CN112743191B

CN112743191B - 一种水下电弧增材修复方法

Info

Publication number: CN112743191B
Application number: CN202011577122.9A
Authority: CN
Inventors: 李海新; 周超; 杨振林; 姜风春
Original assignee: Yantai Research Institute Of Harbin Engineering University
Current assignee: Yantai Research Institute Of Harbin Engineering University
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: CN112743191A

Abstract

本发明涉及水下修复技术领域，具体涉及一种水下电弧增材修复方法。一种水下电弧增材修复方法，包括：（1）对待修复部位进行三维扫描成像，建立需切除区域的几何区域模型，按照该模型规划水下切割路径；（2）按照规划好的水下切割路径切除待修复部位的损坏区域；（3）将工件切割后的三维模型与原始三维模型对比，建立水下增材待修复部位的三维模型；（4）将增材待修复部位的三维模型进行分层切片来确定水下增材制造路径；（5）按照规划好的水下增材制造路径，对工件进行分层增材修复；（6）增材修复完成后，按照规划好的水下增材制造路径进行增材防护。本发明所提出的水下电弧增材修复方法可以按照制定好的修复路径，一次性自动修复水下复杂零部件，单次修复量大，修复效率高。

Description

一种水下电弧增材修复方法

技术领域

本发明涉及水下修复技术领域，具体涉及一种水下电弧增材修复方法。

背景技术

随着海洋资源开发步伐的加快，军舰、海洋石油平台、海底输油管线、远洋船舶和跨海大桥等海洋工程设施的建造逐年增加。这些海洋工程结构因常年在海洋环境中运行，服役环境恶劣，极容易发生损坏，而且海洋工程结构的主要部分在水下，损伤后的检查和更换很困难，费用高昂，一旦发生重大结构损伤或倾覆事故，将造成生命财产的严重损失。因此，在受损的情况下，实施水下应急抢修，尽快恢复受损结构的功能极为重要。

水下焊接和切割技术是目前水下应急抢修的常用技术手段，可以适用于水下补焊、沉船打捞、海上救助、抢险救灾等防救工作，但对于一些待修复面积大、形状复杂，需要修补后恢复原样的受损结构件来说，单纯采用水下焊接技术难以实现，另外目前水下焊接技术大多是潜水员在水环境中进行手工焊接，因此只适用于30m以内的浅水区域。而水下增材制造技术是将陆地上的增材制造技术应用于水下，实现受损结构件的原位修复，具有成本低、周期短、可一次性修复复杂零部件的优势，并且可以应用于深水环境，且水下电弧增材设备价格便宜，修复效率高，因此具有非常好的实际应用价值。

CN110936100A提出了一种便携式水下焊接修复装置及焊接修复系统，可以实现深水处焊接作业，提高焊接效率和焊接质量，但是该实验装置缺少扫描装置，需要焊接技术人员下水操作，但在深水环境下，下潜人员需要特殊防护装备来帮助承受高的水压，因此受水环境影响大，整个修复过程比较复杂。

CN106475732B和CN107931842A均提出采用水下激光增材修复的方法用于水下修补，采用自动化系统代替人工作业，但激光器及其系统成本较高，一次性投资较大，短时间内难以大量推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对目前水下修复大都需要潜水员下水操作，下潜深度受限，且修复效率低，不能满足一些待修复面积大、形状复杂、需要修补后恢复原样的受损结构件的修复要求，提供一种水下电弧增材修复方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水下电弧增材修复方法，包括：

