CN113664398B - 一种半干法等离子-fcaw水下复合焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

一种半干法等离子-fcaw水下复合焊接装置及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半干法等离子‑FCAW水下复合焊接装置及其焊接方法，装置包括FCAW系统及等离子系统，应用等离子‑FCAW复合焊接方法进行水下焊接，利用等离子弧能量密度高的特点对工件进行预热，降低工件冷却速率；并利用等离子弧的深熔效应增加焊接熔深，提升焊接效率；同时通过霍尔传感器采集FCAW电流的实时变化，根据电流的变化控制磁极端部的纵向机械运动以改变电弧区域的磁场强度，进而改变控制水下等离子电弧与FCAW电弧作用位置；通过等离子与FCAW电弧的水下有效复合可以在保证焊接接头质量的前提下显著提升焊接效率；该复合方式易于实现自动化焊接控制，因此可极大拓展水下焊接技术的应用范围，提升水下焊接自动化水平。

Description

一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置及其焊接方法
技术领域
本发明涉及水下焊接设备技术领域，尤其是一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置及其焊接方法。
背景技术
水下焊接技术作为海洋石油平台、海底管道等基础设施建造和维修中必不可少的关键技术，多年来一直备受世界各国的关注。随着我国跨海桥梁、隧道和科研勘探装备的建设，涉海工程结构趋于大型化和一体化，传统陆上焊接装配方法已经无力满足越来越多的大型海洋工程结构对于水下焊接技术的需要。
目前，常用的水下焊接方法主要包括水下湿法焊接、局部干法焊接、和干法焊接三大类。其中水下湿法焊接相比于其他两种方法具有设备简单、操作便捷、焊接效率高和适用性强等优势，是目前主要的水下焊接方法。然而由于水下环境的快速冷却作用会严重影响水下焊接过程的温度场和热循环，导致了水下焊缝成形和焊接稳定性差、焊接效率低以及焊缝力学性能差等问题。针对以上问题，国内外机构开展了大量的研究工作，分别从水下湿法焊接冶金过程、气泡行为和熔滴过渡行为调控和改善工件热循环等方面提出了优化方案，相比于通过优化药芯焊丝成分，调控水下湿法焊接过程和熔滴过渡方式，改善水下工件的焊接热循环、降低工件冷却速度的方法更为直接有效。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置及其焊接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，包括焊炬气罩，所述焊炬气罩两侧设置可摆动的异形磁极，所述异形磁极连接磁控电源，所述焊炬气罩两侧底部分别设置第一导磁体和第二导磁体，所述焊炬气罩底部设置有导轮机构，所述焊炬气罩内部设置有FCAW系统及等离子系统，所述FCAW系统包括FCAW导电快速接头、FCAW导电体、FCAW主体冷却通道、FCAW气罩支持及冷却件、焊炬主体支架、FCAW夹持锁紧件、FCAW保护气罩，所述FCAW导电快速接头与FCAW导电体之间采用英制螺纹进行机械和导电连接，所述FCAW主体冷却通道与FCAW导电体之间采用钎焊连接成形冷却水循环空间，所述FCAW气罩支持及冷却件通过FCAW夹持锁紧件夹持在焊炬主体支架上，所述FCAW保护气罩与FCAW气罩支持及冷却件之间采用涨紧连接，所述FCAW保护气罩下方设置FCAW导电嘴，所述FCAW保护气罩内部设置有焊丝；所述等离子系统包括等离子焊炬外枪体、等离子喷嘴、对中冷却导向件、钨极、钨极夹、水冷环路、压紧螺母以及等离子焊炬上枪体，所述等离子喷嘴与等离子焊炬外枪体通过螺纹连接，所述对中冷却导向件安装在钨极与等离子焊炬外枪体之间，所述钨极夹和水冷环路以及压紧螺母构成等离子焊炬上枪体，所述等离子焊炬上枪体与等离子焊炬外枪体之间通过绝缘连接件连接，所述等离子系统所有水电气路通过等离子焊炬水电气集成接口与等离子电源进行连接，所述焊炬气罩内部还设置有磁控线圈和线圈导磁体。