CN111408840A - 一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置，其装置包括控制器，控制器与激光器、机器人、送丝机和感应加热机相连，激光器经光纤与激光头相连，激光头正下方固设有激光焊炬，激光头还与机器人相连，激光焊炬还设有送丝端口，送丝端口内部设有送丝管，送丝管一端伸入激光焊炬内，另一端与送丝机对接，焊丝导入送丝管内部，激光焊炬内设有感应线圈Ⅰ，感应线圈Ⅰ通过连接装置滑动连接于传动轴上，传动轴跨接固定于激光焊炬内壁，传动轴与设于激光焊炬外侧的步进电机相连，步进电机的启闭由控制器通过控制系统控制；感应线圈Ⅰ端部通过穿过激光焊炬壁面的防水电缆与感应加热机相连，该装置可广泛应用于水下激光熔敷/增材技术领域。

Description

一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置及使用方法

技术领域

本发明属于水下激光熔敷/增材技术领域，具体地说是涉及一种感应加热辅助水下激光熔敷/增材的装置及使用方法。

背景技术

近年来，随着陆地资源的逐步匮乏及全球人口的剧增，海洋资源尤其是深海资源的开发逐步深入，与其相关的海洋结构工程，如海洋油气平台、海底油气管道及海底空间站的水下维修作业也日益增多。我国作为一个海洋大国，目前海军发展迅速，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，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。此外，随着我国核电工业的不断发展，核电站的相关维修逐渐增多，为了降低核辐射对施工人员和周围环境的影响，维修工作需在水中进行。

局部干法激光熔敷/增材技术目前已逐步应用于海洋结构件、船舶及核电站的水下原位修复，并具有良好的发展前景。水下原位修复技术主要分为湿法、干法及局部干法三类，水下局部干法原位修复技术是指修复过程中在待修复区域形成局部保护，把待修复区域的水排开的一种修复方式，与湿法相比其修复质量较高，与干法相比其操作简单、设备要求低且成本较低。然而，由于水下局部干法激光熔敷/增材过程中施工位置排水困难，待修复工件表面始终有一层残余水层存在，在修复过程中，一方面残余水气化形成的水蒸气会与金属蒸汽混合，形成气溶胶粒子，对激光光束进行吸收和散射，阻碍激光的传输，减少作用于熔敷金属的激光能量并降低水下局部干法熔敷/增材过程的稳定性，另一方面水蒸气在高温等离子体的作用下电离形成氢离子、氧离子，甚至直接分解为氢气和氧气，造成高温金属的氧化及熔池内气孔的产生，而且氧化层的产生会造成裂纹源，诱导焊接裂纹的形成；此外，水蒸气对激光光束的吸收、水环境的冷却作用会加速熔融金属的冷却速度，产生淬硬组织、增大残余应力、提高扩散氢含量，进而造成熔敷金属开裂，产生裂纹，并导致气孔产生。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种可减弱水环境对水下局部干法焊接影响的感应加热辅助水下激光熔敷/增材的装置。

为此，先提供一种感应加热辅助水下激光熔敷/增材的装置，包括控制器，控制器与激光器、机器人、送丝机和感应加热机相连，激光器经光纤与激光头相连，激光头的正下方固设有激光焊炬，激光头还与机器人的端部固定连接，激光焊炬上设有送丝端口，送丝端口内部设有送丝管，送丝管一端伸入激光焊炬内部，另一端与送丝机对接，焊丝导入送丝管内部，其特征在于，所述激光焊炬内设有感应线圈Ⅰ，感应线圈Ⅰ通过连接装置滑动连接于传动轴上，传动轴跨接固定于激光焊炬内壁，传动轴与设于激光焊炬外侧的经过防水密封处理的步进电机相连，步进电机的启闭由控制器通过控制系统控制；感应线圈Ⅰ端部通过穿过激光焊炬壁面的防水电缆与感应加热机相连。

优选的，激光焊炬包括外层筒体、内层筒体和上端盖；内层筒体设于外层筒体内部，外层筒体和内层筒体的上端均与上端盖的下端面形成密封连接；外层筒体、内层筒体和上端盖围成的环形空间为外排水腔，内层筒体和上端盖围成的柱状空间为内排水腔；上端盖还设有与外排水腔连通的进气孔Ⅰ和与内排水腔连通的进气孔Ⅱ；上端盖中部设有上下贯通的通口，通口处于内排水腔的上方；通口处密封安装有增透玻璃；激光焊炬外还设有空气压缩机和保护气气瓶；空气压缩机通过气管与进气孔Ⅰ连接，保护气气瓶通过气管与进气孔Ⅱ连接，气管上还设有气体流量计。

