CN114047222B - 水下高压干法gmaw焊接电弧能量耗散测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，涉及水下高压干式气体保护焊接技术领域，以解决现有技术中没有能用于观测水下干式焊接在不同环境压力下的电弧能量耗散的相对变化量的装置的问题。该装置包括集成于高压舱体内的移动平台、能量耗散采集机构、测温机构以及循环水路构，能量耗散采集机构包括焊枪夹持组件及安装在其上的换热组件，换热组件上设置有与其内部的循环水流动通道连通的换热入口和换热出口；测温机构包括保温罐体和获取保温罐体内水的温度的温度检测组件，保温罐体的出水口与换热组件的换热入口之间通过循环出水管连通，保温罐体的进水口与换热组件的换热出口之间通过循环回水管连通。
Description
技术领域
本发明涉及水下高压干式气体保护焊接技术领域，尤其是涉及一种水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置。
背景技术
随着科技的不断进步，焊接技术得到了迅速发展，焊接作为一种重要的材料加工和制造技术，已经渗透到制造业的各个领域。提高焊接生产效率和焊接质量，减少焊接缺陷的高效焊接方法成为现代焊接界的研究热点。
水下高压干法GMAW(熔化极气体保护焊)焊接由于其高效、低廉和广泛的适应性，是海洋结构物、核电堆内构件等水下环境焊接作业的主要发展方向。目前用于水下GMAW焊接过程监控的信号主要为焊接电流、电弧电压等信号。
焊接电弧是指在一定条件下，两电极之间产生的强烈持久的气体放电现象。焊接电弧的主要作用是把电能转换成热能，同时产生光辐射和响声(电弧声)。电弧的高热可用于焊接、切割和冶炼等。焊接电弧是焊接过程中产生的一种非平稳随机信号，其蕴含丰富的电弧信息，与熔滴过渡方式、电弧稳定性以及焊接质量都有着密切的联系。
但是，目前还没有能用于观测水下干式焊接在不同环境压力下的电弧能量耗散的相对变化量的装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，以解决现有技术中没有能用于观测水下干式焊接在不同环境压力下的电弧能量耗散的相对变化量的装置的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，包括移动平台、能量耗散采集机构、测温机构以及循环水路构，其中：所述移动平台，集成于高压舱体内，所述移动平台上形成有放置焊接母材的母材放置面以及用于安装所述测温机构的安装面；
所述能量耗散采集机构，包括用于夹持焊枪的焊枪夹持组件以及安装在所述焊枪夹持组件上的换热组件，所述焊枪夹持组件及其上的焊枪均放置于所述焊接母材的上方，所述换热组件内形成有循环水流动通道且所述换热组件上设置有与所述循环水流动通道相连通的换热入口和换热出口；
所述测温机构包括保温罐体和温度检测组件，所述保温罐体内部形成有储存所述换热组件所需循环水的容纳腔且所述保温罐体上设置有与所述容纳腔连通的进水口和出水口，所述温度检测组件用于获取所述保温罐体内水的温度；
所述循环水路包括循环出水管和循环回水管，所述保温罐体的出水口与所述换热组件的换热入口之间通过所述循环出水管连通，所述保温罐体的进水口与所述换热组件的换热出口之间通过所述循环回水管连通。
优选地，所述移动平台包括移动板和安装板，所述移动板上形成有所述母材放置面，所述安装板与所述移动板固定连接且所述移动板移动能带动其母材放置面的焊接母材及其安装板移动，所述安装板上形成有所述安装面，所述测温机构固定在所述安装面上。
优选地，所述焊枪夹持组件包括夹持部和能量耗散采集罩，所述能量耗散采集罩呈中空圆筒状结构，其套设在焊枪外围且能罩住焊接过程中产生的电弧，所述能量耗散采集罩上设置有两个连接部，两个所述连接部沿所述能量耗散采集罩的轴线对称设置在两侧，所述能量耗散采集罩通过所述连接部与对应的所述夹持部连接，两个所述夹持部之间设置有焊枪，所述能量耗散采集罩上设置有所述换热组件。
优选地，所述能量耗散采集罩上开设有用于安装换热组件的安装通槽，所述换热组件包括换热铜块以及连接在所述换热铜块两侧的连接板，所述换热铜块内形成有所述循环水流动通道且其上开设有所述换热入口和所述换热出口，所述换热铜块位于所述安装通槽内且所述换热铜块通过所述连接板与所述能量耗散采集罩形成可拆卸连接。
