CN113070572B - 一种水下焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水下焊接装置，包括激光焊接头、激光清洗头、排水罩、通气口，本发明还提供一种水下焊接方法，将气流通过通气口输入排水罩内，当开口处有气体排出时，将排水罩移到待焊接件处，开口正对待焊接件，排水罩内的水被气体挤压排出后，排水罩与待焊接件之间形成干燥空间；启动激光清洗头和激光焊接头，激光清洗头能够去除待焊接件表面的金属氧化膜和水膜，激光焊接头能够对待焊接件进行焊接。在进行水下焊接时，激光清洗头和激光焊接头一前一后，由前面的激光清洗头对待焊接件表面进行激光清洗，然后激光焊接头运动到清洗后的位置时对该区域进行焊接，不仅可以有效去除金属表面氧化物，还能去除水膜，消除氢源，提高焊接质量。

Description

一种水下焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种水下焊接装置及方法。
背景技术
进入21世纪以来，随着人口数量爆增，陆地资源储量骤减，生态环境恶化，世界各国纷纷加快了对海洋资源开发利用的步伐。然而，由于受到海洋工程建设及维修等技术条件的限制，目前大量新兴海洋经济产业仅集中在近海领域，在深海领域的发展还比较少。不过可以预见，随着我国经济结构的战略调整，更多适用于深海领域应用的海上工程及大型船舶将逐渐出现，与此相对应的海洋工程结构建设及维修也将大量展开。海上工程及大型船舶由于长期处于阴冷、潮湿的水体环境中，由构件作为阴、阳极物质，水体作为导电溶液的原电池，会对材料进行严重的腐蚀影响，生成金属氧化膜等物质。
金属氧化膜的存在，一方面可能在高温下，分解使得熔池吸氢、吸氧，由于熔池的快速冷却，气体来不及逸出，容易在焊接接头内形成氢气孔。气孔会破坏焊缝金属的致密性，削弱焊缝的有效截面，极大地降低焊缝的力学性能，损害接头的成形效果；另一方面，金属氧化膜可能不分解、不溶于熔体，焊接过程中，浮在熔体表面的氧化皮被破碎并卷入熔体内，留在熔池中形成夹杂。除此之外，氧化膜的结构疏松多孔、易吸收水分、油污等，在这种状态下焊接易引起焊缝气孔率的提高从而影响接头性能。
尽管在水下激光焊接过程中形成了稳定的局部干腔，然而，水对激光焊接的影响并没有完全消除，因为基底浸没在水中，薄层水膜仍然残留在基底表面上。水膜会在高温下产生热分解，导致溶解到焊缝中的氢增加，焊缝含氢量高，易引起裂纹，甚至导致结构的破坏。另外，在水下激光焊接过程的初始阶段，激光束照射在基底区域上，水膜吸收一部分热量，产生了气溶胶粒子，由于气溶胶粒子的吸收和散射效应，导致激光强度的降低，既会影响焊缝成形，也会降低焊接过程的稳定性。
公开号为CN107931872A的中国专利，公开了一种水下激光焊接用排水装置及其使用方法，是现有实现水下局部干法焊接的较为成熟的方案，利用排水罩能够在水下待焊工件表面形成一个稳定的局部干燥空间，但是无法去除工件表面已有的氧化膜等杂质。公开号为CN111872583A的中国专利，公开了一种转角分离式水下激光焊接微型排水装置，将排水罩分为上下两部分，工作时，在下罩体不动的情况下上罩体可以灵活转动，但是仍然无法去除金属氧化膜及水膜，导致焊接质量较差，同时，随着上罩体的运动，焦距随之改变，每次运动后焦距的调节极大降低了焊接效率。
因此，如何改变现有技术中，水下激光焊接过程中金属氧化膜和水膜影响焊接质量的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下焊接装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高水下焊接质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种水下焊接装置，包括激光焊接头、激光清洗头、排水罩、通气口，所述激光焊接头和所述激光清洗头均设置于所述排水罩上，所述激光焊接头和所述激光清洗头分别连接有激光器，所述激光焊接头与所述激光清洗头的激光出射端均伸入所述排水罩内，沿焊接方向，所述激光清洗头位于所述激光焊接头的前方；
所述排水罩具有开口，所述开口正对待焊接件设置，所述通气口设置于所述排水罩上，所述通气口与所述排水罩的内腔相连通，所述通气口能够与外部气源相连通。
优选地，所述排水罩顶部具有固定块，所述激光焊接头与所述激光清洗头均设置于所述固定块上，所述激光焊接头与所述激光清洗头的激光出射端均穿过所述固定块并伸入所述排水罩中。
