CN110539081A - 一种深水管道复合铣削增减材原位修复设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深水管道复合铣削增减材原位修复设备，包括修复舱、装备舱、刀具库、本地控制系统、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统和监控系统。本发明利用水下高压干法进行水下金属增材制造，使得修复后零件孔洞少、裂纹少、致密度高、强度高、力学性能好。本发明采用等离子熔融沉积、激光熔融沉积结合减材制造可以满足多种条件下的修复工作，通过激光预沉积的方式解决了等离子熔融沉积第一层界面结合的问题，可以实现异种材料的修复；本发明在修复完成后，通过激光熔融沉积一层抗腐蚀层，可以大大提高修复后的零件质量。
Description
技术领域
本发明涉及深水金属零件增材制造修复技术领域，尤其涉及一种深水管道复合铣削增减材原位修复设备与方法。
背景技术
随着自然资源的不断开发，海洋石油和天然气已经成为当今人类的主要的能源来源之一。海洋油气管道等是其运输的首选途径，1865年美国宾夕法尼亚建成了世界上第一条输油管道，二战之后，美国开始大规模建造长距离海洋油气管道，到目前我国铺设的海底油气管道超过了6000km。由于海水不断的侵蚀管道，深海油气管道的修复具有重要意义。而随着增材制造技术的出现与发展，水下增材制造技术成为了深海管道制造与修复的关键技术。
金属熔融沉积技术是利用高能束对金属材料直接熔融、堆积而成的一种3D打印技术，具有高效快速的优点，在大型零件的快速、大型模具的制造与修复方面具有广阔的应用前景。
但是水下金属增材制造，一方面存在“水冷”的问题，即增材制造出来的熔道会直接接触海水从而快速冷却，这是一个不可控的过程，容易影响打印质量，造成孔洞裂纹等缺陷，降低力学性能；另一方面则存在难以操作的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种深水管道复合铣削增减材原位修复设备。本发明能够实现在水下快速高质量地修复管道。
本发明的目的能够通过以下技术方案实现：
一种深水管道复合铣削增减材原位修复设备，包括修复舱、装备舱、刀具库、本地控制系统、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统和监控系统；
修复舱两侧均设有可替换舱门和密封舱门，用于将待修复管道装载到修复舱内并保证舱内气密性；修复舱顶部设有保护气气管接口，用于通过与水面配备的气瓶，向舱内提供高压保护气将舱内液体排除；修复舱底部设有活动舱底和密封垫，用于在将修复舱内液体排空后，封闭修复舱；
装备舱与修复舱之间设有装备舱门和密封条，用于在修复舱排水工作未完成时保持密闭状态；装备舱顶部设有综合管线接头，用于从水面引入电源线、气管、通信线；
所述刀具库、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统、监控系统和控制系统均设置在装备舱内部；
增材修复系统包括同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、送丝机、激光器、等离子焊机和激光器水冷机；
所述送丝机分别与同轴送丝等离子焊枪和同轴送丝激光熔覆头相连接，用于向其提供不同直径的金属丝材；
所述同轴送丝激光熔覆头可将高能实行激光转换成环形激光，以实现同轴送丝熔融。
减材处理系统包括打磨盘、三维扫描仪、电主轴和铣刀；所述三维扫描仪用于获取加工面的三维图像数据；所述打磨盘用于进行加工平面除锈和除贝类的预处理工作；
监控系统包括高清摄像头和熔池监控摄像头；所述高清摄像头用于获取装备舱整体高清图像；所述熔池监控摄像头搭载有光二极管，用于实时获取增材过程中熔池图像数据；
所述同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、打磨盘、三维扫描仪和铣刀均设置在刀具库内；
六轴机器人自带焊接模块，通过电主轴进行同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、打磨盘、三维扫描仪以及铣刀的装夹切换；
所述刀具库、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统和监控系统均通过信号线连接至本地控制系统，由本地控制系统进行协同控制。
进一步地，本地控制系统可通过综合管线接头引进信号线，将有关数据传输到水面上的控制系统，便于水面工作人员进行设备整体观察和控制。
本发明的另一目的在于提供一种深水管道复合铣削增减材原位修复方法，包括步骤：
(1)将修复设备吊装到指定工作地点，使修复舱罩住待修复管道；
(2)关闭可替换舱门和密封舱门，向修复舱内通入氩气以将水排空，水排空后关闭活动舱底，打开装备舱门；
(3)六轴机器人装夹三维扫描仪，扫描待修复部位，获取准确图像数据并传输给控制系统；
(4)将所获取的图像数据与工艺数据库对比，自动适配制定修复方案；
(5)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对待修复平面进行预处理，去除表面铁锈；
(6)六轴机器人切换装夹同轴送丝等离子焊枪或同轴送丝激光熔覆头，对待修复区域进行熔融沉积，直到沉积修复工作完成；
(7)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对沉积层进行后处理；
