CN112355471A - 一种水下激光原位修复装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供水下激光原位修复装置及其使用方法，其解决了传统的水下激光修复方法存在着因修复产生的未熔合、裂纹等修复缺陷，从而导致的修复效果较差的技术问题，其包括激光发射机构、防护机构及送丝机构，激光发射机构包括通管和喷嘴，激光器通过通管与喷嘴发射激光束；防护机构包括外罩，激光发射机构的外部设置外罩，外罩的侧壁设有至少一个外通气口，外罩的两侧均开设有槽口，槽口处设有滑动挡板，滑动挡板沿外罩滑动设置，以改变槽口的大小；送丝机构包括送丝管和焊丝，送丝管穿过外罩至外罩的内部，送丝管的输出端设置所述；本发明可广泛应用于激光焊接技术领域。

Description

一种水下激光原位修复装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其是涉及一种水下激光原位修复装置及其使用方法。

背景技术

由于一些材料长期在海洋和核电等恶劣环境条件下服役，极易出现材料的腐蚀损伤与失效等重大问题，对材料的可靠性和使用寿命造成严重影响，进而会带来很大的安全隐患以及经济损失。现有技术采用激光修复装置对水下材料进行修复，然而现有的修复装置及其使用方法，通常需要将水下材料取出后进行相应的修复操作，操作繁琐，且经常会出现未熔合、裂纹等修复缺陷，修复效果较差。

因此，传统的水下激光修复方法存在着因修复产生的未熔合、裂纹等修复缺陷，从而导致的修复效果较差的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种水下激光原位修复装置，旨在解决传统的水下激光修复方法存在着因修复产生的未熔合、裂纹等修复缺陷，从而导致的修复效果较差的技术问题。

本申请的第一方面提供了一种水下激光原位修复装置，与激光器连接，用于对待修复管材进行水下修复，包括：

激光发射机构，所述激光发射机构包括通管和喷嘴，所述通管的一端与所述激光器连接，所述通管的另一端与所述喷嘴连接，所述激光器通过所述通管与所述喷嘴发射激光束；

防护机构，所述防护机构包括外罩，所述激光发射机构的外部设置所述外罩，所述外罩的侧壁设有至少一个外通气口，所述外罩的两侧均开设有槽口，所述槽口处设有滑动挡板，所述滑动挡板沿所述外罩滑动设置，以改变所述槽口的大小；以及

送丝机构，所述送丝机构包括送丝管和焊丝，所述送丝管穿过所述外罩至所述外罩的内部，所述送丝管的输出端设置所述焊丝。

优选的，所述通管的顶端设有连接板，所述连接板与所述激光器固定连接，所述连接板中心设有与所述通管相匹配的激光入口。

优选的，所述通管的侧壁设有至少一个内通气口，所述内通气口和所述外通气口均为斜切式通气口。

优选的，所述通管的内部设有保护镜片。

优选的，所述通管与所述喷嘴的连接处固定所述外罩。

优选的，所述外罩的内部顶端设有视觉支架，所述视觉支架上设有视觉保护壳，所述视觉保护壳内部设有视觉装置。

优选的，所述外罩的两侧设有滑动导轨，所述滑动挡板通过所述滑动导轨沿所述外罩滑动。

优选的，所述外罩的底部设有折叠挡板，所述折叠挡板的末端设有电磁吸附装置。

优选的，所述外罩的底部边缘设有柔性橡胶裙，所述折叠挡板与所述外罩的连接处通过所述柔性橡胶裙密封。

本申请的第二方面提供了一种水下激光原位修复装置的使用方法，包括以下步骤：

S101、将激光发射机构连接到激光器的底部，通过工业机器人带动激光器在三维空间运动；

S102、将待修复管材通过槽口装入外罩中，移动滑动导轨，将滑动挡板移动至待修复管材的下方，启动电磁吸附装置，使折叠挡板闭合；

S103、通过外通气口向外罩内部注入高压空气，将外罩内部的水排出，在外罩内部形成局部的干燥空间；

S104、打开视觉装置，确定待修复管材上修复的起点和终点位置，设定修复速度为5～10mm/s，将激光原位修复装置的喷嘴移动到修复的起点位置；

S105、启动激光器，设定激光功率为2～3kW，送丝速度为90～120cm/min，离焦量为-2～+2，通管内保护气流量为15～45L/min，使激光原位修复装置按照预设的修复速度从修复的起点进行修复，直至修复的终点位置，修复过程结束；

