CN114107980B - 一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统及其使用方法，用于模拟深水局部干室激光熔覆，其包括模拟深水高压环境组件，模拟深水高压环境组件设有高压舱舱体，高压舱舱体内部设有水箱，水箱内部设有熔覆组件，高压舱舱体外部设有熔滴拍摄组件和控制系统，控制系统控制熔覆组件和熔滴拍摄组件运行，其解决了现有的浅水模拟装置无法用于研究深水高压环境中的激光熔覆工艺及过程，现有的深水模拟装置存在着因无法填丝、无法调整离焦量、无法原位观测，从而导致焊接稳定性差、焊接质量差、焊接缺陷多的技术问题，可广泛应用于局部干法焊接领域。

Description

一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及局部干法焊接领域，尤其是涉及一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统及其使用方法。

背景技术

当今世界各国早已将海洋工程的发展放在战略地位，将海洋资源的开发和利用摆在首要位置。水下焊接技术是开发海洋、开采海底石油以及组装、维修诸如采油平台、输油管线和海底仓等大型海洋结构的关键技术之一，也是舰船应急修理、海上救助、桥梁架设等工作的必要技术手段，海洋设施的建设和维护离不开水下焊接技术的进步与发展，而海洋工程的发展需要深海焊接、深海修复方面的焊接技术做支撑。水下激光焊接具备如下优势：焊接时产生的能量密度高，工件变形小，且焊后工件内部的残余应力低；激光束可由光纤传导到深水下，进行深水作业；激光易于控制，可以进行小范围精密操作，因此水下激光焊接作为一种核电站水下维修技术受到越来越广泛的关注。同时，配合机械手臂以及计算机控制系统，可以实现水下激光焊接的自动化。目前，水下激光焊接在浅水(100米)环境下已得到部分应用，在深水(100-2500米)环境下的应用较少。因此，开展深水环境下的激光焊接技术研究显得十分重要。由于在真实深海环境下进行工艺实验研究成本极高，因此开发陆地上的模拟深水焊接装置具有重要的作用和意义。

关于模拟深水高压环境局部干法水下焊接的专利及文献较少，如公告号为CN107914085A的发明专利，公开了“一种模拟浅水环境的水下激光焊接装置”，此种方式忽略了由于水深产生的高压对焊缝形貌、缺陷、组织的影响，因此目前的浅水模拟装置无法用于研究深水环境的激光熔覆工艺及过程。又如公告号为CN109014576A的发明专利，公开了“一种模拟深水环境的局部干法水下激光焊接系统及方法”，该装置未设计填丝装置，不能应用于激光填丝熔覆，由于舱体形状的限制导致封闭舱耐压能力下降，并且焊接工作台不能实现Z轴方向的移动，无法调节离焦量。

因此，现有的浅水模拟装置无法用于研究深水高压环境中的激光熔覆工艺及过程，现有的深水模拟装置存在着因无法填丝、无法调整离焦量、无法原位观测，从而导致焊接稳定性差、焊接质量差、焊接缺陷多的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统及其使用方法，旨在解决现有的浅水模拟装置无法用于研究深水高压环境中的激光熔覆工艺及过程，现有的深水模拟装置存在着因无法填丝、无法调整离焦量、无法原位观测，从而导致焊接稳定性差、焊接质量差、焊接缺陷多的技术问题。

本申请实施例提供了一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，用于模拟深水局部干室激光熔覆，其包括模拟深水高压环境组件，所述模拟深水高压环境组件设有高压舱舱体，所述高压舱舱体内部设有水箱，所述水箱内部设有熔覆组件，所述高压舱舱体外部设有熔滴拍摄组件和控制系统，所述控制系统控制所述熔覆组件和所述熔滴拍摄组件运行。

在其中一实施例中，所述模拟深水高压环境组件设有进气阀Ⅰ、紧急泄压阀和精准泄压阀，所述高压舱舱体顶部设置所述进气阀Ⅰ、所述紧急泄压阀和带有气体流量计的所述精准泄压阀，所述进气阀Ⅰ、所述紧急泄压阀和所述精准泄压阀处于同一条直线上；所述高压舱舱体外部设有空气压缩机，所述空气压缩机通过进气管道与所述进气阀Ⅰ相连。

