CN115091067A - 一种水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水下局部干法激光‑超声复合焊接与熔覆焊炬，包括：筒体，一端开口且另一端闭口，筒体的闭口端设置有通光口，通光口处设置有透光玻璃；排水腔，设置在靠近筒体的开口端的侧壁中，排水腔靠近开口端的一端开口，筒体的外壁上设置有进水口，进水口与增压水泵连通；设置在筒体中的超声单元；进光通道，通过透光玻璃射入的激光能够通过进光通道并射出开口端；筒体的闭口端设置有倾斜的进气口，进气口一端与进光通道相通、另一端与供气装置连接；送丝管，用于在开口端送入焊丝。本发明提高了水下局部干法激光焊接与熔覆的质量。

Description

一种水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬
技术领域
本发明涉及水下焊接技术领域，特别是涉及一种水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬。
背景技术
近年来，随着海洋资源的逐步开发、核电能源的快速发展，大量海洋工程、核电工程的建设和维护以及船舶、舰艇的应急维修需要先进的水下焊接与熔覆技术作为支撑。水下焊接与熔覆技术主要包括湿法、局部干法与干法三类：水下局部干法焊接与熔覆是指采用排水装置，将待焊接与熔覆区域水环境排开，进而形成局部干燥腔的一种焊接与熔覆的方法；水下湿法焊接与熔覆是指不采用任何保护措施，直接在水环境中进行焊接与熔覆的一种水下焊接与熔覆的方法；水下干法焊接与熔覆是指将整个待维修区域的水环境完全排开的一种水下焊接与熔覆的方法。
其中水下湿法焊接与熔覆技术操作简单、通用性强，但其焊缝及熔覆层质量差，难以达到工程应用的要求；水下干法焊接与熔覆的焊缝与熔覆层质量较高，几乎可达到陆上水平，但其设备要求高、成本高且操作性差，难以在水下工程中普遍应用。水下局部干法焊接与熔敷技术相比之下，具有焊缝及熔敷层质量较高、操作相对简单的优点，目前已广泛应用于水下工程领域。根据热源的不同，水下局部干法激光焊接与熔覆主要分为激光与电弧两类，与常规水下电弧方法相比，水下激光焊接与熔覆具有受水压影响小，焊接材料广泛，热输入量低、光束易于传输、可控制性强等特点。
水下局部干法激光焊接与熔覆技术，是指以激光为热源，采用排水焊炬将待修复区域的水环境排开，形成局部干燥腔，进而在水下环境中进行焊接与熔覆，其重点及技术难点在于稳定的局部干燥腔的形成，即排水焊炬的设计与开发。目前，水下局部干法激光排水焊炬分为单层及双层焊炬，主要由排水腔体、上端盖、进气孔、透光玻璃、密封垫等结构构成，在实际应用过程中，排水焊炬安装于激光头下方，通过向其通入压缩空气及保护气将焊炬内部的水排开，对待焊接及熔覆区域进行保护，使激光光束穿过透光玻璃通过排水焊炬作用于待修复区域表面，完成焊接或熔覆修复。
目前水下局部干法激光焊接与熔覆技术具有焊炬排水效果差且操作笨拙、激光光束传输不稳定、焊缝与熔覆层内部气孔及裂纹较多且容易产生淬硬组织等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，以解决上述现有技术存在的问题，提高水下局部干法激光焊接与熔覆的质量。
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局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，包括：
筒体，一端开口且另一端闭口，所述筒体的闭口端设置有通光口，所述通光口处密封设置有透光玻璃；
排水腔，为环形腔体，设置在靠近所述筒体的开口端的侧壁中，所述排水腔靠近所述开口端的一端开口，所述筒体的外壁上设置有沿所述筒体的侧壁的斜切向设置的进水口，所述进水口通过管路与增压水泵的出水口连通；
设置在所述筒体中的超声单元，所述超声单元包括由所述闭口端至所述开口端依次设置且依次连接的超声换能器、超声变幅杆和超声辐射端，所述超声换能器与所述筒体的内壁固连且通过超声电源线与超声电源连接；
进光通道，通过所述透光玻璃射入的激光能够通过所述进光通道并射出所述开口端；所述筒体的闭口端设置有倾斜的进气口，所述进气口一端与所述进光通道相通、另一端通过管路与供气装置连接；