优选的，激光焊炬内壁处还设有感应线圈Ⅱ，感应线圈Ⅱ端部通过穿过激光焊炬壁面的防水电缆与感应加热机相连，感应线圈Ⅱ的底部与水下激光焊炬底面相距4mm。

优选的，激光焊炬内还设有摄像头和湿度计，摄像头与控制器相连。

此外，又提供一种感应加热辅助水下激光熔敷/增材的装置的使用方法，操作步骤如下：

步骤一：将基体放入试验水箱内，向水箱内注入一定高度的水；连接并调试感应加热机、步进电机、激光器、激光头、激光焊炬、送丝机、空气压缩机、保护气气瓶和气体流量计；

步骤二：操作控制器控制机器人带动激光焊炬移动至基体待修复区域上方，打开空气压缩机向水下激光焊炬内通入压缩空气，通过压缩空气排开激光焊炬内部的水；

步骤三：通过设于激光焊炬内的摄像头观察激光焊炬内的排水情况，待激光焊炬内的水排除后，基体待工作区域上方虽然形成局部干燥空间，但是基体表面仍有一层残余水层；

步骤四：通过控制器打开感应加热机，向感应线圈Ⅰ内通入电流，对感应线圈Ⅰ下方的残余水层进行烘烤加热，感应线圈Ⅰ的加热功率可调节，基体材料为不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金时，基体表面温度控制在150℃～200℃，防止钛合金等易氧化有色金属在高温状态下与水蒸气反应；与此同时，通过控制器打开步进电机，步进电机带动传动轴上的感应线圈Ⅰ沿传动轴在激光焊炬内部进行往复运动，实现对基体待熔敷/增材区域的均匀烘烤加热，感应线圈Ⅰ的运动速度均匀可调，速度范围在0.2mm/s～20mm/s之间；基体表层残余水层受热蒸发后，在持续通入的压缩空气作用下，水蒸气被逐渐排出激光焊炬外；

步骤五：通过摄像头观察激光焊炬内的湿度计，当激光焊炬内的空气湿度达到陆上工作环境时，操作控制器控制感应加热机停止给感应线圈Ⅰ通电；通过摄像头观察，待感应线圈Ⅰ运动到外层筒体附近处，操作控制器控制步进电机停止工作；

步骤六：打开保护气气瓶向水下焊炬内层筒体通入保护气体之后，操作控制器启动激光器和送丝机进行水下激光熔敷/增材，与此同时操作控制器控制感应加热机向感应线圈Ⅱ内通入电流；

步骤七：水下激光熔敷/增材完成之后，操作控制器关闭激光器和送丝机，同时关闭保护气气瓶，并调节感应线圈Ⅱ的输出功率为10kW～50kW，频率为30KHz～100KHz，对感应线圈Ⅱ内熔敷/增材金属进行加热后处理，持续加热1-3h后逐渐降低感应线圈Ⅱ的输出功率直至最后关闭，最后关闭空气压缩机。

本发明的有益效果是：

本发明的一种感应加热辅助水下激光熔敷/增材的装置，激光焊炬内感应线圈Ⅰ的设置以及持续通入的压缩空气，可以对激光焊炬经初步排水后残余在基体表层的水层进行烘烤加热，使气化的水蒸气随压缩空气排出激光焊炬外侧，再加上摄像头和湿度计的配合使用，可以定量判断激光焊炬内的空气湿度是否达到陆上激光熔敷/增材的工作条件。以上部件相辅相成，一方面可有效避免残余水层在激光熔敷/增材过程中气化形成的水蒸气与金属蒸汽混合形成的气溶胶粒子对激光光束进行吸收和散射，阻碍激光能量的传输；另一方面可阻止水蒸气在高温等离子体的作用下电离形成氢离子、氧离子，甚至直接分解为氢气和氧气，造成高温金属的氧化及熔池内气孔的产生，而且氧化层的产生会造成裂纹源，诱导焊接裂纹的形成。

感应线圈Ⅱ的设置，在激光熔敷/增材过程中，可对感应线圈Ⅱ内的熔池进行电磁搅拌，使晶粒细化，组织更均匀，同时也能减弱熔敷/增材金属受激光焊炬外冷水环境的影响产生温度梯度甚至组织淬硬。在激光熔敷/增材之后，感应线圈Ⅱ可对其进行后续热处理，热处理后逐渐降低感应线圈Ⅱ的输出功率，可减弱水环境对熔敷/增材金属的突然骤冷，减少淬硬组织，并在热塑性区充分释放残余应力，减少裂纹缺陷或者开裂倾向，实现在线退火，提高水下原位修复质量。

