CN114160917A

CN114160917A - 一种用于水下焊接的喷管结构、水下焊接设备

Info

Publication number: CN114160917A
Application number: CN202111621690.9A
Authority: CN
Inventors: 梁柯; 周庆宇; 李东禧; 彭德康
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-03-11

Abstract

本发明提供了一种用于水下焊接的喷管结构，包括燃料罐和喷头，所述喷头包括依次连接的喷注器、燃烧室和喷管，其中喷注器上分别设有若干个喷注口，喷管包括从内至外依次设置的收敛段和扩张段，还包括配合喷头设置的供气组件，所述供气组件包括高压气瓶、阀门和第一供气管，其中高压气瓶出口设置阀门，所述阀门与第一供气管连接，所述第一供气管设置在喷管扩张段的末端并配合喷管的朝向。本发明通过供气组件在喷管出口处喷出高压气体，从而制造出小范围的无水区域，燃烧室让液体燃料提前充分燃烧，再利用喷管的收敛段和扩张段调整所喷出火焰的范围，使得火焰被控制在无水区域内部，从而在不与水直接接触的情况下，进行焊接工作。

Description

一种用于水下焊接的喷管结构、水下焊接设备

技术领域

本发明涉及水下焊接设备技术领域，尤其涉及一种用于水下焊接的喷管结构和水下焊接设备。

背景技术

水下焊接由于水的存在，使焊接过程变得更加复杂，并且会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题。目前水下焊接工艺大体可分为三种：湿法水下焊接，干法水下焊接以及局部干法水下焊接。其中湿法水下焊接技术是一种焊工在水下直接施焊，而不是人为地将焊接区周围的水排开的水下焊接方法。湿法水下焊接的使用较为广泛，且可以应用于大多数水下焊接环境。

湿法水下焊接时，电弧在水下燃烧与埋弧焊相似，是在气泡中燃烧的。焊条燃烧时焊条上的涂料形成套筒使气泡稳定存在，因而使电弧稳定。要使焊条在水下稳定燃烧，必须在焊条芯上涂一层一定厚度的涂药，并用石蜡或其他防水物质浸渍的方法，使焊条具有防水性。同时焊接过程中会产生水蒸气、由水电离生成的氢气和氧气、由焊条药皮燃烧产生的气泡、浑浊的烟雾以及其他氧化物。

而这些焊接过程中生成物就会给焊接工作带来大量问题，一来是大量气泡会阻挡视线，直接影响焊工在焊接时的准确度；二来是产生的氢气氧气堆积可能出现燃爆现象，危害施工人员的人生安全；三是水下焊接焊缝含氢量较高易堆积，在液态熔池金属中形成氢气孔，受氢的侵袭和诱发，使焊缝组织脆化，在约束应力的作用下产生冷裂纹，从而影响焊接质量。

目前各国海洋场景开发与应用与日俱增，可提供使用的设备与技术却无法有效解决上述问题。因此，对于此种设备的研究与探索势在必行，对此种工艺的研究与研发不论对当下还是对未来，都将做出巨大的改变。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种用于水下焊接的喷管结构，其解决了现有技术中，焊接过程中会产生水蒸气、由水电离生成的氢气和氧气、由焊条药皮燃烧产生的气泡、浑浊的烟雾以及其他氧化物，并带来的一系列问题。

根据本发明的实施例，一种用于水下焊接的喷管结构，包括喷头与供气组件，所述喷头包括依次连接的喷注器、燃烧室和喷管，其中喷注器上分别设有若干个喷注口，所述喷注口一端设有燃料通道，另一端连通至燃烧室内部，所述燃烧室的始端对应喷注器上喷注口所在的端面设置并与喷注器之间封闭连接，所述喷管包括从内至外依次设置的收敛段和扩张段，其中收敛段的始端与燃烧室末端封闭连接；