送丝管，设置在所述筒体外部并与所述筒体固连，用于在所述开口端送入焊丝。
优选的，所述筒体包括端盖、上筒体、内下筒体和外下筒体，所述端盖密封设置在所述上筒体的一端，所述内下筒体和所述外下筒体分别与所述上筒体的另一端螺纹连接，所述内下筒体和所述外下筒体之间的环形间隙即为所述排水腔；所述通光口和所述进气口都设置在所述端盖上，所述进水口设置在所述外下筒体上。
优选的，所述进光通道部分位于所述通光口中，且所述进光通道贯穿所述超声换能器、所述超声变幅杆和所述超声辐射端。
优选的，所述进气口和所述进水口均为至少四个且分别均匀设置。
优选的，所述进水口位于所述筒体的内壁的一端较所述进水口的另一端靠近所述开口端，所述进水口的倾斜角度为5°～10°。
优选的，所述外下筒体靠近所述开口端的一端为扩口。
优选的，所述进光通道、所述通光口、所述排水腔及所述筒体同轴。
优选的，所述筒体的外壁上固设有辅助接头，所述送丝管与所述辅助接头固连。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬提高了水下局部干法激光焊接与熔覆的质量。本发明通过在排水腔中设置旋转水幕，对焊炬的内腔进行保护，阻止焊炬外部水环境进入焊炬内部；通过超声辐射端向工件表面发射超声波，利用超声波的声流效应，使工件正对焊炬的表面的残余水因受到超声波的振动作用发生流动，进而在保护气的作用下快速排开，形成稳定的局部干燥腔。超声波的使用使得焊炬内部水环境排开的速度加快，一定程度上缩小了焊炬的尺寸，此外使得焊接及熔覆过程中工件表面残余水含量降低，进而使得焊炬内部气溶胶粒子数量减少，因此残余水及气溶胶粒子对激光光束传输的吸收、散射及折射作用减弱，焊接及熔覆过程稳定性增强，作用于工件及焊丝的激光有效功率密度增大。超声波的能量还可直接作用于熔滴及熔池，一方面超声辐射力促进熔滴过渡，超声对熔池的机械振动效应，既提高了熔化金属的润湿性，改善了成形，又可使凝固过程中的柱状枝晶破碎，进而促进形核过冷，细化晶粒；另一方面，超声的空化作用，使熔池内气体逸出，气孔数量减少，且超声能量的引入，使得部分超声能量被熔化金属吸收，熔池温度升高，冷却速率降低，可抑制水下焊接及熔覆过程中淬硬组织的形成。此外，超声波可作用于等离子体及气溶胶粒子，超声辐射力可抑制其沿光束传输方向的纵向爬升，同时工件表面处于超声波的正负压的交替作用下，空化泡的长大和破裂会使得等离子体及气溶胶粒子向四周扩散，降低了激光光束传输路径上的阻碍作用，进一步提高了焊接及熔覆过程的稳定性，提高了有效激光功率密度。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬的结构示意图；
图2为本发明的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬的部分结构示意图；
图3为本发明的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬的部分结构示意图；
其中，1、端盖；2、进气口；3、上筒体；4、送丝管；5、辅助接头；6、外下筒体；7、进水口；8、待焊接/熔覆工件；9、焊丝；10、内下筒体；11、超声辐射端；12、超声变幅杆；13、安装环；14、超声换能器；15、超声电源线；16、透光玻璃；17、通光口；18、增压水泵；19、进光通道。
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局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，以解决上述现有技术存在的问题，提高水下局部干法激光焊接与熔覆的质量。
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。
如图1至图3所示，本实施例提供一种水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，包括筒体、排水腔、超声单元、进光通道19和送丝管4。