(8)六轴机器人切换装夹同轴送丝激光熔覆头对修复后的表面进行抗腐蚀材料的熔覆；
(9)六轴机器人切换装夹三维扫描仪，对修复后的区域进行三维扫描，获取高清三维图像数据传输至水面，技术人员确认修复是否完成；
(10)修复完成后将装备舱内设备恢复原位，关闭装备舱门，打开活动舱底、密封舱门和可替换舱门，将修复设备吊出水面。
具体地，采用同轴送丝式等离子焊枪进行等离子熔融沉积修复时，应当在加工第一层之前进行不送丝、低电流的若干次预热。
具体地，当采用异种材料进行等离子熔融沉积修复时，可以先在第一层采用激光熔融沉积来沉积一层。
具体地，所述步骤(7)中后处理为：当在沉积修复过程中，发现表面起伏过大，质量不佳时，可更换成打磨盘或铣刀将表面平整后，继续修复。
本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：
1、本发明采用利用水下高压干法进行水下金属增材制造，修复后的零件具有孔洞少、裂纹少、致密度高、强度高和力学性能好的优点。
2、本发明采用等离子熔融沉积和激光熔融沉积相结合的减材制造方法，结合了等离子熔融沉积速度快和激光熔融沉积精度高、结合界面强度高的优点，能够满足多种条件下的修复工作；另外，采用激光预沉积的方式可以解决等离子熔融沉积第一层界面结合的问题，可以实现异种材料的修复。
2、本发明提供了成型质量监控系统可以实时监控修复质量，能够及时结合减材方法、平整修复平面，提高修复质量。
4、本发明在修复完成后，通过激光熔融沉积一层抗腐蚀层，可以大大提高修复后的零件质量。
5、本发明在修复舱采用可替换舱门，可以适配不同直径的管道修复，同时还能实现部分非冠状的零件修复。
附图说明
图1是本发明深水圆柱状管道高压干法等离子-激光增材制造复合铣削增减材原位修复设备的舱体结构示意图。
图2是本发明深水圆柱状管道高压干法等离子-激光增材制造复合铣削增减材原位修复设备的舱体剖面示意图。
图3是本发明深水圆柱状管道高压干法等离子-激光增材制造复合铣削增减材原位修复设备中装备舱内结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
一种深水管道复合铣削增减材原位修复设备，包括修复舱1、装备舱4、刀具库16、本地控制系统18、六轴机器人22、增材修复系统、减材处理系统和监控系统；
如图1和图2所示分别为修复设备中舱体的结构示意图和剖面示意图。
修复舱两侧均设有可替换舱门3和密封舱门2，用于将待修复管道装载到修复舱内并保证舱内气密性；修复舱顶部设有保护气气管接口5，用于通过与水面配备的气瓶，向舱内提供高压保护气将舱内液体排除；修复舱底部设有活动舱底9和密封垫11，用于在将修复舱内液体排空后，封闭修复舱；
装备舱与修复舱之间设有装备舱门7和密封条8，用于在修复舱排水工作未完成时保持密闭状态；装备舱顶部设有综合管线接头6，用于从水面引入电源线、气管、通信线；
如图3所示为装备舱内的结构示意图，所述刀具库、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统、监控系统和控制系统均设置在装备舱内部；
增材修复系统包括同轴送丝等离子焊枪12、同轴送丝激光熔覆头13、送丝机17、激光器19、等离子焊机20和激光器水冷机21；
所述送丝机分别与同轴送丝等离子焊枪和同轴送丝激光熔覆头相连接，用于向其提供不同直径的金属丝材；
所述同轴送丝激光熔覆头可将高能实行激光转换成环形激光，以实现同轴送丝熔融。
减材处理系统包括打磨盘14、三维扫描仪15、电主轴23和铣刀24；所述三维扫描仪用于获取加工面的三维图像数据；所述打磨盘用于进行加工平面除锈和除贝类的预处理工作；
监控系统包括高清摄像头10和熔池监控摄像头25；所述高清摄像头用于获取装备舱整体高清图像；所述熔池监控摄像头搭载有光二极管，用于实时获取增材过程中熔池图像数据；
所述同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、打磨盘、三维扫描仪和铣刀均设置在刀具库内；
六轴机器人自带焊接模块，通过电主轴进行同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、打磨盘、三维扫描仪以及铣刀的装夹切换；
所述刀具库、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统和监控系统均通过信号线连接至本地控制系统，由本地控制系统进行协同控制。
进一步地，本地控制系统可通过综合管线接头引进信号线，将有关数据传输到水面上的控制系统，便于水面工作人员进行设备整体观察和控制。
一种深水管道复合铣削增减材原位修复方法，包括步骤：
(1)将修复设备吊装到指定工作地点，使修复舱罩住待修复管道；
(2)关闭可替换舱门和密封舱门，向修复舱内通入氩气以将水排空，水排空后关闭活动舱底，打开装备舱门；
(3)六轴机器人装夹三维扫描仪，扫描待修复部位，获取准确图像数据并传输给控制系统；
(4)将所获取的图像数据与工艺数据库对比，自动适配制定修复方案；
(5)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对待修复平面进行预处理，去除表面铁锈；
(6)六轴机器人切换装夹同轴送丝等离子焊枪或同轴送丝激光熔覆头，对待修复区域进行熔融沉积，直到沉积修复工作完成；