优选地，所述温度检测组件包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述保温罐体的出水口处以用于采集所述保温罐体内的水的温度。
优选地，所述温度检测组件还包括温度测量仪，所述温度测量仪与所述温度传感器相连接，用于采集所述温度传感器获取的水温数据并将其转换为数字量传送至计算机。
优选地，所述循环出水管包括第一连接管和第二连接管，所述第一连接管与所述保温罐体的出水口相连通，所述第二连接管与所述换热铜块的换热入口相连通，所述第一连接管与所述第二连接管之间设置有泵体。
优选地，所述泵体安装在泵体安装座上且所述泵体通过所述泵体安装座固定在所述安装板上。
优选地，所述能量耗散采集罩的下端位置开设有以允许焊缝通过的开口，两个所述开口沿所述能量耗散采集罩的中轴线对称设置。
优选地，所述安装通槽设置于所述能量耗散采集罩的下端位置处，所述安装通槽和所述开口均呈开口向下的U形结构，所述能量耗散采集罩在与所述安装通槽呈90°位置处设置有所述开口。
本发明提供的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，包括移动平台、能量耗散采集机构、测温机构以及循环水路构，其中，能量耗散采集机构中的焊枪夹持组件用于夹持焊枪，焊枪与焊枪夹持组件固定在一起沿焊接方向移动，焊枪能伸入能量耗散采集罩内且能量耗散采集罩能罩住焊接过程中产生的电弧；能量耗散采集罩一侧的换热组件内设置有循环水流动通道，循环水路连通循环水流动通道与保温罐体内的循环水容纳腔，形成循环回路，将焊接过程中能量耗散采集罩体上的能量转移到测温机构的保温罐体中去。本发明用于观测水下干式焊接在不同环境压力下的电弧能量耗散的相对变化量，通过对比，为不同环境下GMAW电弧能量耗散变化对电弧收缩、焊接不稳定的影响提供实验支持。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明实施例提供的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置与高压舱体的配合安装示意图；
图3是本发明实施例提供的焊枪夹持组件的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的能量耗散采集机构与测温机构之间的循环水路构连接示意图；
图5是本发明实施例提供的换热铜块的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的换热铜块的剖面图。
附图标记：1、移动平台；11、移动板；111、母材放置面；12、安装板；121、安装面；2、能量耗散采集机构；21、焊枪夹持组件；211、夹持部；212、能量耗散采集罩；2121、安装通槽；2122、开口；213、连接部；22、换热组件；221、换热铜块；2211、循环水流动通道；222、连接板；223、换热入口；224、换热出口；3、测温机构；31、保温罐体；311、进水口；312、出水口；32、温度传感器；4、循环出水管；41、第一连接管；42、第二连接管；5、循环回水管；6、母材；7、泵体；8、焊枪；9、泵体安装座；10、高压舱体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1～图6，本发明提供了一种水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，包括移动平台1、能量耗散采集机构2、测温机构3以及循环水路构，其中，移动平台1，集成于高压舱体10内，移动平台1上形成有放置焊接母材6的母材放置面111以及用于安装测温机构3的安装面121。
具体的，本实施例中的移动平台1包括移动板11和安装板12，移动板11上形成有放置焊接母材6的母材放置面111，安装板12固定连接在移动板11的一侧，移动板11移动时能带动其母材放置面111的焊接母材6及其安装板12一起移动，安装板12上形成有安装面121，测温机构3固定在安装面121上，进一步的，本实施例中的安装面121与母材放置面111相垂直。
本实施例中的能量耗散采集机构2包括用于夹持焊枪8的焊枪夹持组件21以及安装在焊枪夹持组件21上的换热组件22，焊枪夹持组件21及其上的焊枪8均放置于移动板11上的焊接母材6的上方，而换热组件22内形成有循环水流动通道2211且换热组件22上设置有与循环水流动通道2211相连通的换热入口223和换热出口224。