在其中一实施例中，所述模拟深水高压环境组件设有高压舱舱盖，所述高压舱舱盖通过螺栓连接所述高压舱舱体，所述高压舱舱盖外部中心部位设有压力表。

在其中一实施例中，所述熔覆组件设有三维行走机构，所述高压舱舱体内部设置所述三维行走机构，所述三维行走机构上设有焊接工作台，所述焊接工作台上设有所述水箱，所述三维行走机构上设有电机I、电机Ⅱ和电机Ⅲ，所述电机I、所述电机Ⅱ和所述电机Ⅲ通过所述三维行走机构驱动所述焊接工作台分别沿X、Z、Y方向移动，以带动所述水箱随着焊接方向移动。

在其中一实施例中，所述熔覆组件设有排水罩，所述水箱内部设置所述排水罩，所述排水罩通过螺纹与所述高压舱舱体的顶部相连接，连接处设有激光入射孔，所述激光入射孔底部设有透光玻璃；所述高压舱舱体的外部设有焊接机器人和半导体激光器，所述焊接机器人上设有激光头，所述半导体激光器通过光纤与所述激光头相连，所述激光头垂直插入所述激光入射孔中。

在其中一实施例中，所述熔覆组件设有送丝嘴，所述排水罩内部设置所述送丝嘴，所述高压舱舱体内部设有送丝机，所述送丝机通过送丝软管与所述送丝嘴相连，送丝角度调节范围为30°～60°。

在其中一实施例中，所述熔覆组件设有进气阀Ⅱ，所述高压舱舱体顶部设置所述进气阀Ⅱ，氩气瓶通过进气管道依次连接气体流量计、所述进气阀Ⅱ和所述排水罩。

在其中一实施例中，所述熔滴拍摄组件设有X射线发射器、影像增强器和高速摄像机，所述高压舱舱体的外部的一侧设置所述X射线发射器，另一侧设置所述影像增强器和所述高速摄像机，所述X射线发射器、所述影像增强器和所述高速摄像机处于同一条直线上且连线垂直于所述高压舱舱体的轴线，所述熔滴拍摄组件、所述高压舱舱体以及所述焊接机器人的外部设有铅房。

在其中一实施例中，所述控制系统通过导线连接位于所述高压舱舱体内部的所述电机I、所述电机Ⅱ、所述电机Ⅲ和所述送丝机，所述导线穿过所述高压舱舱体上的航空插头；所述熔覆组件还设有冷水机，所述高压舱舱体外部设置所述冷水机，所述控制系统通过导线连接位于所述高压舱舱体外部的所述半导体激光器、所述冷水机和所述焊接机器人。

本申请的第二方面提供了一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统的使用方法，其包括以下步骤：

(1)首先将清理好的工件通过螺栓固定于水箱底部，将排水罩通过螺纹固定于高压舱舱体顶部，其次通过进气管道连接空气压缩机和进气阀Ⅰ，通过进气管道依次连接氩气瓶、气体流量计、进气阀Ⅱ和排水罩，通过导线将电机Ⅰ、电机Ⅱ、电机Ⅲ、送丝机、焊接机器人、半导体激光器、冷水机与控制系统连接起来，并进行调试；

(2)开启冷水机，通过控制系统调节焊接机器人使激光头垂直置于激光入射孔中，开启半导体激光器；

(3)往水箱里注入水到预期深度，通过控制系统控制电机II使得焊接工作台沿Z方向移动，直至调至所需离焦量；

(4)关闭进气阀Ⅱ、紧急泄压阀和精准泄压阀，关闭高压舱舱盖使舱内处于封闭状态，开启进气阀Ⅰ，开启压力表使其处于工作状态；

(5)开启空气压缩机，向高压舱内通入空气营造高压环境，直至压力表的数值达到预期数值，关闭空气压缩机和进气阀Ⅰ；

(6)开启进气阀Ⅱ和气体流量计，开启氩气瓶向排水罩内通入保护气体氩气，调节气体流量计至预期气流量，慢慢开启精准泄压阀并观察压力表数值，直至压力表数值维持在预期数值，停止调节精准泄压阀，此时舱内气压维持在预期数值并且处于平衡状态；