S106、关闭激光器，将电磁吸附装置断电，使折叠挡板移开，将激光原位修复装置移出修复位置；

S107、将激光发射机构从激光器的底部取下，完成修复。

本发明通过设置激光发射机构与激光器连接，用于接收激光束，通过设置防护机构，在防护机构内部对待修复管材进行修复，通过设置槽口放置待修复管材，并设置滑动挡板以适应不同尺寸的待修复管材，通过设置斜切式外通气口，使外罩内部的气体产生层流状运动，通过设置斜切式内通气口，可以有效阻止激光作业时产生的金属蒸汽和飞溅，并且能驱散焊接等离子体，改善修复效果，修复效果较好。本申请的水下激光原位修复装置在对水下的管状结构进行修复时，不需要将待修复管材从水下取出，即可对其进行原位修复，可以很好地满足实际需求。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的一种水下激光原位修复装置的结构示意图；

图2为激光原位修复装置修复的水下宏观形貌图；

图3为激光原位修复装置修复的陆上宏观形貌图；

图4为激光原位修复装置修复的水下的微观成形图；

图5为激光原位修复装置修复的陆上的微观成形图。

图中符号说明：

101.通管；102.喷嘴；103.激光束；104.连接板；105.连接孔；106.激光入口；107.内通气口；108.保护镜片；201.外罩；202.槽口；203.滑动挡板；204.橡胶圈；205.外通气口；206.视觉支架；207.视觉保护壳；208.视觉装置；209.折叠挡板；210.柔性橡胶裙；301.送丝管；302.焊丝；10.待修复管材。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，为本申请一实施例提供的一种水下激光原位修复装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在其中一实施例中，一种水下激光原位修复装置，与激光器连接，用于对待修复管材进行水下修复，包括激光发射机构、防护机构和送丝机构。

激光发射机构包括通管101和喷嘴102，通管101的一端与激光器连接，通管101的另一端与喷嘴102连接，激光器通过通管101与喷嘴102发射激光束103。

具体地，通管101采用薄壁通管，喷嘴102采用耐高温的铜合金，通管101的顶端设有连接板104，连接板104的边缘位置均匀设置4个连接孔105，连接板104通过连接孔105与激光器固定连接，连接板104的中心设有与通管101相匹配的激光入口106，激光器的输出端对准激光入口106安装，激光器发射的激光束103经过通管101和喷嘴102后输出。

防护机构包括外罩201，激光发射机构的外部设置外罩201，外罩201的两侧均开设有槽口202，槽口202处设有滑动挡板203，滑动挡板203沿外罩201滑动设置，以改变所述槽口202的大小。

具体地，外罩201的材料选择铝合金或者不锈钢，外罩201设于通管101与喷嘴102的连接处，外罩201的顶部端面与喷嘴102的顶部端面平齐设置，外罩201两侧的槽口202为拱形槽口，两个对称设置的槽口202使外罩201的下部形成拱形槽，用于放置待修复管材10，外罩201的两侧槽口处均设有滑动导轨，每个滑动导轨上设有滑动挡板203，滑动挡板203通过滑动导轨沿外罩201滑动，从而调节槽口202的大小，以放置不同尺寸大小的待修复管材，滑动挡板203移动到待修复管材10底端时，将待修复管材10限位在拱形槽中，以进行修复操作，两个槽口202处均设有橡胶圈204，橡胶圈204采用耐高温材料，将待修复管材10放入拱形槽后，采用橡胶圈204对槽口202进行密封。

外罩201的侧壁设有至少一个外通气口205，通过外通气口205向外罩201内部注入高压的空气，外通气口205为斜切式通气口，使高压的空气呈层流状运动，以将外罩201内部的水排出，在外罩201内部形成局部的干燥空间，从而在外罩201内部对待修复管材10进行修复。