附图说明

图1是本发明的一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置组成结构示意图；

图2是激光焊炬内部结构示意图。

图中标记：1.控制器；2.激光器；3.光纤；4.激光头；5.机器人；6.激光焊炬；7.步进电机；8.基体；9.水箱；10.保护气气瓶；11.空气压缩机；12.气体流量计；13.送丝机；14.感应加热机；15.进气孔Ⅰ；16.外层筒体；17.感应线圈Ⅱ；18.电缆；19.感应线圈Ⅰ；20.连接装置；21.焊丝；22.传动轴；23.送丝管；24.送丝端口；25.内层筒体；26.进气孔Ⅱ；27.增透玻璃；28.上端盖；29.摄像头；30.湿度计。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置，包括控制器1，控制器1通过控制系统与激光器2、机器人5、送丝机13和感应加热机14相连，操作控制器1可以控制激光器2的启闭及参数调节；送丝机13的启闭及送丝速度；感应加热机14的启闭及参数调节；以及机器人5在水下进行三维运动的路径规划。激光器2经光纤3与激光头4相连，激光头4的正下方固设有激光焊炬6，激光器2产生的激光光束通过光纤3进入激光头4，激光光束经激光头4调节后进入水下激光焊炬6后作用于焊丝21及基体8上，焊丝21通过送丝机13传动送入激光焊炬6内；激光头4还与机器人5的端部固定连接，机器人5在水下进行三维运动进而带动激光头4下方的激光焊炬6移动。

如图2所示，激光焊炬6包括外层筒体16、内层筒体25和上端盖28。内层筒体25设于外层筒体16内部，外层筒体16和内层筒体25的上端均与上端盖28的下端面形成密封连接。外层筒体16、内层筒体25和上端盖28围成的环形空间为外排水腔，内层筒体25和上端盖28围成的柱状空间为内排水腔。上端盖28还设有与外排水腔连通的进气孔Ⅰ15和与内排水腔连通的进气孔Ⅱ26。上端盖28中部设有上下贯通的通口，通口处于内排水腔的上方；通口处密封安装有增透玻璃27，增透玻璃27的设置可使激光的穿透率达到99％，既可保证激光光束的通过又可防止熔敷或增材的烟尘及飞溅对激光头4的损害。外层筒体16侧壁处设有送丝端口24，送丝端口24内部设有送丝管23，送丝管23一端伸入激光焊炬6内部，另一端与送丝机13对接，焊丝21导入送丝管23内部。

激光焊炬6外设有空气压缩机11和保护气气瓶10，空气压缩机11通过气管与进气孔Ⅰ15连接，保护气气瓶10通过气管与进气孔Ⅱ26连接。气管上设有气体流量计12，可以对空气压缩机11和保护气气瓶10内流出的压缩空气和保护气进行流量监控。空气压缩机11内的压缩空气通过气管流经气体流量计12、进气孔Ⅰ15到达激光焊炬6内，排开激光焊炬6内的水进而使激光焊炬6在水下形成稳定的局部干燥空间。保护气气瓶10内的保护气通过气管流经气体流量计12、进气孔Ⅱ26到达激光焊炬6的内层筒体25，对激光熔敷/增材区域进行保护。

激光焊炬6外层筒体16内且内层筒体25下部设有感应线圈Ⅰ19和感应线圈Ⅱ17。感应线圈Ⅰ19为平面状，感应线圈Ⅰ19通过连接装置20滑动连接于传动轴22上，传动轴22跨接固定于外层筒体16内壁，传动轴22与设于外层筒体16外侧的经过防水密封处理的步进电机7相连，步进电机7的启闭由控制器1通过控制系统控制。感应线圈Ⅰ19底部与水下激光焊炬6底面相距1mm，感应线圈Ⅰ19端部通过穿过激光焊炬6壁面的防水电缆18与感应加热机14相连。在水下激光熔敷/增材之前，机器人5带动激光头4及激光焊炬6到指定位置，待激光焊炬6内的水经压缩空气排开后，基体8表面还有一层残余水层，此时即可通过感应线圈Ⅰ19沿传动轴22进行直线往复运动对基体8特定区域进行加热，使基体8表层残余水层气化，激光焊炬6内持续通入的压缩空气将气化的水蒸气进一步排出，此时基体8表层干燥，达到路上激光熔敷/增材的工作条件，一方面可有效避免残余水层气化形成的水蒸气与金属蒸汽混合形成的气溶胶粒子对激光光束进行吸收和散射，阻碍激光能量的传输；另一方面可阻止水蒸气在高温等离子体的作用下电离形成氢离子、氧离子，甚至直接分解为氢气和氧气，造成高温金属的氧化及熔池内气孔的产生，而且氧化层的产生会造成裂纹源，诱导焊接裂纹的形成。