(7)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对沉积层进行后处理；
(8)六轴机器人切换装夹同轴送丝激光熔覆头对修复后的表面进行抗腐蚀材料的熔覆；
(9)六轴机器人切换装夹三维扫描仪，对修复后的区域进行三维扫描，获取高清三维图像数据传输至水面，技术人员确认修复是否完成；
(10)修复完成后将装备舱内设备恢复原位，关闭装备舱门，打开活动舱底、密封舱门和可替换舱门，将修复设备吊出水面。
具体地，采用同轴送丝式等离子焊枪进行等离子熔融沉积修复时，应当在加工第一层之前进行不送丝、低电流的若干次预热。
具体地，当采用异种材料进行等离子熔融沉积修复时，可以先在第一层采用激光熔融沉积来沉积一层。
具体地，所述步骤(7)中后处理为：当在沉积修复过程中，发现表面起伏过大，质量不佳时，可更换成打磨盘或铣刀将表面平整后，继续修复。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种深水管道复合铣削增减材原位修复设备，其特征在于，包括修复舱、装备舱、刀具库、本地控制系统、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统和监控系统；
修复舱两侧均设有可替换舱门和密封舱门，用于将待修复管道装载到修复舱内并保证舱内气密性；修复舱顶部设有保护气气管接口，用于通过与水面配备的气瓶，向舱内提供高压保护气将舱内液体排除；修复舱底部设有活动舱底和密封垫，用于在将修复舱内液体排空后，封闭修复舱；
装备舱与修复舱之间设有装备舱门和密封条，用于在修复舱排水工作未完成时保持密闭状态；装备舱顶部设有综合管线接头，用于从水面引入电源线、气管、通信线；
所述刀具库、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统、监控系统和控制系统均设置在装备舱内部；
增材修复系统包括同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、送丝机、激光器、等离子焊机和激光器水冷机；
所述送丝机分别与同轴送丝等离子焊枪和同轴送丝激光熔覆头相连接，用于向其提供不同直径的金属丝材；
减材处理系统包括打磨盘、三维扫描仪、电主轴和铣刀；所述三维扫描仪用于获取加工面的三维图像数据；所述打磨盘用于进行加工平面除锈和除贝类的预处理工作；
监控系统包括高清摄像头和熔池监控摄像头；所述高清摄像头用于获取装备舱整体高清图像；所述熔池监控摄像头搭载有光二极管，用于实时获取增材过程中熔池图像数据；
所述同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、打磨盘、三维扫描仪和铣刀均设置在刀具库内；
六轴机器人自带焊接模块，通过电主轴进行同轴送丝等离子焊枪、同轴送丝激光熔覆头、打磨盘、三维扫描仪以及铣刀的装夹切换；
所述刀具库、六轴机器人、增材修复系统、减材处理系统和监控系统均通过信号线连接至本地控制系统，由本地控制系统进行协同控制。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，本地控制系统可通过综合管线接头引进信号线，将有关数据传输到水面上的控制系统，便于水面工作人员进行设备整体观察和控制。
3.一种基于权利要求1-2所述设备的修复方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将修复设备吊装到指定工作地点，使修复舱罩住待修复管道；
(2)关闭可替换舱门和密封舱门，向修复舱内通入氩气以将水排空，水排空后关闭活动舱底，打开装备舱门；
(3)六轴机器人装夹三维扫描仪，扫描待修复部位，获取准确图像数据并传输给控制系统；
(4)将所获取的图像数据与工艺数据库对比，自动适配制定修复方案；
(5)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对待修复平面进行预处理；
(6)六轴机器人切换装夹同轴送丝等离子焊枪或同轴送丝激光熔覆头，对待修复区域进行熔融沉积，直到沉积修复工作完成；
(7)六轴机器人切换装夹打磨盘或铣刀对沉积层进行后处理；
(8)六轴机器人切换装夹同轴送丝激光熔覆头对修复后的表面进行抗腐蚀材料的熔覆；
(9)六轴机器人切换装夹三维扫描仪，对修复后的区域进行三维扫描，获取高清三维图像数据传输至水面，技术人员确认修复是否完成；
(10)修复完成后将装备舱内设备恢复原位，关闭装备舱门，打开活动舱底、密封舱门和可替换舱门，将修复设备吊出水面。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用同轴送丝式等离子焊枪进行等离子熔融沉积修复时，应当在加工第一层之前进行不送丝、低电流的若干次预热。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当采用异种材料进行等离子熔融沉积修复时，可以先在第一层采用激光熔融沉积来沉积一层。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中后处理为：当在沉积修复过程中，发现表面起伏过大，质量不佳时，可更换成打磨盘或铣刀将表面平整后，继续修复。
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