送丝机构包括送丝管301和焊丝302，送丝管301穿过外罩201至外罩201的内部，送丝管301的输出端设置焊丝302。

具体地，送丝管301的输入端连接外部的送丝机，送丝管301的输出端输出焊丝302，焊丝302设于激光束103的下方，并设于待修复管材10的上方，焊丝302与激光束103配合对待修复管材10进行修复。

在其中一实施例中，通管101的侧壁设有至少一个内通气口107，内通气口107为斜切式通气口，通过内通气口107向通管101内部注入氩气作为保护气，使保护气沿着与通管101主轴线呈一定角度斜向下方向进入到通管101内部，进而进入到外罩201的内部，可以有效阻止激光作业时产生的金属蒸汽和飞溅，并且能驱散焊接等离子体，改善修复效果。

在其中一实施例中，通管101的内部设有保护镜片108。

具体地，保护镜片108设于内通气口107的上方，保护镜片108采用透光率99％以上的石英玻璃，防止焊接飞溅和蒸汽等进入激光器内部，造成激光元件等损坏。

在其中一实施例中，外罩201的内部顶端设有视觉支架206，视觉支架206上设有视觉保护壳207，视觉保护壳207内部设有视觉装置208。

具体地，视觉支架206、视觉保护壳207及视觉装置208均的对应设置两个，分别设于喷嘴102的两侧，采用视觉装置208对修复过程进行照明，使工作人员更直观的看到整个修复过程。

在其中一实施例中，外罩201的底部设有折叠挡板209，折叠挡板209的末端设有电磁吸附装置，外罩201的底部边缘设有柔性橡胶裙210，折叠挡板209与外罩201的连接处通过柔性橡胶裙210密封。

具体地，折叠挡板209的外围与外罩201连接，柔性橡胶裙210位于外罩201的底部边缘，柔性橡胶裙210可以遮挡外罩201底部与折叠挡板209之间的缝隙，折叠挡板209采用半折叠式挡板，通过电磁吸附装置控制折叠挡板209的开合，以控制外罩201底端面的开合情况。

本申请的第二方面提供了一种水下激光原位修复装置的使用方法，本实施例在水箱中通过水下激光原位修复装置对待修复管材进行修复试验，水下激光原位修复装置的使用方法具体包括以下步骤：

S101、将直径8mm的5052铝合金待修复管材10置于水箱中的夹持装置上，向水箱中注入水；

S102、将激光发射机构通过连接板104上的四个连接孔用螺丝拧到激光器的底部，通过工业机器人带动激光器在三维空间运动；

S103、用机器人带动激光器移动，使待修复管材10通过槽口202装入外罩201中，由于外罩201的材质铝合金对激光有较强的反射作用，因此需要对激光器进行适当倾斜，防止激光反射造成光纤烧损；通过移动滑动导轨，将滑动挡板203移动至待修复管材10的下方，对待修复管材10的下方进行限位，将橡胶圈204固定在槽口202处，启动电磁吸附装置，使折叠挡板209闭合；

S104、通过外通气口205向外罩201内部注入高压空气，外罩201内部空气呈层流状运动，将外罩201内部的水排出，在外罩内部形成局部的干燥空间；

S105、打开视觉装置，确定待修复管材10上修复的起点和终点位置，设定修复速度为5～10mm/s，将激光原位修复装置的喷嘴102移动到待修复管材10上修复的起点位置；

S106、启动激光器，设定激光功率为2～3kW，送丝速度为90～120cm/min，离焦量为-2～+2，通管101内部保护气流量为15～45L/min，使激光原位修复装置按照预设的修复速度从修复的起点进行修复，直至修复的终点位置，修复过程结束；

S107、关闭激光器，将电磁吸附装置断电，使折叠挡板209移开，通过使机器人向上移动，带动激光原位修复装置移出修复位置，最终移出水箱；

S108、将水箱的水放出，激光发射机构从激光器的底部取下，完成修复。

如图2和3所示，分别为采用该激光原位修复装置修复的水下和陆上的宏观形貌图，对比可知，水下修复相比于陆上修复层氧化程度稍重，但是陆上修复和水下修复层成形都良好，连续均匀，没有出现未熔合、裂纹等修复缺陷。

