CN108581145A - 一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,步骤为:第一步为待焊位置定制排水罩的三维模型;第二步创建并3D打印模具;第三步设计预热线圈并选用相匹配的预热控制模块;第四步将预热线圈、预热控制模块、排水口、排烟进气口,连接螺钉、排烟口和排水进气口安装到排水罩模具内;第五步:向模具中倒入罩体材料;第六步:在室温下进行排水罩体的固化;第七步:取出固化好的且已经集成预热功能的排水罩体,安装设有焊条穿入结构的有机玻璃观察窗。本发明的有益效果是:排水罩结构紧凑,使用方便;预热温度上限高、预热速度快,容易控制;提高了排水罩使用的灵活性,适应各种不同的待焊位置。
Description
技术领域
本发明涉及水下焊接技术领域,特别涉及一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法。
背景技术
随着近几十年来经济的飞速发展,我国海洋资源的开发项目越来越多,海洋石油平台,海底油气管道等结构的数量也越来越大。由于海上环境恶劣复杂,钢结构容易出现腐蚀,裂纹等缺陷。这些缺陷如果不能被及时的修复,将会为海上作业人员的生命安全以及海洋环境带来很大的隐患。水下焊接是修复这些缺陷的重要手段。
目前,水下焊接的手段主要分为湿法焊接、局部干法焊接和干法焊接。湿法焊接虽然成本较低且比较灵活,但是因为不采用任何的排水措施,所以焊接的可见性差,不易操控,冷却速度快,焊缝的含氢量高;湿法焊接的接头质量较差,难以达到重要海洋工程的焊接要求;干法焊接虽然能够保证焊接质量但是设备十分复杂,成本高,工期长且很难适应所有的焊接结构。因此干法焊接也不是海洋工程中理想的焊接方法。局部干法焊接是人为地将焊接区域的水排开形成一部分无水区进行焊接。这种焊接方法集成了湿法焊接的灵活性和干法焊接较高的焊接质量,是很有应用前景的水下焊接方法。
近年来出现了不同种类的水下局部焊接排水罩。目前常用的局部干法焊接采用的是可移动式的排水罩。这种排水罩是安装在潜水员头盔上的,焊接过程中,向排水罩中通入气体从而排水来形成一个局部气相的空间。这种焊接方法存在的问题在于焊接完成后,高温焊缝将金属立即与水接触,迅速冷却,形成淬硬组织,降低焊缝质量。中国海洋石油总公司研制了一种管状结构水下局部干法焊接用排水罩。这种排水罩是固定式的,并且有特制的预热板。通过在预热板上进行堆焊对焊缝进行预热。但是这种通过热传导预热的方式速度慢,预热温度上限低,不太容易满足水下焊接需求。
目前的局部水下焊接仍然存在一些问题:(1)没有较好的预热方式,导致焊缝金属冷却速度快,出现未熔合等缺陷排水;(2)排水罩的集成度较差,导致使用起来比较麻烦;(3)排水罩的适应性较差,对于形状复杂,空间受限的修复区域很难进行修复。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,通过将预热线圈和预热控制模块浇筑在排水罩体内的方法实现预热功能的集成;通过3D打印模具实现为不同的水下待焊位置的排水罩。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,该排水罩包括排水口、排烟进气口、排水罩体、连接螺钉、焊条穿入结构、排烟口、预热控制模块、排水进气口、预热线圈和有机玻璃观察窗,所述焊条穿入结构设置在有机玻璃观察窗上,该方法的步骤为:第一步:利用CAD软件为待焊位置定制排水罩的三维模型;第二步:根据定制的排水罩三维模型创建模具的三维模型,并用3D打印的方式制作模具;第三步:根据待焊位置形状为其设计预热线圈并选用与预热线圈相匹配的预热控制模块;第四步:将预热线圈、预热控制模块、排水口、排烟进气口,连接螺钉、排烟口和排水进气口安装到排水罩模具内;第五步:向模具中倒入罩体材料;第六步:在室温下进行排水罩体的固化;第七步:取出固化好的且已经集成预热功能的排水罩体,安装有机玻璃观察窗。集成了预热功能的局部干法焊接排水罩制作完成。