（1）对待修复部位进行三维扫描成像，建立需切除区域的几何区域模型，按照该模型规划水下切割路径；

（2）按照规划好的水下切割路径切除待修复部位的损坏区域；

（3）将工件切割后的三维模型与原始三维模型对比，建立水下增材待修复部位的三维模型；

（4）将增材待修复部位的三维模型进行分层切片来确定水下增材制造路径；

（5）按照规划好的水下增材制造路径，对工件进行分层增材修复；

（6）增材修复完成后，按照规划好的水下增材制造路径进行增材防护。

作为本发明的一种优选方式，对于工件的贯穿类损坏增材修复时，在贯穿破坏部位后方设置支撑架支撑基板，在基板上进行增材修复。

作为本发明的一种优选方式，所述的水下增材制造路径规划包括水下增材修复路径和水下增材防护路径。

作为本发明的一种优选方式，增材修复采用水下湿法自保护药芯焊丝，外皮由低碳钢钢带卷成，低碳钢钢带化学成分（wt.%）为：C：0.05-0.3%，Mn：0.4-0.8%，S：≤0.015%，P：≤0.015%。

进一步优选地，所述水下湿法自保护药芯焊丝，药芯的化学成分（wt.%）为：金红石35-50%，纤维素3-8%，大理石15-30%，锰粉5-10%，硅铁3-8%，云母15-30%，铝粉3-8%，镍粉2-6%，硼铁0.5-5%。

进一步优选地，修复后的防护采用水下湿法自保护耐蚀药芯焊丝，焊丝的外皮由N6镍带卷成，N6镍带化学成分（wt.%）为：Ni+Co≥99.5%，Cu≤0.06%，Fe≤0.10%，Mn≤0.05%，C≤0.10%，Si≤0.10%，S≤0.005%。

进一步优选地，所述水下湿法自保护耐蚀药芯焊丝，药芯的化学成分（wt.%）为：氟化物40%-50%，铝粉5%-13%，镁粉7%-14%，碳酸钙7%-14%，铬10-20%，钛5%-14%，锰铁4%-12%，硼铁2%-5%。

进一步优选地，水下切割时，采用水下湿式电弧切割药芯割丝，所述割丝由药芯和外层钢带组成，所述药芯按质量百分比包括：所述药芯按质量百分比包括：石灰石为8～22％，聚四氟乙烯为5～8％，铝镁合金粉为12～22％，氧化铈为0.1％～1.7％，其余为生石膏；其中所述生石膏与铝镁合金粉的质量之比为2～4︰1；所述铝镁合金粉中，铝粉占50～70%，镁粉占30～50%。

进一步优选地，所述外层钢带的材质为低碳钢，厚度为0.4mm。

进一步优选地，在步骤（1）、（5）、（6）操作之前，先用高压水枪对工件待修复部位表面进行清理；高压水流中含有SiO₂磨料，粒径0.1-0.5mm；水流压力为10-100MPa。

本发明提供的水下电弧增材修复方法，与现有技术相比，具有如下有益技术效果：

1.本发明所提出的水下电弧增材修复方法可以按照制定好的修复路径，一次性自动修复水下复杂零部件，单次修复量大，修复效率高，且与目前常用的水下手工焊接修复相比，不需要潜水员下水操作，因此受水环境影响小，可以用于深水环境；

2.本发明所提出的水下电弧增材修复技术将水下电弧切割与水下湿法焊接、以及水下增材防护相结合，实现复杂零部件以及零件特殊部位的修复与防护，可去除零部件损坏部分，进一步提高焊接效率与质量；

3.本发明所提出的水下电弧增材修复技术结合机械支撑架以及焊接基板，支撑架和基板可以提供贯穿破坏的零部件修复过程中支撑点，简化了修复过程，提高修复部位的精度；

4.本发明所提出的水下电弧增材修复技术与目前新提出的水下激光修复相比，水下电弧增材设备价格便宜，能够显著降低水下修复的成本。

附图说明

图1为本发明实施例中水下电弧增材修复方法的流程图；

图2为本发明实施例中支撑架板的未工作状态示意图；

图3为支撑架的工作状态示意图；

图4为支撑架上夹持基板的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

本发明实施例中涉及的水下影像扫描装置、水下电弧增材修复装备（焊接机器人）等均为现有设备。割炬使用熔化极水喷射水下切割设备，国内已有专用切割设备，型号为GSS-800。焊炬1与焊炬2均使用济南诺斯焊接辅具有限公司生产的型号为MW550SN焊炬。