感应线圈Ⅱ17为螺旋状，固设于外层筒体16内壁，感应线圈Ⅱ17端部通过穿过激光焊炬6壁面的防水电缆18与感应加热机14相连，感应线圈Ⅱ17的底部与水下激光焊炬6底面相距4mm。在水下激光熔敷/增材过程中，感应线圈Ⅱ17可对其内部的熔敷/增材金属进行加热，避免熔敷/增材金属受激光焊炬6外低温水环境的影响，冷却产生温度梯度而不利于熔敷/增材组织的均匀性；此外，在水下激光熔敷/增材制造之后，感应线圈Ⅱ17还可以对熔敷/增材层进行热处理，可减弱水环境对熔敷金属的冷却作用，减小温度梯度，减少淬硬组织，并在热塑性区充分释放残余应力，减少裂纹缺陷或者开裂倾向，实现在线退火，提高水下原位修复质量。

此外，激光焊炬6内还设有摄像头29和湿度计30，摄像头29用于观测激光焊炬6内部情况，湿度计30用于测量激光焊炬6内部的湿度，摄像头29通过控制系统由控制器1控制，摄像头29和湿度计30配合使用可以确保激光焊炬6内部空气湿度达到陆上工作条件时，才开始向内层筒体25通入保护气，在保护气中进行激光熔敷/增材。

此外，又提供一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置的使用方法，操作步骤如下：

步骤一：将基体8放入试验水箱9内，向水箱9内注入一定高度的水；连接并调试感应加热机14、步进电机7、激光器2、激光头4、激光焊炬6、送丝机13、空气压缩机11、保护气气瓶10和气体流量计12；

步骤二：操作控制器1控制机器人5带动激光焊炬6移动至基体8待修复区域上方，打开空气压缩机11向水下激光焊炬6内通入压缩空气，通过压缩空气排开激光焊炬6内部的水；

步骤三：通过设于激光焊炬6内的摄像头29观察激光焊炬6内的排水情况，待激光焊炬6内的水排除后，基体8待工作区域上方虽然形成局部干燥空间，但是基体8表面仍有一层残余水层；

步骤四：通过控制器1打开感应加热机14，向感应线圈Ⅰ19内通入电流，对感应线圈Ⅰ19下方的残余水层进行烘烤加热，感应线圈Ⅰ19的加热功率可调节，基体8材料为不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金时，基体8表面温度控制在150℃～200℃，防止钛合金等易氧化有色金属在高温状态下与水蒸气反应；与此同时，通过控制器1打开步进电机7，步进电机7带动传动轴22上的感应线圈Ⅰ19沿传动轴22在激光焊炬6内部进行往复运动，实现对基体8待熔敷/增材区域的均匀烘烤加热，感应线圈Ⅰ19的运动速度均匀可调，速度范围在0.2mm/s～20mm/s之间；基体8表层残余水层受热蒸发后，在持续通入的压缩空气作用下，水蒸气被逐渐排出激光焊炬6外；

步骤五：通过摄像头29观察激光焊炬6内的湿度计30，当激光焊炬6内的空气湿度达到陆上工作环境时，操作控制器1控制感应加热机14停止给感应线圈Ⅰ19通电；通过摄像头29观察，待感应线圈Ⅰ19运动到外层筒体16附近处，操作控制器1控制步进电机7停止工作；

步骤六：打开保护气气瓶10向水下焊炬内层筒体25通入保护气体之后，操作控制器1启动激光器2和送丝机13进行水下激光熔敷/增材，与此同时操作控制器1控制感应加热机14向感应线圈Ⅱ17内通入电流；

步骤七：水下激光熔敷/增材完成之后，操作控制器1关闭激光器2和送丝机13，同时关闭保护气气瓶10，并调节感应线圈Ⅱ17的输出功率为10kW～50kW，频率为30KHz～100KHz，对感应线圈Ⅱ17内熔敷/增材金属进行加热后处理，持续加热1-3h后逐渐降低感应线圈Ⅱ17的输出功率直至最后关闭，最后关闭空气压缩机11。

综上，一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置及该装置的使用方法，对水下局部干法激光熔敷及增材质量的提高具有重要意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (5)