(7)通过控制系统调整焊接参数，并控制半导体激光器、送丝机、电机Ⅰ、电机Ⅲ、X射线发射器、影像增强器和高速摄像机同时工作，按照预先制订好的方案进行水下高压激光熔覆试验，试验过程中保持氩气持续通入，焊接工作台随着焊接方向移动，高速摄像机全程拍摄焊接过程并将测得的数据传送到控制系统上，呈现并存储记录整个焊接过程；

(8)焊接结束后关闭X射线发射器、影像增强器和高速摄像机，关闭氩气瓶和进气阀Ⅱ，通过控制系统控制电机II将焊接工作台和水箱移到Z方向最低处，通过控制系统控制焊接机器人将激光头恢复到原来位置，关闭半导体激光器、冷水机和控制系统；

(9)开启紧急泄压阀释放高压舱内的气体，观察压力表数值，待高压舱内部气压等于大气压后，打开高压舱舱盖，抽干水箱中的水，取出焊接好的工件。

本发明通过设置送丝机和送丝嘴，实现了填丝增材制造，送丝角度调节范围为30°～60°，实现不同方向的填丝增材；通过设置电机I与电机Ⅲ驱动焊接工作台沿着三维行走机构的水平X、Y两方向移动，实现了单层多道焊接试验，通过设置电机Ⅱ驱动焊接工作台沿着三维行走机构的垂直Z方向移动，实现了离焦量的调节以及多层多道焊接试验；通过设置X射线发射器、影像增强器和高速摄像机处于同一条直线上且连线垂直于高压舱舱体的轴线，实现了焊接过程中的熔滴拍摄功能，根据熔滴过渡状态评估焊接工艺参数的好坏。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统的结构示意图；

图2为图1所示的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统的三维行走机构、焊接工作台及水箱的结构示意图。

图中符号说明：

1.氩气瓶；2.空气压缩机；3.气体流量计；4.铅房；5.X射线发射器；6.电机Ⅰ；7.航空插头；8.进气阀Ⅰ；9.进气阀Ⅱ；10.电机Ⅱ；11.水箱；12.三维行走机构；13.高压舱舱体；14.激光头；15.激光入射孔；16.透光玻璃；17.排水罩；18.电机Ⅲ；19.影像增强器；20.送丝嘴；21.焊接机器人；22.紧急泄压阀；23.精准泄压阀；24.送丝机；25.焊接工作台；26.高速摄像机；27.压力表；28.高压舱舱盖；29.半导体激光器；30.冷水机；31.控制系统。

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“上”、“下”、“内”、“外”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，而不能理解为指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、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。

请参阅图1，为本申请一实施例提供的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统的结构示意图，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，一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，用于模拟深水局部干室激光熔覆，包括模拟深水高压环境组件、熔覆组件和熔滴拍摄组件三个单元模块，通过将这三个单元模块合理布置和连接，模拟深水高压环境，实现对固定后的待焊接工件进行局部干法激光填丝熔覆试验。

其中，模拟深水高压环境组件包括高压舱舱体13、高压舱舱盖28、空气压缩机2、水箱11、进气阀Ⅰ8、紧急泄压阀22、精准泄压阀23和压力表27。

具体地，高压舱舱体13与高压舱舱盖28通过螺栓相连接，形成高压舱用于模拟高压环境，整个高压舱舱体结构设置成罐体状，使得舱体能够承受更大的压强，舱体的材质选用铝合金，在保证舱体强度的同时减轻了舱体的重量。

在其中一实施例中，高压舱舱体13的顶部设有进气阀Ⅰ8、紧急泄压阀22和精准泄压阀23，进气阀Ⅰ8、紧急泄压阀22和精准泄压阀23处于同一条直线上，高压舱舱体13的外部设有空气压缩机2，空气压缩机2通过进气管道与进气阀Ⅰ8相连，空气压缩机2产生的气体通入高压舱内以营造高压环境。高压舱舱盖28的外部中心部位设有压力表27，便于监测整个高压舱内的压力大小，精准泄压阀23上设有气体流量计，能够准确地调节高压舱内的气压，使其维持在预期数值并处于平衡状态，紧急泄压阀22能在试验出现安全事故时快速释放舱体内的气体以降低压力，高压舱舱体13内部设有水箱11，用于模拟深水环境。