可选的，在本发明中，焊枪夹持组件21包括夹持部211和能量耗散采集罩212，能量耗散采集罩212为中空圆筒状结构，该能量耗散采集罩212套设在焊枪8外围且能罩住焊接过程中产生的电弧，能量耗散采集罩212上设置有两个连接部213，两个连接部213沿能量耗散采集罩212的轴线对称设置在两侧，能量耗散采集罩212通过连接部213与对应的夹持部211连接，两个夹持部211为弹性材质且两个夹持部211之间设置有焊枪8。
本实施例的能量耗散采集罩212上开设有用于安装换热组件22的安装通槽2121，而换热组件22包括换热铜块221以及连接在换热铜块221两侧的连接板222，换热铜块221内形成有循环水流动通道2211并且在换热铜块221上开设有换热入口223和换热出口224，换热铜块221安装在安装通槽2121内且换热铜块221通过连接板222与能量耗散采集罩212的周壁之间通过螺栓形成可拆卸连接，便于拆装。
安装通槽2121设置于能量耗散采集罩212的下端位置处，能量耗散采集罩212的下端位置还开设有以允许焊缝通过的开口2122，两个开口2122沿能量耗散采集罩212的中轴线对称设置。安装通槽2121和开口2122均呈开口2122向下的U形结构，能量耗散采集罩212在与安装通槽2121呈90°位置处设置有开口2122。
本发明中测温机构3包括保温罐体31和温度检测组件，保温罐体31内部形成有储存换热组件22所需循环水的容纳腔且保温罐体31上设置有与容纳腔连通的进水口311和出水口312，温度检测组件用于获取保温罐体31内水的温度。
可选的，在本发明中，温度检测组件包括温度传感器32，温度传感器32设置在保温罐体31的出水口312处以用于采集保温罐体31内的水的温度。更进一步的，本实施例中的温度检测组件还包括温度测量仪，温度测量仪与温度传感器32相连接，用于采集温度传感器32获取的水温数据并将其转换为数字量传送至计算机。
循环水路包括循环出水管4和循环回水管5，保温罐体31的出水口312与换热组件22的换热入口223之间通过循环出水管4连通，保温罐体31的进水口311与换热组件22的换热出口224之间通过循环回水管5连通。
循环出水管4又包括第一连接管41和第二连接管42，第一连接管41与保温罐体31的出水口312相连通，第二连接管42与换热铜块221的换热入口223相连通，第一连接管41与第二连接管42之间设置有泵体7。泵体7安装在泵体安装座9上且泵体7通过泵体安装座9固定在安装板12上。泵体7为蠕动泵用以驱动水在各装置中完成循环，将焊接过程中能量耗散采集罩212体上的能量转移到测温机构3中的保温罐体31中去。
焊接结束后能量补偿采用圆管自然对流传热模型，此时保护气进气已经关闭，系统能量补偿计算中对应流体物性参数按空气计算。
Nu＝c(GrPr)n
Nu为对应流体努塞尔数，Gr为自然对流影响系数，Pr为对应流体普兰特准数，c和n为相关系数，对应到圆管自然对流传热模型分别为0.59和0.25，β为体积膨胀系数，g为重力加速度；ΔT为固体和流体温度差，指的是焊接结束后能量耗散采集罩212内壁的温度与能量耗散采集罩212内空气的温度差值；l为模型特征尺寸，μ为对应流体粘度，cp为对应流体定压比热容，λ为对应流体导热系数。
Qn＝hAΔtΔT
h＝Nuλm
Qn为系统所需能量补偿，h为对流换热系数，A为换热面积，指的是换热铜块221朝向能量耗散采集罩212内部的一侧的面积；Δt为自然对流换热过程持续时间，指的是刚焊接结束能量耗散采集罩212从高温状态降至室温状态的时间；λm为对应平均温度Tm的平均导热系数。
实验过程中水的能量增加量为：
Qe＝cwmΔTe
Qe为实验系统所得能量变化量，cw为水的比热容，m为水的质量，ΔTe为实验中水的最终温差值，指的是通过温度传感器32测得的室温下保温水罐内的液体的温度与焊接完保温水罐内的液体的峰值温度之差。
补偿后总能：
Qt＝Qn+Qe
Qt为实验结果修正后的能量变化量。