所述步骤二具体步骤为:1)根据排水罩的三维模型,利用CAD软件中的模具设计功能为排水罩设计模具,并将模具的上下型腔保存为STL格式文件;2)将上下型腔的STL文件输入3D打印机驱动程序,利用3D打印机将排水罩上下型腔打印出来。
所述步骤五的罩体材料为硅橡胶或天然橡胶或高温橡胶或环氧树脂。
所述步骤六的室温为15℃-30℃。
所述排水罩由排水口、排烟口、排水进气口、排烟进气口、预热线圈,预热控制模块和连接螺钉浇筑为一体。
所述排水罩上设有有机玻璃观察窗。
所述焊条穿入结构与所述有机玻璃观察窗铆接连接。
本发明的有益效果是:将预热功能集成到排水罩体内,使得排水罩结构紧凑,使用方便;预热温度上限高、预热速度快,容易控制;利用3D打印为待焊位置定制模具,能够大大提高排水罩使用的灵活性,从而适应各种不同的待焊位置。
附图说明
图1为制作集成预热功能的局部干法焊接排水罩的流程图;
图2为针对立焊位置角焊缝设计的集成预热功能的局部干法焊接排水罩结构示意图;
图3a为立焊位置角焊缝实施状态示意图;
图3b为排水罩固定在角焊缝上的实施状态示意图。
其中
1.排水口 2.排烟进气口 3.排水罩体
4.连接螺钉 5.焊条穿入结构 6.排烟口
7.预热控制模块 8.排水进气口 9.预热线圈
10.有机玻璃观察窗
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明:
如图2所示,一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,排水罩结构包括:排水口1、排烟进气口2、排水罩体3、连接螺钉4、焊条穿入结构5、排烟口6、预热控制模块7、排水进气口8、预热线圈9、有机玻璃观察窗10。预热功能是通过将预热线圈和预热控制模块浇筑到排水罩体内实现与排水罩集成的。焊接时,利用排水罩体3形成一个局部的气相区域,使得电弧能够在其中稳定燃烧从而保证焊接质量。通过有机玻璃观察窗10,潜水员能够较为清楚的看到整个焊接过程。
具体实施步骤如图1所示。
第一步:利用CAD软件为待焊位置定制排水罩的三维模型;
水下焊接的待焊位置几何形状各种各样,所以需要按照待焊位置几何形状特制排水罩。要求设计的排水罩能够完全罩住待焊位置,没有缝隙。预留的有机玻璃观察窗与焊缝的距离要适当。过大会使得焊条伸入排水罩内的长度过长,潜水员操作困难。过小则电弧在焊缝上可以移动的距离过短,不能形成连续焊缝。设计时应考虑预留出排水口1,排烟口6,连接螺钉4,预热线圈9,预热控制模块7等元件的空间,保证这些元件能够在浇筑的过程中集成到排水罩体3内部。设计时,应利用CAD软件为待焊位置,排水罩体3建立三维模型,在软件中模拟排水罩扣在待焊位置上的状态,防止出现漏水,干涉等问题。
第二步:根据定制的排水罩三维模型创建模具的三维模型,并用3D打印的方式制作模具;
1)根据排水罩的三维模型,利用CAD软件中的模具设计功能为排水罩设计模具,并将模具的上下型腔保存为STL格式文件;
常用的CAD软件都集成了模具设计功能。以CAD软件Inventor Professional 2018为例:通过提供排水罩的三维模型,选择浇筑材料,定义模具参数,定义毛坯,定义分型面,生成型芯和型腔就可以直接生成用于浇筑排水罩的上下型腔三维模型文件。根据实际情况对生成上下型腔的三维模型进行修改。注意预留出排水口1,排烟进气口2,连接螺钉4,排烟口6,预热控制模块7,排水进气口8,预热线圈9的安装位置。在完成模型修改后将上下型腔另存为STL格式文件。
2)将上下型腔的STL文件输入3D打印机驱动程序,利用3D打印机将排水罩上下型腔打印出来;