在其中一实施例中，熔覆组件包括三维行走机构12、焊接工作台25、排水罩17、焊接机器人21、激光头14、激光入射孔15、半导体激光器29、透光玻璃16、送丝机24、送丝嘴20、氩气瓶1、气体流量计3、进气阀Ⅱ9、电机I6、电机Ⅱ10、电机Ⅲ18、航空插头7、冷水机30和控制系统31。

具体地，高压舱舱体13内部设有三维行走机构12，三维行走机构12上设有焊接工作台25，焊接工作台25上设有水箱11，水箱11里面通入水即可模拟深水环境；三维行走机构12配合焊接工作台25可实现水箱11沿X、Y、Z三方向的焊接移动。

在其中一实施例中，水箱11内部设有排水罩17，排水罩17的下端口直径大于上端口直径，排水罩17的上端口通过螺纹与高压舱舱体13的顶部相连接，连接处设有激光入射孔15，高压舱舱体13外部设有焊接机器人21，焊接机器人上设有可移动机械臂，可移动机械臂末端设有激光头14，通过调节可移动机械臂将激光头14垂直插入激光入射孔15中，以实现激光焊接，高压舱舱体13外部设有半导体激光器29，半导体激光器29通过光纤与激光头14相连，激光入射孔15的底部设有透光玻璃16，半导体激光器29发射的激光通过光纤传递到激光头14，并穿透透光玻璃16照射在待焊接工件上，实现了在不损坏激光头14的前提下进行高压焊接试验。

在其中一实施例中，排水罩17内部设有送丝嘴20，高压舱舱体13内部设有送丝机24，送丝机24通过送丝软管与送丝嘴20相连，实现了填丝增材制造，送丝角度调节范围为30°～60°，可实现不同方向的填丝增材。

在其中一实施例中，高压舱舱体13的顶部设有进气阀Ⅱ9，氩气瓶1通过进气管道依次连接气体流量计3、进气阀Ⅱ9和排水罩17，以使氩气瓶1中的保护气体氩气通入排水罩17，使得排水罩17下方笼罩试板区域形成局部干腔，以达到预期排水效果，营造局部干法焊接环境，气体流量计3能准确地调节氩气的气流量，使其达到预期数值并处于平衡状态，增强焊接环境的稳定性。

在其中一实施例中，三维行走机构12上设有电机I6、电机Ⅱ10和电机Ⅲ18，电机I6、电机Ⅱ10和电机Ⅲ18分别设置在三维行走机构12的X、Z、Y轴上，电机I6、电机Ⅱ10和电机Ⅲ18通过三维行走机构12驱动焊接工作台25分别沿X、Z、Y方向移动，以带动水箱11随着焊接方向移动；高压舱舱体13外部设有控制系统31，控制系统31通过导线连接位于高压舱舱体13内部的电机I6、电机Ⅱ10、电机Ⅲ18和送丝机24，导线穿过高压舱舱体13上的航空插头7，航空插头7能保证舱体的气密性；高压舱舱体13外部还设有冷水机30，冷水机30通过循环冷却系统降低水温进而降低焊接温度，维持焊接环境的稳定性，控制系统31通过导线连接位于高压舱舱体13外部的焊接机器人21、半导体激光器29和冷水机30，以实现控制系统控制焊接过程，实现水下激光焊接的自动化。

在其中一实施例中，熔滴拍摄组件包括铅房4、X射线发射器5、影像增强器19和高速摄像机26，高压舱舱体13的外部的一侧设置X射线发射器5，另一侧设置影像增强器19和高速摄像机26，X射线发射器5、影像增强器19和高速摄像机26处于同一条直线上且连线垂直于高压舱舱体13的轴线，实现了焊接过程中的熔滴拍摄功能，根据熔滴过渡状态评估焊接工艺参数的好坏，熔滴拍摄组件、高压舱舱体13以及焊接机器人21的外部设有铅房4，铅房4可以避免X射线对人体的危害。