1.一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置，包括控制器，所述控制器与激光器、机器人、送丝机和感应加热机相连，激光器经光纤与激光头相连，激光头的正下方固设有激光焊炬，激光头还与机器人的端部固定连接，激光焊炬上设有送丝端口，送丝端口内部设有送丝管，送丝管一端伸入激光焊炬内部，另一端与送丝机对接，焊丝导入送丝管内部，其特征在于，所述激光焊炬内设有感应线圈Ⅰ，感应线圈Ⅰ通过连接装置滑动连接于传动轴上，传动轴跨接固定于激光焊炬内壁，传动轴与设于激光焊炬外侧的经过防水密封处理的步进电机相连，步进电机的启闭由控制器通过控制系统控制；感应线圈Ⅰ端部通过穿过激光焊炬壁面的防水电缆与感应加热机相连。

2.根据权利要求1所述的一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置，其特征在于，所述激光焊炬包括外层筒体、内层筒体和上端盖；内层筒体设于外层筒体内部，外层筒体和内层筒体的上端均与上端盖的下端面形成密封连接；外层筒体、内层筒体和上端盖围成的环形空间为外排水腔，内层筒体和上端盖围成的柱状空间为内排水腔；上端盖还设有与外排水腔连通的进气孔Ⅰ和与内排水腔连通的进气孔Ⅱ；上端盖中部设有上下贯通的通口，通口处于内排水腔的上方；通口处密封安装有增透玻璃；所述激光焊炬外还设有空气压缩机和保护气气瓶；空气压缩机通过气管与进气孔Ⅰ连接，保护气气瓶通过气管与进气孔Ⅱ连接，气管上还设有气体流量计。

3.根据权利要求1所述的一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置，其特征在于，所述激光焊炬内壁处还设有感应线圈Ⅱ，感应线圈Ⅱ端部通过穿过激光焊炬壁面的防水电缆与感应加热机相连，感应线圈Ⅱ的底部与水下激光焊炬底面相距4mm。

4.根据权利要求1所述的一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置，其特征在于，所述激光焊炬内还设有摄像头和湿度计，摄像头与控制器相连。

5.一种感应加热辅助水下激光熔敷或增材的装置的使用方法，其特征在于，操作步骤如下：

步骤一：将基体放入试验水箱内，向水箱内注入一定高度的水；连接并调试感应加热机、步进电机、激光器、激光头、激光焊炬、送丝机、空气压缩机、保护气气瓶和气体流量计；

步骤二：操作控制器控制机器人带动激光焊炬移动至基体待修复区域上方，打开空气压缩机向水下激光焊炬内通入压缩空气，通过压缩空气排开激光焊炬内部的水；

步骤三：通过设于激光焊炬内的摄像头观察激光焊炬内的排水情况，待激光焊炬内的水排除后，基体待工作区域上方虽然形成局部干燥空间，但是基体表面仍有一层残余水层；

步骤四：通过控制器打开感应加热机，向感应线圈Ⅰ内通入电流，对感应线圈Ⅰ下方的基体进行加热，感应线圈Ⅰ的加热功率可调节，基体材料为不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金时，基体表面温度控制在150℃～200℃，防止钛合金等易氧化有色金属在高温状态下与水蒸气反应；与此同时，通过控制器打开步进电机，步进电机带动传动轴上的感应线圈Ⅰ沿传动轴在激光焊炬内部进行往复运动，实现对基体待熔敷/增材区域的均匀加热，感应线圈Ⅰ的运动速度均匀可调，速度范围在0.2mm/s～20mm/s之间；基体表层残余水受热蒸发后，在持续通入的压缩空气作用下，水蒸气被逐渐排出激光焊炬外；

步骤五：通过摄像头观测激光焊炬内的湿度计，当激光焊炬内的空气湿度达到陆上工作环境时，操作控制器控制感应加热机停止给感应线圈Ⅰ通电；通过摄像头观察，待感应线圈Ⅰ运动到外层筒体附近处，操作控制器控制步进电机停止工作；

步骤六：打开保护气气瓶向水下焊炬内层筒体通入保护气体之后，操作控制器启动激光器和送丝机进行水下激光熔敷/增材，与此同时操作控制器控制感应加热机向感应线圈Ⅱ内通入电流；

步骤七：水下激光熔敷/增材完成之后，操作控制器关闭激光器和送丝机，同时关闭保护气气瓶，并调节感应线圈Ⅱ的输出功率为10kW～50kW，频率为30KHz～100KHz，对感应线圈Ⅱ内熔敷/增材金属进行加热后处理，持续加热1-3h后逐渐降低感应线圈Ⅱ的输出功率直至最后关闭，最后关闭空气压缩机。

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