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述焊炬气罩上方设置焊炬顶部支架，所述焊炬顶部支架上设置有焊炬手持把手。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述等离子喷嘴与等离子焊炬外枪体螺纹连接端部添加O型密封圈。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述焊炬气罩中间位置设置有焊炬气罩通气孔。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述等离子焊炬外枪体外侧设置有绝缘套管。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述FCAW系统和等离子系统分别独立供电，所述FCAW系统采用直流反接，所述等离子系统采用直流正接。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述FCAW系统还包括霍尔电流传感器实时采集FCAW的电流变化。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述磁控电源可提供脉冲磁场和普通直流磁场。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，所述脉冲磁场和普通直流磁场的磁场强度可以在0-5mT之间调节，所述脉冲磁场和普通直流磁场的施加方向垂直于焊接电弧。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置的焊接方法，包括如下步骤：
(1)将等离子系统所有水电气路通过等离子焊炬水电气集成接口与等离子电源进行连接，形成完整的水电气通路；
(2)下潜至焊接位置，手持焊炬手持把手，将焊炬前端的导轮机构贴合在施焊位置，根据焊接需求和条件调整焊炬高度；
(3)通过等离子焊炬水电气集成接口通以围绕等离子电弧的保护气，通气以后进行等离子非转移弧的引燃；
(4)待非转移弧稳定以后，同时引燃转移弧和FCAW电弧，水下复合焊接过程开始。
上述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置的焊接方法，所述步骤(3)中所通保护气的气体流量为2.5-5L/min。
本发明的有益效果是，应用等离子-FCAW复合焊接方法进行水下焊接，利用等离子弧能量密度高的特点对工件进行预热，降低工件冷却速率；并利用等离子弧的深熔效应增减焊接熔深，提升焊接效率；FCAW工艺应用自保护药芯焊丝，在焊接过程中可为熔池提供有效的保护效果；通过霍尔传感器采集FCAW电流的实时变化，根据电流的变化控制磁极端部的纵向机械运动以改变电弧区域的磁场强度，进而控制等离子电弧与FCAW电弧作用位置和焊接过程；通过等离子与FCAW电弧的有效复合可以在保证焊接接头质量的前提下显著提升焊接效率；该复合方式易于实现自动化焊接控制，因此可极大拓展水下焊接技术的应用范围，提升水下焊接自动化水平。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明侧视图；
图2为本发明图1中A方向剖视图；
图3为本发明原理示意图；
图4为本发明实施例水下焊缝成型外观示意图；
图5为本发明实施例水下焊缝截面宏观形貌图。
图中1.FCAW导电快速接头，2.FCAW导电体，3.焊炬顶部支架，4.焊炬手持把手，5.FCAW主体冷却通道，6.FCAW气罩支持及冷却件，7.焊炬主体支架，8.焊炬气罩通气孔，9.FCAW夹持锁紧件，10.FCAW保护气罩，11.FCAW导电嘴，12.焊丝，13.等离子喷嘴，14.钨极，15.对中冷却导向件，16.焊炬气罩，17.绝缘套管，18.等离子焊炬外枪体，19.绝缘连接件，20.钨极夹，21.水冷环路，22.压紧螺母，23.磁控线圈，24.线圈导磁体，25.等离子焊炬水电气集成接口，26.第一导磁体，27.导轮机构，28.第二导磁体，29.焊接熔池。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