请参阅图2，为图1所示的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统的三维行走机构、焊接工作台及水箱的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

三维行走机构12分为X、Y、Z轴三部分，电机I6、电机Ⅱ10和电机Ⅲ18分别设置在三维行走机构12的X、Z、Y轴的一侧，Z轴上设有焊接工作台25，焊接工作台25上设有水箱11，焊接过程在水箱11中完成，电机I6、电机Ⅱ10和电机Ⅲ18转动时产生的动力分别传递给三维行走机构12的X、Z、Y轴上的丝杆，丝杆的转动驱动焊接工作台25分别沿X、Z、Y方向移动，以带动水箱11随着焊接方向移动：焊接前，通过控制系统31控制电机Ⅱ10使得焊接工作台25沿Z方向竖直上下移动，实现了离焦量的调节；焊接过程中，通过控制系统31控制电机I6和电机Ⅲ18，使得焊接工作台25沿X、Y方向水平移动，实现单层多道焊接试验，通过控制系统31控制焊接工作台25沿X、Y、Z三方向的运动，实现多层多道焊接试验；焊接后，通过控制系统31控制电机II10进而控制焊接工作台25和水箱11移到Z方向的最低处。

本申请一实施例还提供了一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统的使用方法，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

步骤(1)：首先将清理好的工件通过螺栓固定于水箱11底部，将排水罩17通过螺纹固定于高压舱舱体13的顶部，其次通过进气管道连接好空气压缩机2和进气阀Ⅰ8，通过进气管道依次连接氩气瓶1、气体流量计3、进气阀Ⅱ9和排水罩17，通过导线将电机Ⅰ6、电机Ⅱ10、电机Ⅲ18、送丝机24、焊接机器人21、半导体激光器29、冷水机30与控制系统31连接起来，并进行调试。

具体地，焊接前做好准备工作，首先固定待焊接工件，将待焊接工件清理干净，用螺母将其固定在水箱11的底部，然后固定排水罩17，用螺纹将排水罩17的上端口与高压舱舱体13顶部固定连接；其次连接空气压缩机2：用进气管道将空气压缩机2与进气阀Ⅰ8连接起来，再连接氩气瓶1：用进气管道依次将氩气瓶1、气体流量计3、进气阀Ⅱ9和排水罩17连接起来；最后连接导线：用导线将高压舱舱体13内部的电机Ⅰ6、电机Ⅱ10、电机Ⅲ18、送丝机24与控制系统31连接起来，导线穿过高压舱舱体13上的航空插头7，以保证舱体的气密性，再用导线将高压舱舱体13外部的焊接机器人21、半导体激光器29、冷水机30与控制系统31连接起来，连接完成后进行调试。

步骤(2)：开启冷水机30，通过控制系统31调节焊接机器人21使激光头14垂直置于激光入射孔15中，开启半导体激光器29。

具体地，先开启冷水机30，冷水机30的循环冷却系统开始工作，为后续的激光焊接做好准备；然后通过控制系统31调节焊接机器人21的可移动机械臂，可移动机械臂带动激光头14垂直插入激光入射孔15中，下方正对透光玻璃16；再开启半导体激光器29，此时半导体激光器29发射的激光通过光纤传递到激光头14，再穿透透光玻璃16照射在待焊接工件上。

步骤(3)：往水箱11里注入水到预期深度，通过控制系统31控制电机II10使得焊接工作台25沿Z方向移动，直至调至所需离焦量。

具体地，手动或者用水管往水箱11里注入水到试验所需要的水深，用于模拟深水环境，通过控制系统31控制电机II10进而控制焊接工作台25沿三维行走机构12的Z方向竖直上下移动，直至调至所需离焦量，固定好焊接工作台。

步骤(4)：关闭进气阀Ⅱ9、紧急泄压阀22和精准泄压阀23，关闭高压舱舱盖28使舱内处于封闭状态，开启进气阀Ⅰ8，开启压力表27使其处于工作状态。

具体地，检查进气阀Ⅱ9、紧急泄压阀22和精准泄压阀23，使其处于关闭状态，关闭高压舱舱盖28使高压舱内处于封闭状态，然后开启进气阀Ⅰ8和高压舱舱盖28上的压力表27，使其处于工作状态，为营造高压环境做准备。