所述供气组件包括高压气瓶、阀门和第一供气管，其中高压气瓶出口设置阀门，所述阀门与第一供气管连接，所述第一供气管设置在喷管扩张段的末端并配合喷管的朝向。

本发明的技术原理如下：通过供气组件在喷管出口处喷出高压气体，从而制造出小范围的无水区域，然后通过燃烧室使得液体燃料提前充分燃烧，再利用喷管的收敛段和扩张段调整所喷出火焰的范围，使得火焰被控制在无水区域内部，从而在不与水直接接触的情况下，进行焊接工作。

进一步的，所述喷注口包括一个氧化剂喷注口和若干个还原剂喷注口，所述还原剂喷注口均匀环绕氧化剂喷注口设置。

进一步的，所述氧化剂喷注口同轴设置在喷注器中心，所述还原剂喷注口倾斜设置，且还原剂喷注口与氧化剂喷注口的延长线交汇于燃烧室内部。

优选的，所述还原剂喷注口的数量不少于三个。

进一步的，所述第一供气管共有若干根，其末端均匀环绕喷管设置。

进一步的，所述第一供气管的末端倾斜设置，使其延长线与喷管的中轴线交汇于喷管出口的外部。

进一步的，所述第一供气管上还设有文氏管。

进一步的，所述阀门上还连接有第二供气管，所述第二供气管连通至燃烧室始端的内部。

进一步的，所述第二供气管共有若干根，其末端均匀环绕燃烧室设置。

进一步的，所述阀门为多向电磁阀，所述阀门控制高压气瓶分别与第一供气管或第二供气管连通。

本发明还提出了一种水下焊接设备，该焊接设备使用上述的喷管结构。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过第一供气管让高压气体在喷管外部形成无水区域，燃烧室使得液体燃料提前充分燃烧，再利用喷管的收敛段和扩张段调整所喷出火焰的范围，使得火焰被控制在无水区域内部，从而避免火焰与水的直接接触，因此不会有大量水被高温加热为水蒸气，也不会有水被电离成氢气和氧气，同时因焊条无需在水中燃烧，避免了焊条芯上涂药的操作，减少了燃烧产生的烟雾，最终让焊接过程中不再产生大量气泡，缓解了对焊工的视线阻挡，进而提升了焊接精度；

2、本发明工作过程中因为不会有水被电离成氢气和氧气，因此不会有易燃易爆气体的聚集，从而避免了燃爆的发生，提升了焊接过程中的安全系数；

3、本发明不会产生大量氢气，避免了液态熔池金属中形成氢气孔，受氢的侵袭和诱发，使焊缝组织脆化，在约束应力的作用下产生冷裂纹的问题，从而加强了焊缝强度，提升了焊接质量；

4、本发明中还设有第二供气管，第二供气管通入到燃烧室内部的始端，从而在开始工作前对燃烧室内部进行排水，使得加入的燃料完全避免与水接触，提升燃烧效果，降低水被高温气化、电离的情况出现。

附图说明

图1为本发明实施例的喷头与供气组件的部分示意图；

图2为本发明实施例的供气组件中气体流向示意图；

图3为本发明中喷注器的末端端面示意图；

图4为流场压强云图(Pa)；

图5为流场速度云图(m^s-1)；

图6为能量峰值时刻流场速度云图(m^s-1)；

图7为流场温度云图(K)；

图8为燃烧过程的随迭代时刻分布图；

上述附图中：1、喷注器；2、燃烧室；3、喷管；4、第一供气管；5、第二供气管；6、阀门；7、高压气瓶；11、氧化剂喷注口；12、还原剂喷注口；13、氧化剂通道；14、还原剂通道；31、收敛段；32、扩张段；33、喉部；41、文氏管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明实施例提出了一种用于水下焊接的喷管结构装置，包括喷头，所述喷头包括依次连接的喷注器1、燃烧室2和喷管3，其中喷注器1上分别设有若干个喷注口，所述喷注口的入口一端连接有燃料通道，所述燃烧室2的始端对应喷注器1上喷注口所在的端面设置并与喷注器1之间密封连接，使得喷注口的出口一端连通至燃烧室2中，需要说明的是，喷注器1与燃烧室2连接的端面为平面，而喷注口的出口位于该端面上。所述喷管3包括从内至外依次设置的收敛段31和扩张段32，其中收敛段31的始端与燃烧室2末端的尺寸相匹配并密封连接。