用3D打印机的驱动程序打开CAD软件生成的上下型腔的三维模型。在3D打印机的驱动程序中输入3D打印机的分辨率,3D打印机会自动生成3D打印的每一层的横截面的形状以及3D打印过程中所需的支撑结构。工程师在驱动程序中完成编辑后按下3D打印机的打印按钮即可完成上下型腔的3D打印过程。可以使用的3D打印方法包括FDM,STL,SHS,SLS。
第三步:根据待焊位置形状为其设计预热线圈并选用与预热线圈相匹配的预热控制模块;
预热线圈9排布在待焊位置附近,其形状应与接头附近的形状平行以达到较好的预热效果。在线圈设计完成后应根据线圈的特性为其选择合适的预热控制模块7。
第四步:将预热线圈、预热控制模块、排水口、排烟进气口,连接螺钉、排烟口和排水进气口安装到排水罩模具内;
本发明的重要特点之一就是将预热线圈9,预热控制模块7集成到了排水罩罩体3内。在这一步中,应注意将预热线圈9及预热控制模块7完全埋入排水罩体内。防止发生漏电等危险。排水口1,排烟进气口2,连接螺钉4,排烟口6,排水进气口8应小心安装在模具上,保证安装的可靠性,防止在后续的倒入罩体材料的过程中偏离预定位置而导致浇筑失败。
第五步:向模具中倒入罩体材料。
罩体材料可以根据实际需要和情况进行选择,选择的原则是罩体材料在固化前为可流动的流体且可以在室温下固化,固化后有一定的硬度以及密封性能。硅橡胶,天然橡胶,高温橡胶,环氧树脂都可以作为罩体材料进行浇筑。浇筑前应保证材料体的组分充分搅拌均匀,尽量排出材料内的气体。防止在凝固后大量气体残留在排水罩体内,影响排水罩的气密性和使用性能。
第六步:在室温下进行排水罩体的固化。
固化温度为室温,一般为15℃-30℃。罩体的固化时间根据选用材料的不同而不同。为了保证预热线圈9,预热控制模块7排水口1,排烟进气口2,连接螺钉4,排烟口6,排水进气口8能够成功的集成到排水罩体内,应保证罩体材料有充足的固化时间。
第七步:取出固化好的且已经集成预热功能的排水罩体,安装有机玻璃观察窗。集成了预热功能的局部干法焊接排水罩制作完成;
在将有机玻璃窗10安装到排水罩体3上之前,需先将焊条穿入结构5安装到有机玻璃窗10上。焊条穿入结构5是一种橡胶材料的密封装置,其作用在于能够使焊条穿过其上的焊条穿入孔进入局部气相区域并在焊接过程中能够使得焊条在焊缝方向自由摆动的同时防止外界的水进入形成的局部气相的区域。将已经安装有焊条穿入结构5的有机玻璃观察窗10安装到排水罩体3上即可完成排水罩的制作过程。至此,排水罩制作完毕。
下面结合立焊位置角焊缝实例,图2及图3说明集成预热功能的局部干水下焊接法排水罩的结构及使用方法。
如图2所示,一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩包含以下结构:1.排水口;2.排烟进气口;3.排水罩体;4.连接螺钉;5.焊条穿入结构;6.排烟口;7.预热控制模块;8.排水进气口;9.预热线圈;10.有机玻璃观察窗。
所述的排水口1,排烟口6,排水进气口8,排烟进气口2是通过整体浇筑入排水罩体3内实现与排水罩体3连接的。
所述的预热线圈9,预热控制模块7是通过整体浇筑入排水罩体3内实现与排水罩体3连接的。
所述的有机玻璃观察窗10与排水罩体3是通过连接螺钉4及螺母连接的。
所述的焊条穿入结构5和有机玻璃观察窗10上均有相对应的通孔结构,焊条穿入结构9和有机玻璃观察窗10是通过铆钉进行连接的。