优选地，所述激光焊接头与所述激光清洗头均可滑动地设置于所述固定块上，所述激光焊接头与所述固定块的相对滑动方向、所述激光清洗头与所述固定块的相对滑动方向均垂直于所述开口所在平面。
优选地，所述开口位于所述排水罩的底部；所述排水罩与所述固定块之间设置缓冲槽，所述缓冲槽与所述排水罩相连通，所述通气口设置于所述缓冲槽上。
优选地，所述排水罩为棱柱状结构。
优选地，所述排水罩的底部具有倒置的四棱台状结构。
优选地，所述通气口的数量为四个，四个所述通气口均布设置于所述缓冲槽的侧立面上。
优选地，所述通气口能够利用连通管与外部气源相连通。
本发明还提供一种水下焊接方法，利用上述的水下焊接装置，包括如下步骤：将气流通过通气口输入排水罩内，当开口处有气体排出时，将排水罩移到待焊接件处，开口正对待焊接件，排水罩内的水被气体挤压排出后，排水罩与待焊接件之间形成干燥空间；启动激光清洗头和激光焊接头，激光清洗头能够去除待焊接件表面的金属氧化膜和水膜，激光焊接头能够对待焊接件进行焊接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的水下焊接装置，包括激光焊接头、激光清洗头、排水罩、通气口，激光焊接头和激光清洗头均设置于排水罩上，激光焊接头和激光清洗头分别连接有激光器，激光焊接头与激光清洗头的激光出射端均伸入排水罩内，沿焊接方向，激光清洗头位于激光焊接头的前方；排水罩具有开口，开口正对待焊接件设置，通气口设置于排水罩上，通气口与排水罩的内腔相连通，通气口能够与外部气源相连通。本发明还提供一种水下焊接方法，将气流通过通气口输入排水罩内，当开口处有气体排出时，将排水罩移到待焊接件处，开口正对待焊接件，排水罩内的水被气体挤压排出后，排水罩与待焊接件之间形成干燥空间；启动激光清洗头和激光焊接头，激光清洗头能够去除待焊接件表面的金属氧化膜和水膜，激光焊接头能够对待焊接件进行焊接。在进行水下焊接时，激光清洗头和激光焊接头一前一后，由前面的激光清洗头对待焊接件表面进行激光清洗，然后激光焊接头运动到清洗后的位置时对该区域进行焊接，该过程不仅可以有效去除金属表面氧化物，还能利用热效应去除水膜，消除氢源，提高焊接质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的水下焊接装置的结构示意图；
图2为本发明的水下焊接装置工作时的示意图；
其中，100为水下焊接装置，1为激光焊接头，2为激光清洗头，3为排水罩，4为通气口，5为开口，6为固定块，7为缓冲槽，8为待焊接件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种水下焊接装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高水下焊接质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-2，其中，图1为本发明的水下焊接装置的结构示意图，图2为本发明的水下焊接装置工作时的示意图。
本发明提供一种水下焊接装置100，包括激光焊接头1、激光清洗头2、排水罩3、通气口4，激光焊接头1和激光清洗头2均设置于排水罩3上，激光焊接头1和激光清洗头2分别连接有激光器，激光焊接头1与激光清洗头2的激光出射端均伸入排水罩3内，沿焊接方向，激光清洗头2位于激光焊接头1的前方；
排水罩3具有开口5，开口5正对待焊接件8设置，通气口4设置于排水罩3上，通气口4与排水罩3的内腔相连通，通气口4能够与外部气源相连通。
利用本发明的水下焊接装置100时，将气流通过通气口4输入排水罩3内，当开口5处有气体排出时，将排水罩3移到待焊接件8处，开口5正对待焊接件8，排水罩3内的水被气体挤压排出后，排水罩3与待焊接件8之间形成干燥空间；启动激光清洗头2和激光焊接头1，激光清洗头2能够去除待焊接件8表面的金属氧化膜和水膜，激光焊接头1能够对待焊接件8进行焊接。本发明的水下焊接装置100，在进行水下焊接时，激光清洗头2和激光焊接头1一前一后，由前面的激光清洗头2对待焊接件8表面进行激光清洗，然后激光焊接头1运动到清洗后的位置时对该区域进行焊接，该过程不仅可以有效去除金属表面氧化物，还能利用热效应去除水膜，消除氢源，提高焊接质量。
其中，排水罩3顶部具有固定块6，激光焊接头1与激光清洗头2均设置于固定块6上，激光焊接头1与激光清洗头2的激光出射端均穿过固定块6并伸入排水罩3中，固定块6为激光焊接头1和激光清洗头2提供了安装基础和支撑，提高了装置的可靠性。