本实例中优选的，所述喷注口包括一个氧化剂喷注口11和三个还原剂喷注口12，所述还原剂喷注口12均匀环绕氧化剂喷注口11设置。氧化剂喷注口11通过同轴设置的氧化剂通道13从喷注器1始端端面上伸出并连接至氧化剂储罐；还原剂喷注口12通过垂直于喷注器1中轴线的还原剂通道14从喷注器1侧面伸出并连接至还原剂储罐。进一步的，所述氧化剂喷注口11同轴设置在喷注器1中心，所述还原剂喷注口12倾斜设置，且还原剂喷注口12与氧化剂喷注口11的延长线交汇于燃烧室2内部。

优选的，本实施例中使用氧化剂为发烟硝酸；还原剂为三乙胺和N，N-二甲基苯胺。

本实施例中喷头的构造设计方案如下：

设备设定：燃烧室燃烧效率η_c＝0.95；喷管效率：η_n＝0.97；真空推力：F_v＝500N。

(1)燃料的质量流量Q_mc：

本实施例中硝酸—混胺混合燃料的流速I_vt＝3193m/s，代入其他数据，可求得Q_mc＝0.1699kg/s。

本实施例中，喷管包括收敛段31和扩张段32，以及连接在收敛段31和扩张段32之间的喉部33。

根据本实施例中的焊接施工需求，设定燃料罐出料压强为7.5MPa，喷注口内部压强为6MPa，最终燃烧室内部压强P_c＝5MPa。

(2)喷管喉部33数据。

喷管喉部33的截面积A_t：

其中Y、R均为本实施例中固定的常数，设定为Y＝1.25，R＝405；另外，已知硝酸—混胺混合燃料的燃烧温度T_c＝3185K。代入上式可求得A_t＝0.5864*10^(-4)m²。

喷管喉部33直径D_t：

根据(2)中求得的A_t数值，D_t＝0.00864mm。

(4)燃烧室直径D_c：

单位面积流量压强下的质量Q_mdr＝Q_mc/(A_c*P_c)

故A_c＝Q_mc/(Q_mdr*P_c)

本实施例中设定，Q_mdr＝4.61*10^Λ－5kg/(s*m²*Pa)

求得A_c＝0.737*10^Λ(-3)m²。

又，

故D_c＝0.024m。

(5)喷管收敛段31计算：

收敛段31与喉部33之间过度的圆弧半径：R₁＝kD_t；(k：0.65～1.5)；收敛段31入口部分的过度圆弧半径：R₂＝ρD_t；(ρ：2～4)。其中K、ρ为常数，本实施例中取k＝1.5，ρ＝2.5。故R₁＝12.96*10^(-3)mm，R₂＝21.60*10^(-3)mm。

收敛段31长度L_c2：

其中ε_c为燃烧室收缩比，

根据上文数据，ε_c＝12.57；R_t为燃烧室收敛后半径，本实施例中设定为R_t＝6.45mm。可求得L_c2＝26.25mm。

设H、h分别为收敛段31入口过渡长度和喉部33过渡长度，则H和h的交点是R₁和R₂两段圆弧的切点的x轴投影点。显然L_c2＝H+h。

又，喉部33过渡长度

根据L_c2＝26.25mm，求得h＝4.84mm，则H＝21.41mm。

设y为R₁和R₂圆弧的相切点的高，则

y＝6.21mm。

因R₁的圆心是确定的，通过两圆弧的交点，可得到第二个弧的具体位置，从而便于加工和后续的体积计算。

(6)燃烧室长度L_c1：

燃烧室的体积为特征长度L*A_t，L＝0.76～0.89，本实施例中取L＝0.8。

设收敛段31入口和出口处的体积分别为V_c1和V_c2，则：

L*A_t＝V_c1+V_c2

又V_c1/A_c＝L_c1，代入上文求得的A_c、A_t数值，计算出L_c1＝83.8mm。本实施例中为了保持余量，取L_c1＝84mm，实际加工时，考虑到精度，取L_c1＝84mm±0.01mm。