本发明公开了一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置及其焊接方法，包括焊炬气罩16，焊炬气罩16中间位置设置有焊炬气罩通气孔8，焊炬气罩16上方设置焊炬顶部支架3，焊炬顶部支架3上设置有焊炬手持把手4，焊炬气罩16底部设置有导轮机构27，焊炬气罩16两侧设置可摆动的异形磁极，产生垂直于焊接电弧的异形磁场，异形磁极连接磁控电源，磁控电源可提供脉冲磁场和普通直流磁场，异形磁极可以有效改善焊接过程焊接电弧耦合程度，进一步提高焊接电弧穿透力，实现水下中厚板及大厚板的高效焊接，并改变焊接过程熔滴过渡形式，保证焊接接头质量；焊炬气罩16两侧底部分别设置第一导磁体26和第二导磁体28，焊炬气罩16内部还设置有磁控线圈23和线圈导磁体24，焊炬气罩16内部设置有FCAW系统及等离子系统。
具体的，FCAW系统包括FCAW导电快速接头1、FCAW导电体2、FCAW主体冷却通道5、FCAW气罩支持及冷却件6、焊炬主体支架7、FCAW夹持锁紧件9、FCAW保护气罩10，FCAW导电快速接头1与FCAW导电体2之间采用英制螺纹进行机械和导电连接，FCAW主体冷却通道5与FCAW导电体2之间采用钎焊连接成形冷却水循环空间，FCAW气罩支持及冷却件6通过FCAW夹持锁紧件9夹持在焊炬主体支架7上，FCAW保护气罩10与FCAW气罩支持及冷却件6之间采用涨紧连接，FCAW保护气罩10下方设置FCAW导电嘴11，FCAW保护气罩10内部设置有焊丝12。
具体的，FCAW系统还包括霍尔电流传感器实时采集FCAW的电流变化，并根据脉冲电流的变化经过信号处理驱动伺服机构控制磁极的纵向运动，实现电弧区域的磁场强度的同步变化，进而实现FCAW脉冲电流与调控磁场的协同控制，达到稳定熔池受力状态和焊接过程稳定性的目的。
具体的，等离子系统包括等离子焊炬外枪体18、等离子喷嘴13、对中冷却导向件15、钨极14、钨极夹20、水冷环路21、压紧螺母22以及等离子焊炬上枪体，等离子焊炬外枪体18外侧设置有绝缘套管17，等离子喷嘴13与等离子焊炬外枪体18通过螺纹连接，螺纹连接端部添加O型密封圈，对中冷却导向件15安装在钨极14与等离子焊炬外枪体18之间，钨极夹20和水冷环路21以及压紧螺母22构成等离子焊炬上枪体，等离子焊炬上枪体与等离子焊炬外枪体18之间通过绝缘连接件19连接，等离子系统所有水电气路通过等离子焊炬水电气集成接口25与等离子电源进行连接。
具体的，所述FCAW系统和等离子系统分别独立供电，所述FCAW系统采用直流反接，所述等离子系统采用直流正接。
具体的，本发明焊接原理为：在等离子和FCAW复合焊接方法中，等离子弧为负极，FCAW电弧为正极，电流通过两个电极相互作用产生电磁力F，电磁力F牵引等离子弧及FCAW电弧向焊接熔池29前方移动。
使用时，首先将复合焊炬与配套复合焊接电源进行电气连接，形成完整的水电气通路，然后由专业技术人员通过潜水方式进入水下施焊位置，手持焊炬手持把手4，将焊炬前端的导轮机构27贴合在施焊位置，根据焊接需求和条件调整焊炬高度，焊接开始前，先通以围绕等离子电弧的保护气，气体流量为2.5～5L/min，通气以后进行等离子非转移弧的引燃，然后待非转移弧稳定以后，同时引燃转移弧和FCAW电弧，水下复合焊接过程开始。保护气实时保护焊接过程，并在复合焊接电弧共同作用下将保护气罩周围水排开，焊接电弧周围仅有或者无可流动的水，实现半干式水下焊接，提高接头质量；FCAW系统应用自保护药芯焊丝，在焊接过程中可为熔池提供有效的保护效果；焊接过程等离子与FCAW电弧的有效复合显著提高焊接效率和焊接接头质量；复合焊接装置两侧加入可摆动的异形磁极，优化焊接过程磁场分布，实时调控复合电弧形态耦合程度，实现深熔高效焊接；该复合方式易于实现自动化焊接控制，因此可极大拓展水下焊接技术的应用范围，提升水下焊接自动化水平焊缝成形良好，熔敷金属铺展较好，纹理清晰，横截面无缺陷。本发明装置适用于于20米内水深环境的水下结构建造、修复焊接工作。