步骤(5)：开启空气压缩机2，向高压舱内通入空气营造高压环境，直至压力表27的数值达到预期数值，关闭空气压缩机2和进气阀Ⅰ8。

具体地，开启空气压缩机2，空气压缩机2产生的气体通过进气管道和进气阀Ⅰ8通入高压舱舱体13内，以营造高压环境；随着空气的通入，高压舱舱盖28上的压力表27的数值慢慢发生变化，待压力表27的数值达到试验所需要的压力数值即表示通气完成，关闭空气压缩机2和进气阀Ⅰ8。

步骤(6)：开启进气阀Ⅱ9和气体流量计3，开启氩气瓶1向排水罩17内通入保护气体氩气，调节气体流量计3至预期气流量，慢慢开启精准泄压阀23并观察压力表27的数值，直至压力表27的数值维持在预期数值，停止调节精准泄压阀23，此时舱内气压维持在预期数值并且处于平衡状态。

具体地，开启进气阀Ⅱ9和气体流量计3，开启氩气瓶1，氩气瓶1中的保护气体氩气通过进气管道依次经过气体流量计3、进气阀Ⅱ9后通入排水罩17中，通入的氩气会以较大的压力将待焊件工件表面的水排开，在排水罩17下方笼罩试板区域形成局部干腔，以达到预期排水效果，营造局部干法焊接环境，此时调节气体流量计3的数值至试验所需要的气流量，以保证局部干腔环境的稳定；由于排水罩17内的氩气会缓慢进入高压舱内，使得高压舱内的压力升高，此时慢慢开启精准泄压阀23，缓慢释放气体使高压舱内压力维持稳定，并观察压力表27的数值，直至压力表27的数值维持在试验所需要的压力数值，停止调节精准泄压阀23，此时高压舱内的气压维持在试验所需要的压力数值并且处于平衡状态。

步骤(7)：通过控制系统31调整焊接参数，并控制半导体激光器29、送丝机24、电机Ⅰ6、电机Ⅲ18、X射线发射器5、影像增强器19和高速摄像机26同时工作，按照预先制订好的方案进行水下高压激光熔覆试验，试验过程中保持氩气持续通入，焊接工作台25随着焊接方向移动，高速摄像机26全程拍摄焊接过程并将测得的数据传送到控制系统31上，呈现并存储记录整个焊接过程。

具体地，通过控制系统31调整焊接参数，并控制半导体激光器29、送丝机24、电机Ⅰ6、电机Ⅲ18、X射线发射器5、影像增强器19和高速摄像机26同时工作，按照预先制订好的方案进行水下高压熔覆试验，焊接参数包括离焦量、激光功率、焊接速度和送丝速度，考虑到不同焊接材料的工艺参数不同，通常情况下各参数的范围如下：离焦量-10mm～10mm、激光功率0～5KW、焊接速度0～30mm/s、送丝速度0～600cm/min，焊接过程中控制系统31控制送丝机24向送丝嘴20输送激光焊丝，控制系统31控制电机I6和电机Ⅲ18使得焊接工作台25沿三维行走机构12的X、Y方向水平移动，实现单层多道、多层多道焊接，并用高速摄像机26全程拍摄焊接过程，将焊接数据传送到控制系统31上，呈现并存储记录整个焊接过程，焊接过程中保持氩气持续通入排水罩17中。

步骤(8)：焊接结束后关闭X射线发射器5、影像增强器19和高速摄像机26，关闭氩气瓶1和进气阀Ⅱ9，通过控制系统31控制电机II10将焊接工作台25和水箱11移到Z方向最低处，通过控制系统31控制焊接机器人21使激光头14恢复到原来位置，关闭半导体激光器29、冷水机30和控制系统31。