本发明提供的其中一种实施例是：一种水下电弧增材修复方法，流程如图1所示，具体包括如下步骤：

1.将水下电弧增材修复装备采用磁吸附方式固定在工件待修复部位上方，首先采用高压水枪对待修复部位的表面进行清理（高压水枪的高压水流中加入SiO₂磨料，粒径0.1-0.5mm；水流压力为10-100MPa），去除待修复部位表面的泥沙、海生物和锈斑等物质。清理干净后，通过水下影像扫描装置对工件待修复区域进行三维扫描，并将数据反馈给控制系统。

2．对待修复部位进行三维扫描成像，根据力学与机构要求来分析需要切除的待修复部位损坏结构，在保证不大规模的破坏待修复部位的前提下，沿待修复部件损坏结构边缘规划水下切割路径。

3．调节水下割炬与待修复部位的相对位置，缓慢移动水下割炬靠近待修复部位，让割炬开始按照规划好的水下切割路径切除待修复部位的损坏区域。将切割后的待修复部位三维模型与进行切割前的修复部位的三维模型进行对比，建立水下增材待修复部位的三维模型。

其中，水下切割采用水下湿式电弧切割药芯割丝，该割丝由药芯和外层钢带组成。药芯按质量百分比包括：石灰石为18％，聚四氟乙烯为6.5％，铝镁合金粉为15％，氧化铈为0.5％，生石膏60%。铝粉和镁粉的粒径为100％过80目筛子，其余药粉粒径为过90目筛。铝镁合金粉中，铝粉占60%，镁粉占40%。外层钢带的材质为低碳钢,厚度为0.4mm。

4根据建立的水下增材待修复部位的三维模型，结合水下增材修复一次的增材厚度以及需要进行修补部位的形状，首先建立单层水下增材修复的路径，再根据实际修补部位需要修补的厚度，确定需要重复进行增材修补的次数。

5将割炬收回初始位置，换成焊炬1，调节焊炬1与经过切割后待修复工件相对位置，按照规划好的单层增材修复路径，采用水下湿法自保护药芯焊对工件进行增材修复。

修复工艺参数为：电流：220A、电压：30V，焊接速度：200mm/min，送丝速度4.0m/min,干伸长：16mm。

修复所用材料为水下湿法自保护药芯焊丝，不需要外加气体保护，自保护药芯焊丝的外皮由低碳钢钢带卷成，低碳钢钢带化学成分（wt.%）为：C：0.05-0.3%，Mn：0.4-0.8%，S：≤0.015%，P：≤0.015%。药芯由金红石、纤维素、大理石、锰粉、硅铁、云母、铝粉、镍粉和硼铁组成，各组成成分的质量百分比为：金红石45%，纤维素4%，大理石15%，锰粉6%，硅铁3%，云母20%，铝粉3%，镍粉2%，硼铁2%。

修复完一层后，将焊炬1重新调整到与待修复工件相对的起始修补位置；焊接机器人带动高压水枪，按照前一道修复路径，对修复层表面熔渣进行清除，高压水枪的高压水流中加入SiO₂磨料，粒径0.2mm，高压水枪的高压水流压力为80MPa。

清除完成后，再次调用焊炬1，使之按照既定的修复路径进行第二层修复，然后再除渣，以此类推，直到修复工作完成，收回焊炬1到初始位置。

6.采用高压水枪进行再次的表面清理，去除修复过程中产生的表面焊渣。此时再次扫描已经经过修复的零部件表面，根据修复的实际情况合理规划水下增材防护的路径。调节焊炬2与经过修复部件的相对位置，按照规划好的水下增材防护路径由焊炬2开始进行水下增材防护。