本发明提供的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其能量耗散采集机构2中的焊枪夹持组件21用于夹持焊枪8，焊枪8与焊枪夹持组件21固定在一起沿焊接方向移动，焊枪8能伸入能量耗散采集罩212内且能量耗散采集罩212能罩住焊接过程中产生的电弧；能量耗散采集罩212一侧的换热铜块221内设置有循环水流动通道2211，循环水路连通循环水流动通道2211与保温罐体31内的循环水容纳腔，形成循环回路，将焊接过程中能量耗散采集罩212体上的能量转移到测温机构3的保温罐体31中去。本发明用于观测水下干式焊接在不同环境压力下的电弧能量耗散的相对变化量，通过对比，为不同环境下GMAW电弧能量耗散变化对电弧收缩、焊接不稳定的影响提供实验支持。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，包括移动平台、能量耗散采集机构、测温机构以及循环水路构，其中：
所述移动平台，集成于高压舱体内，所述移动平台包括移动板和安装板，所述移动板上形成有放置焊接母材的母材放置面，所述安装板上形成有安装面，所述测温机构固定在所述安装面上；所述安装板与所述移动板固定连接且所述移动板移动能带动位于所述母材放置面的焊接母材及所述安装板移动；
所述能量耗散采集机构，包括用于夹持焊枪的焊枪夹持组件以及安装在所述焊枪夹持组件上的换热组件，所述焊枪夹持组件及其上的焊枪均放置于所述焊接母材的上方，所述换热组件内形成有循环水流动通道且所述换热组件上设置有与所述循环水流动通道相连通的换热入口和换热出口；
所述焊枪夹持组件包括夹持部和能量耗散采集罩，所述能量耗散采集罩为中空圆筒状结构，其套设在焊枪外围且能罩住焊接过程中产生的电弧，所述能量耗散采集罩上设置有两个连接部，两个所述连接部沿所述能量耗散采集罩的轴线对称设置在两侧，所述能量耗散采集罩通过所述连接部与对应的所述夹持部连接，两个所述夹持部之间设置有焊枪，所述能量耗散采集罩上设置有所述换热组件；
所述测温机构包括保温罐体和温度检测组件，所述保温罐体内部形成有储存所述换热组件所需循环水的容纳腔且所述保温罐体上设置有与所述容纳腔连通的进水口和出水口，所述温度检测组件用于获取所述保温罐体内水的温度；
所述循环水路包括循环出水管和循环回水管，所述保温罐体的出水口与所述换热组件的换热入口之间通过所述循环出水管连通，所述保温罐体的进水口与所述换热组件的换热出口之间通过所述循环回水管连通。
2.根据权利要求1所述的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，所述能量耗散采集罩上开设有用于安装换热组件的安装通槽，所述换热组件包括换热铜块以及连接在所述换热铜块两侧的连接板，所述换热铜块内形成有所述循环水流动通道且其上开设有所述换热入口和所述换热出口，所述换热铜块位于所述安装通槽内且所述换热铜块通过所述连接板与所述能量耗散采集罩形成可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，所述温度检测组件包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述保温罐体的出水口处以用于采集所述保温罐体内的水的温度。
4.根据权利要求3所述的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，所述温度检测组件还包括温度测量仪，所述温度测量仪与所述温度传感器相连接，用于采集所述温度传感器获取的水温数据并将其转换为数字量传送至计算机。
5.根据权利要求2所述的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，所述循环出水管包括第一连接管和第二连接管，所述第一连接管与所述保温罐体的出水口相连通，所述第二连接管与所述换热铜块的换热入口相连通，所述第一连接管与所述第二连接管之间设置有泵体。
6.根据权利要求5所述的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，所述泵体安装在泵体安装座上且所述泵体通过所述泵体安装座固定在所述安装板上。
7.根据权利要求2所述的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，所述能量耗散采集罩的下端位置开设有以允许焊缝通过的开口，两个所述开口沿所述能量耗散采集罩的中轴线对称设置。
8.根据权利要求7所述的水下高压干法GMAW焊接电弧能量耗散测量装置，其特征在于，所述安装通槽设置于所述能量耗散采集罩的下端位置处，所述安装通槽和所述开口均呈开口向下的U形结构，所述能量耗散采集罩在与所述安装通槽呈90°位置处设置有所述开口。
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