具体地，焊接结束后关闭X射线发射器5、影像增强器19和高速摄像机26，关闭氩气瓶1和进气阀Ⅱ9，停止向排水罩17通入氩气，通过控制系统31控制电机II10进而控制焊接工作台25和水箱11移到三维行走机构12的Z方向最低处，通过控制系统31控制焊接机器人21使激光头14恢复到原来位置，关闭半导体激光器29、冷水机30和控制系统31。

步骤(9)：开启紧急泄压阀22释放高压舱内的气体，观察压力表27数值，待高压舱内部气压等于大气压后，打开高压舱舱盖28，抽干水箱11中的水，取出焊接好的工件。

具体地，开启紧急泄压阀22以释放高压舱内的气体，并观察高压舱舱盖28上的压力表27的数值，待高压舱内部气压等于大气压后，打开高压舱舱盖28，手动或者用抽水管抽干水箱11中的水，取出焊接好的工件，焊接试验完成。

综上所述，本申请提供的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统及其使用方法，通过将模拟深水高压环境组件的舱体结构设置成罐体状，使得舱体能够承受更大的压强，通过选用铝合金作为舱体的材质，在保证舱体强度的前提下减轻了整体的重量；通过在激光入射孔底部设置耐压透光玻璃，实现了在不损坏激光头的前提下进行高压焊接试验；通过设置送丝机和送丝嘴，实现了填丝增材制造；通过设置电机I与电机Ⅲ、电机Ⅱ驱动焊接工作台沿着三维行走机构的水平X与Y、垂直Z三方向移动，实现了离焦量的调节以及单层多道、多层多道焊接的试验；通过设置X射线发射器、影像增强器和高速摄像机处于同一条直线上且连线垂直于高压舱舱体的轴线，实现了焊接过程中的熔滴拍摄功能，根据熔滴过渡状态评估焊接工艺参数的好坏，解决了现有的浅水模拟装置无法用于研究深水高压环境中的激光熔覆工艺及过程，现有的深水模拟装置存在着因无法填丝、无法调整离焦量、无法原位观测，从而导致焊接稳定性差、焊接质量差、焊接缺陷多的技术问题，提供了一种产品稳定性高、可模拟深水高压环境、能够实现同步送丝、熔滴拍摄、多层多道焊接功能的局部干法激光熔覆系统及其使用方法，有利于深水海洋工程的发展。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，用于模拟深水局部干室激光熔覆，其特征在于，包括模拟深水高压环境组件，所述模拟深水高压环境组件设有高压舱舱体，所述高压舱舱体内部设有水箱，所述水箱内部设有熔覆组件，所述高压舱舱体外部设有熔滴拍摄组件和控制系统，所述控制系统控制所述熔覆组件和所述熔滴拍摄组件运行；

所述熔覆组件设有排水罩，所述水箱内部设置所述排水罩，所述排水罩通过螺纹与所述高压舱舱体的顶部相连接，连接处设有激光入射孔，所述激光入射孔底部设有透光玻璃；所述高压舱舱体的外部设有焊接机器人和半导体激光器，所述焊接机器人上设有激光头，所述半导体激光器通过光纤与所述激光头相连，所述激光头垂直插入所述激光入射孔中；所述熔覆组件设有送丝嘴，所述排水罩内部设置所述送丝嘴，所述高压舱舱体内部设有送丝机，所述送丝机通过送丝软管与所述送丝嘴相连，送丝角度调节范围为30°~60°；

所述熔滴拍摄组件设有X射线发射器、影像增强器和高速摄像机，所述高压舱舱体的外部的一侧设置所述X射线发射器，另一侧设置所述影像增强器和所述高速摄像机，所述X射线发射器、所述影像增强器和所述高速摄像机处于同一条直线上且连线垂直于所述高压舱舱体的轴线，所述熔滴拍摄组件、所述高压舱舱体以及所述焊接机器人的外部设有铅房。

2.根据权利要求1所述的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，其特征在于，所述模拟深水高压环境组件设有进气阀Ⅰ、紧急泄压阀和精准泄压阀，所述高压舱舱体顶部设置所述进气阀Ⅰ、所述紧急泄压阀和带有气体流量计的所述精准泄压阀，所述进气阀Ⅰ、所述紧急泄压阀和所述精准泄压阀处于同一条直线上；所述高压舱舱体外部设有空气压缩机，所述空气压缩机通过进气管道与所述进气阀Ⅰ相连。