(7)扩张段32长度L_n：

ε_e为喷管的扩张比；R₃为喉部33半径，即0.00432mm；β_e为扩张段32倾斜面与轴线的夹角，本实施例中设定为15°。又：

其中，P_e为扩张段32边缘压强，本实施例中设定P_e＝0.1MPa。求得ε_e＝6.5，L_n＝25.71mm，为了加工准确，实际操作时取L_n＝26±0.01mm。

使用上述数据下制作的设备，进行模拟燃烧计算，结果如图4-8所示。

如图1-2所示，本发明还包括配合喷头设置的供气组件，所述供气组件包括高压气瓶7、阀门6和第一供气管4，其中高压气瓶7出口设置阀门6，所述阀门6与第一供气管4连接，所述第一供气管4设置在喷管3扩张段32的末端并配合喷管3的朝向，使得第一供气管4所喷出的高压气流正好集中在喷管的出口处，从而能够将水排开形成稳定的无水区域。

本实施例中进一步的，所述第一供气管4共有若干根，本实施例中取三根，其末端均匀环绕喷管3设置。另外，所述第一供气管4的末端倾斜设置，使其延长线与喷管3的中轴线交汇于喷管3出口的外部。所述第一供气管4上还设有文氏管41。

优选的方案中，所述阀门6上还连接有第二供气管5，所述第二供气管5连通至燃烧室2始端的内部。所述第二供气管5共有若干根，本实施例中取三根，其末端均匀环绕燃烧室2设置。本实施例中，所述阀门6为多向电磁阀，所述阀门6控制高压气瓶7分别与第一供气管4或第二供气管5连通。

在工作时，阀门6先控制第二供气管5接通高压气瓶7，向燃烧室2内部供气，排出渗入的水分，保持燃烧室2内干燥，待喷注器1开始注入燃料时，燃烧室2内部压强足够抵挡外部水的进入，则通过阀门6切换至第一供气管4连通高压气瓶7，在喷管3外部形成无水区域，以便燃烧室2内燃料可以充分燃烧，并使得形成的火焰在喷管3外部保持无水燃烧状态。

本发明还包括一种水下焊接设备，该设备可以包括燃料储罐、燃料注入管等结构，并使用上述的喷管结构来将燃料混合喷射出焊接用的火焰。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：包括喷头与供气组件，所述喷头包括依次连接的喷注器、燃烧室和喷管，其中喷注器上分别设有若干个喷注口，所述喷注口一端设有燃料通道，另一端连通至燃烧室内部，所述燃烧室的始端对应喷注器上喷注口所在的端面设置并与喷注器之间封闭连接，所述喷管包括从内至外依次设置的收敛段和扩张段，其中收敛段的始端与燃烧室末端封闭连接；

2.如权利要求1所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述喷注口包括一个氧化剂喷注口和若干个还原剂喷注口，所述还原剂喷注口均匀环绕氧化剂喷注口设置。

3.如权利要求2所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述氧化剂喷注口同轴设置在喷注器中心，所述还原剂喷注口倾斜设置，且还原剂喷注口与氧化剂喷注口的延长线交汇于燃烧室内部。

4.如权利要求3所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述还原剂喷注口的数量不少于三个。

5.如权利要求1所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述第一供气管共有若干根，其末端均匀环绕喷管设置。

6.如权利要求5所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述第一供气管的末端倾斜设置，使其延长线与喷管的中轴线交汇于喷管出口的外部。

7.如权利要求1所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述第一供气管上还设有文氏管。

8.如权利要求1所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述阀门上还连接有若干根第二供气管，所述第二供气管末端均匀环绕燃烧室设置，且第二供气管连通至燃烧室始端的内部。

9.如权利要求8所述的一种用于水下焊接的喷管结构，其特征在于：所述阀门为多向电磁阀，所述阀门控制高压气瓶分别与第一供气管或第二供气管连通。

10.一种水下焊接设备，其特征在于：使用权利要求1-9中任意一项所述的喷管结构。