防护的工艺参数为：电流：230A，电压：32V，焊接速度：210mm/min，送丝速度3.8m/min,干伸长：16mm。

防护所用材料为水下湿法自保护耐蚀药芯焊丝，不需要外加气体保护，自保护耐蚀药芯焊丝的外皮由N6镍带卷成，N6镍带化学成分（wt.%）为：Ni+Co≥99.5%，Cu≤0.06%，Fe≤0.10%，Mn≤0.05%，C≤0.10%，Si≤0.10%，S≤0.005%。药芯的组分及质量分数为：氟化物45%，铝粉5%，镁粉8%，碳酸钙7%，铬15%，钛10%，锰铁8%，硼铁2%。

7.待增材防护完成后，将焊炬2恢复到初始位置。此时整个修复工作完成，关闭水下焊接电源和水流阀门，将水下电弧增材修复装备移出水面。

对于贯穿损坏类的零部件，例如箱式或管件类零部件的贯穿损坏，需要借助支撑架的辅助进行增材修复。本实施例提供的支撑架，结构如图2和3所示，包括支撑臂1、支撑板4、压块5。支撑臂1的一端设有下沉式平台8，平台的端部通过销轴3与支撑板4连接。支撑板4与下沉式平台8连接处设有限位板7。支撑板4能够沿销轴3旋转打开或者闭合，并且在限位板7的限位作用下，最大打开程度呈90度。

其中，支撑板4的厚度与下沉式平台8的下沉深度相同或略小于下沉式平台8的下沉深度，使得支撑板4贴合在该下沉式平台上时，二者的总厚度略小于或等于支撑臂1的厚度，便于使用后支撑架的收回。

如图3所示，在下沉式平台8上设有凹槽9，凹槽9内设有压块5，压块5的高度突出于凹槽9的表面。压块5与电动伸缩装置10连接，在电动伸缩装置10的带动下，压块5能够在凹槽9内沿其长轴移动。在支撑板4与压块5对应的位置也开设有凹槽。本实施例中，电动伸缩装置10可以采用丝杠、电动滑轨等装置。

在下沉式平台8上设有弹射按钮6和磁铁扣2。当支撑架工作时，需要打开支撑板4，此时通过控制电路使弹射按钮6弹出，在弹射按钮6的作用下，支撑板4被弹开。工作结束后，在磁铁扣2的吸合作用下，支撑板4被吸合固定在下沉式平台8上，此时，弹射按钮6受支撑板4施加的压力作用处于缩回状态。

在支撑臂内部开设有贯穿其内部的线路孔11，与电动伸缩装置10和弹射装置6连接的电线穿过该线路孔11与控制电路连接。

本实施中以箱式工件上下贯穿破损为例，借助支撑架的支撑作用进行修复，具体方法为：

弹射按钮6通电后，弹开支撑板4，如图3所示。先通过电动伸缩装置10调节压块5沿凹槽9向上运动，在支撑架4上放置基板a后，向下调节压块5使之与支撑架4共同夹紧基板，如图4所示。用支撑架夹持与母材成分相同或相近的基板a移动至待修复的贯穿破坏部位上方，支撑架夹着基板a深入贯穿部位后方，缓慢提升支撑架直至基板a与待修复零部件背部接触。重新调整焊炬1的位置，使之接近基板a与母材接触的位置，按照点焊选几个点进行焊接，将母材与基板a进行焊接固定；适当向上调节焊炬1，再调节压块5向上运动放开基板a，调节支撑架以及压块5再次夹取基板b，按照同样的操作将基板a、基板b和待修复零部件通过点焊固定在一起。以此类推，直至用最后一块基板填补贯穿破坏部位后方，留略大于支撑臂1整体厚度的窄缝，先由压块5放开最后一块基板，支撑架整体向后挪动后整体向下加速运动，支撑板4由于惯性作用向上运动，最终结合磁铁扣2的吸合作用收回贴紧在支撑臂1的下端，调整压块5到未工作位置，卡住支撑板4上的凹槽，使支撑架恢复到未工作的初始状态，如图2所示，支撑架整体向上运动通过预留的缝隙，离开待修复部位。