3.根据权利要求1所述的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，其特征在于，所述模拟深水高压环境组件设有高压舱舱盖，所述高压舱舱盖通过螺栓连接所述高压舱舱体，所述高压舱舱盖外部中心部位设有压力表。

4.根据权利要求1所述的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，其特征在于，所述熔覆组件设有三维行走机构，所述高压舱舱体内部设置所述三维行走机构，所述三维行走机构上设有焊接工作台，所述焊接工作台上设有所述水箱，所述三维行走机构上设有电机I、电机Ⅱ和电机Ⅲ，所述电机I、所述电机Ⅱ和所述电机Ⅲ通过所述三维行走机构驱动所述焊接工作台分别沿X、Z、Y方向移动，以带动所述水箱随着焊接方向移动。

5.根据权利要求1所述的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，其特征在于，所述熔覆组件设有进气阀Ⅱ，所述高压舱舱体顶部设置所述进气阀Ⅱ，氩气瓶通过进气管道依次连接气体流量计、所述进气阀Ⅱ和所述排水罩。

6.根据权利要求4所述的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统，其特征在于，所述控制系统通过导线连接位于所述高压舱舱体内部的所述电机I、所述电机Ⅱ、所述电机Ⅲ和所述送丝机，所述导线穿过所述高压舱舱体上的航空插头；所述熔覆组件还设有冷水机，所述高压舱舱体外部设置所述冷水机，所述控制系统通过导线连接位于所述高压舱舱体外部的所述半导体激光器、所述冷水机和所述焊接机器人。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种模拟深水环境的激光熔覆原位观测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先将清理好的工件通过螺栓固定于水箱底部，将排水罩通过螺纹固定于高压舱舱体顶部，其次通过进气管道连接空气压缩机和进气阀Ⅰ，通过进气管道依次连接氩气瓶、气体流量计、进气阀Ⅱ和排水罩，通过导线将电机Ⅰ、电机Ⅱ、电机Ⅲ、送丝机、焊接机器人、半导体激光器、冷水机与控制系统连接起来，并进行调试；

（2）开启冷水机，通过控制系统调节焊接机器人使激光头垂直置于激光入射孔中，开启半导体激光器；

（3）往水箱里注入水到预期深度，通过控制系统控制电机II使得焊接工作台沿Z方向移动，直至调至所需离焦量；

（4）关闭进气阀Ⅱ、紧急泄压阀和精准泄压阀，关闭高压舱舱盖使舱内处于封闭状态，开启进气阀Ⅰ，开启压力表使其处于工作状态；

（5）开启空气压缩机，向高压舱内通入空气营造高压环境，直至压力表的数值达到预期数值，关闭空气压缩机和进气阀Ⅰ；

（6）开启进气阀Ⅱ和气体流量计，开启氩气瓶向排水罩内通入保护气体氩气，调节气体流量计至预期气流量，慢慢开启精准泄压阀并观察压力表数值，直至压力表数值维持在预期数值，停止调节精准泄压阀，此时舱内气压维持在预期数值并且处于平衡状态；

（7）通过控制系统调整焊接参数，并控制半导体激光器、送丝机、电机Ⅰ、电机Ⅲ、X射线发射器、影像增强器和高速摄像机同时工作，按照预先制订好的方案进行水下高压激光熔覆试验，试验过程中保持氩气持续通入，焊接工作台随着焊接方向移动，高速摄像机全程拍摄焊接过程并将测得的数据传送到控制系统上，呈现并存储记录整个焊接过程；

（8）焊接结束后关闭X射线发射器、影像增强器和高速摄像机，关闭氩气瓶和进气阀Ⅱ，通过控制系统控制电机II将焊接工作台和水箱移到Z方向最低处，通过控制系统控制焊接机器人将激光头恢复到原来位置，关闭半导体激光器、冷水机和控制系统；

（9）开启紧急泄压阀释放高压舱内的气体，观察压力表数值，待高压舱内部气压等于大气压后，打开高压舱舱盖，抽干水箱中的水，取出焊接好的工件。

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