为了便于调整激光焊接头1和激光清洗头2的竖直位置，激光焊接头1与激光清洗头2均可滑动地设置于固定块6上，激光焊接头1与固定块6的相对滑动方向、激光清洗头2与固定块6的相对滑动方向均垂直于开口5所在平面，调整激光焊接头1和激光清洗头2的位置，保证焦距的稳定长度，确保清洗和焊接的顺利进行。
具体地，开口5位于排水罩3的底部；排水罩3与固定块6之间设置缓冲槽7，缓冲槽7与排水罩3相连通，通气口4设置于缓冲槽7上，外部高压气源通过通气口4首先进入缓冲槽7中，在流入排水罩3中，排水罩3内的水被进入的气体挤压而排出，水下局部干燥空间形成，为后续清洗和焊接提供便利条件。
在本具体实施方式中，排水罩3为棱柱状结构，且排水罩3的底部具有倒置的四棱台状结构，即开口5的横截面积较排水罩3的主体部分的横截面积小，避免在后续焊接过程中由于开口5过大导致气体供应不足，外部水体进入排水罩3中。
在本发明的其他具体实施方式中，通气口4的数量为四个，四个通气口4均布设置于缓冲槽7的侧立面上，提高进气均匀度，保证气体充足。
更具体地，通气口4能够利用连通管与外部气源相连通，此处需要说明的是，通入排水罩3内的高压气体可根据实际生产需要选择，以起到更好的保护作用。
本发明还提供一种水下焊接方法，利用上述的水下焊接装置100，包括如下步骤：将高压气流通过通气口4接入排水罩3上端的缓冲槽7内，待排水罩3下端有气体流出时，将排水罩3移动到待焊接件8上方，待排水罩3内的水被通气口4进入的气体挤压而排出，水下局部干燥空间形成。完成前期设备检查后，调节激光清洗头2和激光焊接头1的位置，保证焦距的稳定长度。设定工艺参数，激光器启动，在待焊接件8表面实现前端激光清洗，紧接着激光焊接。焊接完成后，关闭激光器，激光焊接停止，将装置取出。本发明利用排水罩3将激光清洗和激光焊接相结合，应用于水下焊接时，由激光清洗头2去除焊件表面的金属氧化膜和水膜，激光焊接头1紧随其后对待焊接件8进行焊接，由于工件表面的金属氧化膜和水膜被去除，能够减少裂纹、气孔等缺陷的产生，能够有效克服水环境下待焊接件8表面的金属氧化膜和水膜对焊接质量造成的不利影响。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种水下焊接装置，其特征在于：包括激光焊接头、激光清洗头、排水罩、通气口，所述激光焊接头和所述激光清洗头均设置于所述排水罩上，所述激光焊接头和所述激光清洗头分别连接有激光器，所述激光焊接头与所述激光清洗头的激光出射端均伸入所述排水罩内，沿焊接方向，所述激光清洗头位于所述激光焊接头的前方；
所述排水罩具有开口，所述开口正对待焊接件设置，所述通气口设置于所述排水罩上，所述通气口与所述排水罩的内腔相连通，所述通气口能够与外部气源相连通；
所述排水罩顶部具有固定块，所述激光焊接头与所述激光清洗头均设置于所述固定块上，所述激光焊接头与所述激光清洗头的激光出射端均穿过所述固定块并伸入所述排水罩中；所述激光焊接头与所述激光清洗头均可滑动地设置于所述固定块上，所述激光焊接头与所述固定块的相对滑动方向、所述激光清洗头与所述固定块的相对滑动方向均垂直于所述开口所在平面。
2.根据权利要求1所述的水下焊接装置，其特征在于：所述开口位于所述排水罩的底部；所述排水罩与所述固定块之间设置缓冲槽，所述缓冲槽与所述排水罩相连通，所述通气口设置于所述缓冲槽上。
3.根据权利要求2所述的水下焊接装置，其特征在于：所述排水罩为棱柱状结构。
4.根据权利要求3所述的水下焊接装置，其特征在于：所述排水罩的底部具有倒置的四棱台状结构。
5.根据权利要求4所述的水下焊接装置，其特征在于：所述通气口的数量为四个，四个所述通气口均布设置于所述缓冲槽的侧立面上。
6.根据权利要求5所述的水下焊接装置，其特征在于：所述通气口能够利用连通管与外部气源相连通。
7.一种水下焊接方法，利用权利要求1-6任一项所述的水下焊接装置，其特征在于，包括如下步骤：将气流通过通气口输入排水罩内，当开口处有气体排出时，将排水罩移到待焊接件处，开口正对待焊接件，排水罩内的水被气体挤压排出后，排水罩与待焊接件之间形成干燥空间；启动激光清洗头和激光焊接头，激光清洗头能够去除待焊接件表面的金属氧化膜和水膜，激光焊接头能够对待焊接件进行焊接。
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