如图4-5所示，使用本发明公开的复合焊接装置及焊接方法进行水下焊接，焊缝成形良好，熔敷金属铺展较好，纹理清晰，横截面无缺陷。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，包括焊炬气罩，其特征在于：所述焊炬气罩两侧设置可摆动的异形磁极，所述异形磁极连接磁控电源，所述焊炬气罩两侧底部分别设置第一导磁体和第二导磁体，所述焊炬气罩底部设置有导轮机构，所述焊炬气罩内部设置有FCAW系统及等离子系统，所述FCAW系统包括FCAW导电快速接头、FCAW导电体、FCAW主体冷却通道、FCAW气罩支持及冷却件、焊炬主体支架、FCAW夹持锁紧件、FCAW保护气罩，所述FCAW导电快速接头与FCAW导电体之间采用英制螺纹进行机械和导电连接，所述FCAW主体冷却通道与FCAW导电体之间采用钎焊连接成形冷却水循环空间，所述FCAW气罩支持及冷却件通过FCAW夹持锁紧件夹持在焊炬主体支架上，所述FCAW保护气罩与FCAW气罩支持及冷却件之间采用涨紧连接，所述FCAW保护气罩下方设置FCAW导电嘴，所述FCAW保护气罩内部设置有焊丝；所述等离子系统包括等离子焊炬外枪体、等离子喷嘴、对中冷却导向件、钨极、钨极夹、水冷环路、压紧螺母以及等离子焊炬上枪体，所述等离子喷嘴与等离子焊炬外枪体通过螺纹连接，所述对中冷却导向件安装在钨极与等离子焊炬外枪体之间，所述钨极夹和水冷环路以及压紧螺母构成等离子焊炬上枪体，所述等离子焊炬上枪体与等离子焊炬外枪体之间通过绝缘连接件连接，所述等离子系统所有水电气路通过等离子焊炬水电气集成接口与等离子电源进行连接，所述焊炬气罩内部还设置有磁控线圈和线圈导磁体；
所述FCAW系统和等离子系统分别独立供电，所述FCAW系统采用直流反接，所述等离子系统采用直流正接；
所述FCAW系统还包括霍尔电流传感器实时采集FCAW的电流变化；
所述磁控电源可提供脉冲磁场和普通直流磁场；
所述脉冲磁场和普通直流磁场的磁场强度可以在0-5mT之间调节，所述脉冲磁场和普通直流磁场的施加方向垂直于焊接电弧。
2.根据权利要求1所述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，其特征在于，所述焊炬气罩上方设置焊炬顶部支架，所述焊炬顶部支架上设置有焊炬手持把手。
3.根据权利要求1所述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，其特征在于，所述等离子喷嘴与等离子焊炬外枪体螺纹连接端部添加O型密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，其特征在于，所述焊炬气罩中间位置设置有焊炬气罩通气孔。
5.根据权利要求1所述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置，其特征在于，所述等离子焊炬外枪体外侧设置有绝缘套管。
6.根据权利要求1所述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将等离子系统所有水电气路通过等离子焊炬水电气集成接口与等离子电源进行连接，形成完整的水电气通路；
（2）下潜至焊接位置，手持焊炬手持把手，将焊炬前端的导轮机构贴合在施焊位置，根据焊接需求和条件调整焊炬高度；
（3）通过等离子焊炬水电气集成接口通以围绕等离子电弧的保护气，通气以后进行等离子非转移弧的引燃；
（4）待非转移弧稳定以后，同时引燃转移弧和FCAW电弧，水下复合焊接过程开始。
7.根据权利要求6所述的一种半干法等离子-FCAW水下复合焊接装置的焊接方法，其特征在于，所述步骤（3）中所通保护气的气体流量为2.5-5L/min。
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