如图4和5所示，分别为采用该激光原位修复装置修复的水下和陆上的微观成形图，对比可知，相比于陆上激光填丝修复，水下修复层余高较大，熔宽和熔深较小，焊缝稀释率也较小，堆焊角较大，两者均产生了良好的冶金结合。

本发明通过设置激光发射机构与激光器连接，用于接收激光束103，通过设置防护机构，在防护机构内部对待修复管材10进行修复，通过设置槽口202放置待修复管材10，并设置滑动挡板203以适应不同尺寸的待修复管材10，通过设置斜切式外通气口205，使外罩201内部的气体产生层流状运动，通过设置斜切式内通气口107，可以有效阻止激光作业时产生的金属蒸汽和飞溅，并且能驱散焊接等离子体，改善修复效果，修复效果较好。本申请的水下激光原位修复装置在对水下的管状结构进行修复时，不需要将待修复管材从水下取出，即可对其进行原位修复，可以很好地满足实际需求。

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 (10)

1.一种水下激光原位修复装置，与激光器连接，用于对待修复管材进行水下修复，其特征在于，包括：

激光发射机构，所述激光发射机构包括通管和喷嘴，所述通管的一端与所述激光器连接，所述通管的另一端与所述喷嘴连接，所述激光器通过所述通管与所述喷嘴发射激光束；

防护机构，所述防护机构包括外罩，所述激光发射机构的外部设置所述外罩，所述外罩的侧壁设有至少一个外通气口，所述外罩的两侧均开设有槽口，所述槽口处设有滑动挡板，所述滑动挡板沿所述外罩滑动设置，以改变所述槽口的大小；以及

送丝机构，所述送丝机构包括送丝管和焊丝，所述送丝管穿过所述外罩至所述外罩的内部，所述送丝管的输出端设置所述焊丝。

2.根据权利要求1所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述通管的顶端设有连接板，所述连接板与所述激光器固定连接，所述连接板中心设有与所述通管相匹配的激光入口。

3.根据权利要求1所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述通管的侧壁设有至少一个内通气口，所述内通气口和所述外通气口均为斜切式通气口。

4.根据权利要求1所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述通管的内部设有保护镜片。

5.根据权利要求1所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述通管与所述喷嘴的连接处固定所述外罩。

6.根据权利要求1所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述外罩的内部顶端设有视觉支架，所述视觉支架上设有视觉保护壳，所述视觉保护壳的内部设有视觉装置。

7.根据权利要求1所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述外罩的两侧设有滑动导轨，所述滑动挡板通过所述滑动导轨沿所述外罩滑动。

8.根据权利要求1所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述外罩的底部设有折叠挡板，所述折叠挡板的末端设有电磁吸附装置。

9.根据权利要求8所述的水下激光原位修复装置，其特征在于，所述外罩的底部边缘设有柔性橡胶裙，所述折叠挡板与所述外罩的连接处通过所述柔性橡胶裙密封。

10.一种如权利要求1-9任一所述的水下激光原位修复装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、将激光发射机构连接到激光器的底部，通过工业机器人带动激光器在三维空间运动；

S102、将待修复管材通过槽口装入外罩中，移动滑动导轨，将滑动挡板移动至待修复管材的下方，启动电磁吸附装置，使折叠挡板闭合；

S103、通过外通气口向外罩内部注入高压空气，将外罩内部的水排出，在外罩内部形成局部的干燥空间；

S104、打开视觉装置，确定待修复管材上修复的起点和终点位置，设定修复速度为5～10mm/s，将激光原位修复装置的喷嘴移动到修复的起点位置；

S105、启动激光器，设定激光功率为2～3kW，送丝速度为90～120cm/min，离焦量为-2～+2，通管内保护气流量为15～45L/min，使激光原位修复装置按照预设的修复速度从修复的起点进行修复，直至修复的终点位置，修复过程结束；

S106、关闭激光器，将电磁吸附装置断电，使折叠挡板移开，将激光原位修复装置移出修复位置；

S107、将激光发射机构从激光器的底部取下，完成修复。

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