CN107931842A - 一种水下激光增材制造装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种水下激光增材制造装置及其使用方法，涉及水下激光增材制造设备领域，包括光纤激光器、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、送丝机、保护气气瓶、光纤和导丝管；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，水下激光焊炬进气口分别与空气压缩机和保护气气瓶相连，水下激光焊炬下部设有导丝管，扫描装置设置在水下激光焊炬内部；所述的扫描装置、焊接机器人、送丝机、光纤激光器和气体流量计与控制系统电气连接。本发明结构简单、使用方便，适用于对舰艇水下部分应急抢修。

Description

一种水下激光增材制造装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及水下激光增材制造设备技术领域，详细讲是一种结构简单、使用方便，适用于对舰艇水下部分应急抢修的水下激光增材制造装置及其使用方法。

背景技术

随着当今世界陆地资源的越发枯竭，海洋的重要性是不言而喻的，谁拥有了海洋谁就会在以后的世界中起主导地位。我国作为一个海洋大国，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。

增材制造技术可利用三维模型直接制造出形状复杂的结构，大幅减少工序、节约工时。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、对环境友好等优点。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。对于破损、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。掌握先进的水下增材修复技术，对战斗舰艇的水下维修、潜艇水下故障的排除等防救工作有着重大的意义，具有广泛的需求。然而，目前为止水下激光增材制造技术鲜有报道，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，适用于对舰艇水下部分应急抢修的水下激光增材制造装置及其使用方法。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种水下激光增材制造装置，其特征在于包括光纤激光器、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、送丝机、保护气气瓶、光纤和导丝管；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分别与空气压缩机出气端和保护气气瓶的出气口相连，水下激光焊炬上方的进气口与空气压缩机相连的管路上设有气体流量计和油水分离器，水下激光焊炬下部设有送丝口，送丝口上设有导丝管，扫描装置设置在水下激光焊炬内部、与激光头的位置相对固定；送丝机输出的增材制造丝由水下激光焊炬的导丝管送入水下激光焊炬内；所述的扫描装置、焊接机器人、送丝机、光纤激光器和气体流量计与控制系统电气连接。

本发明中所述的水下激光焊炬的结构如下：包括上端盖、内层排水筒、外层排水筒和排水密封垫，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，内层排水筒套设在外层排水筒内，上端盖上分别设有与内层排水筒和外层排水筒相其配合的内调距筒和外调距筒，内调距筒经螺纹与内层排水筒密封连接，外调距筒经螺纹与外层排水筒密封连接；内调距筒和外调距筒上端与上端盖密封连接，外调距筒、外层排水筒、内层排水筒、内调距筒和上端盖围成外排水腔，内调距筒、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口，外调距筒上部周向均布至少三个沿外调距筒内侧壁切向设置的外排水腔进气口；所述的排水密封垫呈环状、密封安装在外层排水筒下端，排水密封垫上设有呈环形的柔性橡胶裙衬套；外层排水筒下部设有送丝口，送丝口上设有导丝管。内调距筒与内层排水筒螺纹配合、外调距筒与外层排水筒螺纹配合构成了排水伸缩结构；所述排水密封垫通过卡箍与排水罩下端部连接。

本发明中所述的内排水腔进气口与水平方向呈60-80度角，外排水腔进气口与水平方向呈8-15度角。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。所述的柔性橡胶裙衬套呈喇叭状向下延伸出排水密封垫下端。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。所述外层排水筒体进气口和内层排水筒体进气口均通过快速接头与供气装置连接。

本发明中所述的导丝管由外至内向下倾斜的固定在外层排水筒下部外侧上，导丝管设有耐高温绝缘棉，导丝管外端上设有O型密封圈。

本发明中所述水下激光焊炬设置在激光头下方，激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上，所述的内排水腔进气口通过导气管与保护气气瓶连接，所述的外排水腔进气口通过气体流量计、油水分离器和截止阀与空气压缩机13相连。利用高压气流在水下形成稳定的局部干燥环境，水下激光焊炬下方设有送丝口，可实现丝材的准确送给。

本发明中所述增材制造丝为镍基合金，由送丝机送至水下激光焊炬内。

本发明中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。

为了测试本发明的使用效果，设有透明水箱，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；透明水箱内设有夹具，焊接工件经夹具固定在透明水箱内。

上述水下激光增材制造装置的使用方法，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至水下待焊接工件上方，并在待焊接工件上方形成稳定的局部干燥空间；

步骤二：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，对增材制造路径进行规划；

步骤三：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，打开激光器，调整光斑直径、光束焦点与基板表面相对位置以及丝材与光束及基板表面的相对位置，按照增材路径，对工件进行填丝增材制造；

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。

本发明提供的水下激光增材制造装置，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。本发明结构简单、使用方便，适用于对舰艇水下部分应急抢修。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中的水下激光焊炬的结构示意图。