此时焊炬1按照上述步骤5在基板上按照规划好的修复路径进行增材修复。

本实施例中，采用支撑架辅助将基板焊接在贯穿破损处后方，为下一步增材修复提供底部支撑，利于后续修复工序的进行。

本发明采用的水下电弧增材修复技术，可以快速实现水下受损部件修复成近似原始形状，相比现有的水下手工电弧焊接修复，修复效率提高5-10倍，大大减少水下恶劣环境对修复过程和修复质量的影响，且工作水深可达水下200米。

Claims

1.一种水下电弧增材修复方法，其特征在于，包括：

（6）增材修复完成后，按照规划好的水下增材制造路径进行增材防护；

对于工件的贯穿类损坏增材修复时，在贯穿破坏部位后方设置支撑架来支撑焊接基板，在基板上进行增材修复；所述的支撑架包括支撑臂、支撑板、压块；支撑臂的一端设有下沉式平台，下沉式平台的端部通过销轴与支撑板连接；支撑板与下沉式平台连接处设有限位板；支撑板能够沿销轴旋转打开或者闭合，并且在限位板的限位作用下，最大打开程度呈90度；在下沉式平台上设有凹槽，凹槽内设有压块，压块的高度突出于凹槽的表面；压块与电动伸缩装置连接，在电动伸缩装置的带动下，压块能够在凹槽内沿其长轴移动；在支撑板与压块对应的位置也开设有凹槽。

2.根据权利要求1所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，所述的水下增材制造路径规划包括水下增材修复路径和水下增材防护路径。

3.根据权利要求1所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，增材修复采用水下湿法自保护药芯焊丝，外皮由低碳钢钢带卷成，低碳钢钢带化学成分（wt.%）为：C：0.05-0.3%，Mn：0.4-0.8%，S：≤0.015%，P：≤0.015%。

4.根据权利要求3所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，药芯的化学成分（wt.%）为：金红石35-50%，纤维素3-8%，大理石15-30%，锰粉5-10%，硅铁3-8%，云母15-30%，铝粉3-8%，镍粉2-6%，硼铁0.5-5%。

5.根据权利要求1所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，修复后的防护采用水下湿法自保护耐蚀药芯焊丝，焊丝的外皮由N6镍带卷成，N6镍带化学成分（wt.%）为：Ni+Co≥99.5%，Cu≤0.06%，Fe≤0.10%，Mn≤0.05%，C≤0.10%，Si≤0.10%，S≤0.005%。

6.根据权利要求5所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，药芯的化学成分（wt.%）为：氟化物40%-50%，铝粉5%-13%，镁粉7%-14%，碳酸钙7%-14%，铬10-20%，钛5%-14%，锰铁4%-12%，硼铁2%-5%。

7.根据权利要求1-6任一项所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，水下切割时，采用水下湿式电弧切割药芯割丝，所述割丝由药芯和外层钢带组成，所述药芯按质量百分比包括：石灰石为8～22％，聚四氟乙烯为5～8％，铝镁合金粉为12～22％，氧化铈为0.1％～1.7％，其余为生石膏；其中所述生石膏与铝镁合金粉的质量之比为2～4︰1；所述铝镁合金粉中，铝粉占50～70%，镁粉占30～50%。

8.根据权利要求7所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，所述外层钢带的材质为低碳钢，厚度为0.4mm。

9.根据权利要求8所述的水下电弧增材修复方法，其特征在于，在步骤（1）、（5）、（6）操作之前，先用高压水枪对工件待修复部位表面进行清理；高压水流中含有SiO₂磨料，粒径0.1-0.5mm；水流压力为10-100MPa。