在使用过程中能够模拟真实的浅水环境，采用高压气体从水下激光焊炬内喷出，带等距离出气孔的环向进气方式在排水装置内部形成层流，在待焊工件上方获得稳定的局部干燥空间，在整个焊接过程中能够保证局部干燥环境的稳定，从而获得高质量的水下激光焊缝。本发明具有结构简单、使用方便，可安全稳定的实现水下激光焊接。通过调距罩与排水罩体之间的分体式设计及螺纹连接构成伸缩结构，通过螺纹的旋进旋出来改变本发明的高度从而达到调整离焦量的目的。本发明具有结构简单、使用方便，能够获得稳定的水下局部干燥空间、实现水下激光焊接的有益效果。

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 (8)

1.一种模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于包括透明水箱、焊接工作台、光纤激光器、焊接机器人、激光头、水下激光焊炬、空气压缩机、焊接保护气气瓶和气体流量计；透明水箱上设置有进水孔和排水孔，焊接工作台设在透明水箱内；光纤激光器经光纤与激光头连接，激光头通过转接板与焊接机器人连接，水下激光焊炬设置在激光头下方，水下激光焊炬上方的进气口经三通阀与空气压缩机和焊接保护气气瓶的出气端连接，进气口与空气压缩机间的连接管路上设有气体流量计。

2.根据权利要求1所述的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于所述水下激光焊炬通过夹持装置固定在激光头下方，所述激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于所述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上。

4.根据权利要求1所述的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于所述的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，所述底板上设置有排水孔；透明水箱内设有焊接工作台，焊接工作台上设有焊接工件夹具。

5.根据权利要求4所述的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于所述的焊接工件夹具的结构为：焊接工作台的台面上设有两块相互平行的压板，压板两端设有长条形调节通孔，调节通孔内设有将压板与台面固定连接的调节螺栓。

6.根据权利要求1所述的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于所述的水下激光焊炬的结构如下：包括上端盖、排水罩和排水密封垫，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，上端盖内侧壁上设有环形气体缓冲槽，上端盖上设有连通气体缓冲槽和上端盖外侧的进气管，进气管呈环形设置在气体缓冲槽内，气体缓冲槽内的进气管上呈圆形阵列有排水气孔，气体缓冲槽的槽口处设有减速筛网；上端盖盖设在所述排水罩上，所述的排水密封垫呈环状、密封安装在排水罩下端，排水密封垫上设有呈环形的柔性橡胶裙衬套。

7.根据权利要求1所述的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于所述的胶裙衬套呈喇叭状向下延伸出排水密封垫下端；所述的上端盖上设有至少两根进气管，两根进气管对称的设置在上端盖上；所述的上端盖的盖口上设有调距罩，调距罩经螺纹与排水罩连接。

8.根据权利要求1所述的模拟浅水环境的水下激光焊接装置，其特征在于上述水下激光焊接装置的使用方法，其特征在于包括如下操作步骤：

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、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空气，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待焊工件上方，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，打开所述焊接保护气气瓶通入焊接保护气体，在水下营造一个由焊接保护气体保护的局部干燥环境，并按照预先制订好的试验方案进行水下激光焊接试验;

步骤四：焊接工作完成后，关闭所述光纤激光器；继续维持所述空气压缩机处于工作状态，向水下激光焊炬内通入空气，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。