图3是图2所示的水下激光焊炬中导丝管处的结构示意图。

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。

如图1所示的水下激光增材制造装置，包括光纤激光器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、送丝机15、保护气气瓶16、光纤17和导丝管18；光纤激光器1经光纤与激光头连接，光纤激光器1产生的激光束通过光纤17进入激光头5，所述激光头5通过夹持装置与转接板4连接，转接板4一端与焊接机器人3连接；水下激光焊炬设置在激光头下方，激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上。水下激光焊炬的结构如下：包括上端盖01、内层排水筒09、外层排水筒04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017，焊接口017上密封安装有玻璃板016，玻璃板016为增透玻璃板，增透玻璃板经增透玻璃架018安装在上端盖的焊接口017上，增透玻璃架018与上端盖间设有密封环；内层排水筒09套设在外层排水筒04内、二者中线重合，上端盖01上分别设有与内层排水筒09和外层排水筒04相其配合的、中线重合的内调距筒012和外调距筒02，内调距筒012经螺纹与内层排水筒09密封连接，外调距筒02经螺纹与外层排水筒04密封连接；内调距筒和外调距筒上端与上端盖下侧密封连接，外调距筒、外层排水筒、内层排水筒、内调距筒和上端盖围成呈环形筒状的外排水腔，内调距筒、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四个内排水腔进气管，内排水腔进气管在内排水腔进气口015处倾斜设置，内排水腔进气口015处的管路与水平方向呈60-80度角；外调距筒上部周向均布四个外排水腔进气管，外排水腔进气管在外排水腔进气口013处沿外调距筒内侧壁切向且倾斜设置，外排水腔进气口013处的管路与水平方向呈8-15度角；所述的排水密封垫05呈环状、密封安装在外层排水筒下端，排水密封垫05上设有呈环形的柔性橡胶裙衬套06；外层排水筒下部设有送丝口，送丝口上设有导丝管18。内调距筒与内层排水筒螺纹配合、外调距筒与外层排水筒螺纹配合构成了排水伸缩结构；所述排水密封垫通过卡箍与排水罩下端部连接。水下激光焊炬上方的内排水腔进气口通过导气管与保护气气瓶16连接，所述的外排水腔进气口通过气体流量计11、油水分离器12和截止阀14与空气压缩机13相连；扫描装置6设置在水下激光焊炬7内部，与激光头5的位置相对固定；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，送丝机输出的增材制造丝08由水下激光焊炬的导丝管送入水下激光焊炬内；所述的扫描装置6、焊接机器人3、送丝机15、光纤激光器1和气体流量计11与控制系统电气连接。控制系统为PLC控制器或PC机，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。所述的导丝管18包括管体182、和O型密封圈181，管体182由外至内向下倾斜的固定在外层排水筒04下部外侧上，管体182内设有耐高温绝缘棉183，管体182外端上设有O型密封圈181。

如图1所示，为了测试本发明的使用效果，设置了透明水箱9，透明水箱9设置在支撑架10上，透明水箱9内设有工作台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；透明水箱内的工作台8上设有夹具，焊接工件07经夹具固定在透明水箱9内的工作台8上。

所述扫描装置6对破损的焊接工件07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将焊丝通过水下激光焊炬7下部送丝孔，经由导丝管18送至位置激光头5下方；所述送丝管与工件水平方向成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，按照之前生成的增材制造路径开始水下激光增材制造。

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，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16产生的气体进入水下激光焊炬7内，对增材制造区域进行保护。

本发明提供的一种浅水环境下的水下激光增材制造装置的使用方法为：

工作人员首先将预先设置的破损试验工件（焊接工件07）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，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10s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，经由导丝管18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，每成形5层后重新调整离焦量以消除层厚差异带来的误差；增材制造完成后，关闭所述光纤激光器1；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。

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 (6)

1.一种水下激光增材制造装置，其特征在于包括光纤激光器、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、送丝机、保护气气瓶、光纤和导丝管；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分别与空气压缩机出气端和保护气气瓶的出气口相连，水下激光焊炬上方的进气口与空气压缩机相连的管路上设有气体流量计和油水分离器，水下激光焊炬下部设有送丝口，送丝口上设有导丝管，扫描装置设置在水下激光焊炬内部、与激光头的位置相对固定；送丝机输出的增材制造丝由水下激光焊炬的导丝管送入水下激光焊炬内；所述的扫描装置、焊接机器人、送丝机、光纤激光器和气体流量计与控制系统电气连接。

2.根据权利要求1所述的水下激光增材制造装置，其特征在于所述的水下激光焊炬的结构如下：包括上端盖、内层排水筒、外层排水筒和排水密封垫，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，内层排水筒套设在外层排水筒内，上端盖上分别设有与内层排水筒和外层排水筒相其配合的内调距筒和外调距筒，内调距筒经螺纹与内层排水筒密封连接，外调距筒经螺纹与外层排水筒密封连接；内调距筒和外调距筒上端与上端盖密封连接，外调距筒、外层排水筒、内层排水筒、内调距筒和上端盖围成外排水腔，内调距筒、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口，外调距筒上部周向均布至少三个沿外调距筒内侧壁切向设置的外排水腔进气口；所述的排水密封垫呈环状、密封安装在外层排水筒下端，排水密封垫上设有呈环形的柔性橡胶裙衬套；外层排水筒下部设有送丝口，送丝口上设有导丝管。

3.根据权利要求2所述的水下激光增材制造装置，其特征在于所述的内排水腔进气口与水平方向呈60-80度角，外排水腔进气口与水平方向呈8-15度角。

4.根据权利要求3所述的水下激光增材制造装置，其特征在于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；所述的柔性橡胶裙衬套呈喇叭状向下延伸出排水密封垫下端。

5.根据权利要求4所述的水下激光增材制造装置，其特征在于所述水下激光焊炬设置在激光头下方，激光头和水下激光焊炬在竖直方向位于同一直线上，所述的内排水腔进气口通过导气管与保护气气瓶连接，所述的外排水腔进气口通过气体流量计、油水分离器与空气压缩机相连。

6.上述水下激光增材制造装置的使用方法，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至水下待焊接工件上方，并在待焊接工件上方形成稳定的局部干燥空间；

步骤二：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，对增材制造路径进行规划；

步骤三：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，打开激光器，调整光斑直径、光束焦点与基板表面相对位置以及丝材与光束及基板表面的相对位置，按照增材路径，对工件进行填丝增材制造；

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。