结合立焊位置角焊缝的具体焊接过程说明集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的使用方法。在本排水罩的实际使用过程中,首先应在待焊位置上安装,固定排水罩体:利用绳索将排水罩紧压在焊接区域,要求排水罩罩体与待焊位置没有缝隙以防止焊接过程中进水而降低接头质量。之后,从排水进气口通入压缩气体,将排水罩内的水从排水口排出:如图3b所示,在排烟过程中关闭排烟口6,排烟进气口2的阀门。将高压气体接入排水进气口8。打开排水进气口8,排水口1。由于水的密度大于气体密度,故排水罩内部的水将从位置相对较低的排水口1排出。然后,打开预热系统进行预热:当潜水员通过观察窗观察到排水罩内的水完全排出后通知船上人员,船上人员启动预热控制模块。预热线圈9通过在接头附近的金属中产生的涡旋电场实现感应加热。待达到预热时间后,船上人员关闭预热控制模块。预热时间的确定是通过在陆地上进行预试验确定出来的。接下来即可实施水下焊接作业并利用高压气体将焊接过程中产生的烟排出排水罩:如图3b所示,潜水员通过焊条穿入结构将焊条插入形成的局部气相区。关闭排水口1,排水进气口8的阀门,将高压气体接入排烟进气口2。打开排烟进气口2,排烟口6的阀门。高压气体可以将焊接过程中产生的烟从位置相对较高的排烟口6排出排水罩体3。焊接过程中,潜水员通过焊条沿焊缝和焊条穿入结构5上的焊条穿入孔所形成的平面摆动来实现较长焊缝的焊接。当潜水员发现摆动角度太大以至于不能适应焊接过程的时候可以将焊条抽出,将焊条穿入结构上的盖子盖好后换用相邻的那个焊条穿入结构继续焊接。这样就可以实现在不移动排水罩的情况下焊接较长的焊缝。最后,焊接完成后抽出焊条并盖上盖子。待焊缝凝固,冷却后再移除排水罩,防止焊缝金属与水的接触而导致淬硬和含氢量高等问题。
Claims (7)
1.一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,该排水罩包括排水口、排烟进气口、排水罩体、连接螺钉、焊条穿入结构、排烟口、预热控制模块、排水进气口、预热线圈和有机玻璃观察窗,所述焊条穿入结构设置在有机玻璃观察窗上,其特征在于:该方法步骤为:
第一步:利用CAD软件为待焊位置定制排水罩的三维模型;
第二步:根据定制的排水罩三维模型创建模具的三维模型,并用3D打印的方式制作模具;
第三步:根据待焊位置形状为其设计预热线圈并选用与预热线圈相匹配的预热控制模块;
第四步:将预热线圈、预热控制模块、排水口、排烟进气口,连接螺钉、排烟口和排水进气口安装到排水罩模具内;
第五步:向模具中倒入罩体材料;
第六步:在室温下进行排水罩体的固化;
第七步:取出固化好的且已经集成预热功能的排水罩体,安装有机玻璃观察窗。集成了预热功能的局部干法焊接排水罩制作完成。
2.根据权利要求1所述的一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,其特征在于,所述步骤二具体步骤为:
1)根据排水罩的三维模型,利用CAD软件中的模具设计功能为排水罩设计模具,并将模具的上下型腔保存为STL格式文件;
2)将上下型腔的STL文件输入3D打印机驱动程序,利用3D打印机将排水罩上下型腔打印出来。
3.根据权利要求1所述的一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,其特征在于,所述步骤五的罩体材料为硅橡胶或天然橡胶或高温橡胶或环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩的制作方法,其特征在于,所述步骤六:室温为15℃-30℃。
5.根据权利要求1所述的一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩,其特征在于:所述排水罩由排水口、排烟口、排水进气口、排烟进气口、预热线圈,预热控制模块和连接螺钉浇筑为一体。
6.根据权利要求1所述的一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩,其特征在于:所述排水罩上设有有机玻璃观察窗。
7.根据权利要求1所述的一种集成了预热功能的局部干法焊接排水罩,其特征在于:所述焊条穿入结构与所述有机玻璃观察窗铆接连接。
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