具体的，筒体一端开口且另一端闭口，筒体的闭口端设置有通光口17，通光口17处密封设置有透光玻璃16；于本实施例中，筒体包括端盖1、上筒体3、内下筒体10和外下筒体6，端盖1密封设置在上筒体3的一端，内下筒体10和外下筒体6分别与上筒体3的另一端螺纹连接，通光口17和进气口2都设置在端盖1上，进水口7设置在外下筒体6上。
排水腔为环形腔体，设置在靠近筒体的开口端的侧壁中；于本实施例中，内下筒体10和外下筒体6之间的环形间隙即为排水腔；排水腔靠近开口端的一端开口，筒体的外壁上设置有沿筒体的侧壁的均布有至少四个斜切向设置的进水口7，进水口7通过管路与增压水泵18的出水口连通。且进水口7位于筒体的内壁的一端较进水口7的另一端靠近筒体的开口端，于本实施例中，进水口7的倾斜角度为5°。
超声单元设置在筒体中，超声单元包括由闭口端至开口端依次设置且依次连接的超声换能器14、超声变幅杆12和超声辐射端11，超声换能器14通过安装环13与上筒体3的内壁固连且通过超声电源线15与超声电源连接。
进光通道19位于筒体中，通过透光玻璃16射入的激光能够通过所述进光通道19并射出开口端；筒体的闭口端(本实施例中为端盖1中)均匀设置有至少四个倾斜的进气口2，每个进气口2都一端与进光通道19相通、另一端通过管路与供气装置连接，供气装置用于提供保护气体-氩气。
进光通道19、通光口17、排水腔及筒体同轴，进光通道19的顶部位于通光口17的底部且位于透光玻璃16的下方，且进光通道19贯穿超声换能器14、超声变幅杆12和超声辐射端11。
送丝管4设置在筒体外部并与筒体固连，送丝管4用于在开口端的下方送入焊丝9。于本实施例中，筒体的外壁上固设有辅助接头5，送丝管4与辅助接头5固连。
需要说明的是，外下筒体6靠近开口端的一端为扩口，其目的是使排水腔中形成的旋转水幕的底部边缘与水平方向成一定角度，减少水流在工件表面的反冲，从而维持旋转水幕的稳定。
本实施例水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬的具体使用过程如下：
将本发明水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬固定于激光头的下方并移动于水下待焊接/熔覆工件8上方，内下筒体10的底端与工件上表面之间的距离为0mm-20mm；水下焊接或熔覆过程中，将进水口7与增压水泵18连接，增压水泵18在水环境中直接吸取水并将其加压后通过进水口7送入排水腔内，高压水流进入排水腔内后沿外下筒体6切向向下流动，可将外排水腔内原有的水环境排开，并且形成旋转水幕，对超声辐射端11下方的腔体(下文简称为内排水腔)进行保护，阻止焊炬外部水环境进入内排水腔。端盖1上的进气口2通过快插接头与供气装置连接，保护气体氩气通过进气口2斜通式进入进光通道19并进入内排水腔内，可将内排水腔的水环境排开并形成干燥腔。通过观测焊炬周围气泡的形成，判断焊炬下方是否有气体流出，当焊炬下端有气体流出时，焊炬周围的水体中会有气泡生成，此时打开超声波电源，通过超声辐射端11向工件表面发射超声波，利用超声波的声流效应，使待焊接/熔覆工件8上表面的残余水因受到超声波的振动作用发生流动，进而在保护气的作用下快速排开，形成稳定的局部干燥腔。超声波的使用使得内排水腔水环境排开的速度加快，一定程度上缩小了焊炬的尺寸，此外使得焊接及熔覆过程中工件表面残余水含量降低，进而使得焊炬内部气溶胶粒子数量减少，因此残余水及气溶胶粒子对激光光束传输的吸收、散射及折射作用减弱，焊接及熔覆过程稳定性增强，作用于工件及焊丝9的激光有效功率密度增大。焊炬内部局部干燥腔形成后，进行水下局部干法激光-超声复合焊接或熔覆，在该过程中，超声波除上述排水功能外，超声能量还可直接作用于熔滴及熔池，一方面超声辐射力促进熔滴过渡，超声对熔池的机械振动效应，既提高了熔化金属的润湿性，改善了成形，又可使凝固过程中的柱状枝晶破碎，进而促进形核过冷，细化晶粒；另一方面，超声的空化作用，使熔池内气体逸出，气孔数量减少，且超声能量的引入，使得部分超声能量被熔化金属吸收，熔池温度升高，冷却速率降低，可抑制水下焊接及熔覆过程中淬硬组织的形成。此外，超声波可作用于等离子体及气溶胶粒子，超声辐射力可抑制其沿光束传输方向的纵向爬升，同时工件表面残余水内部的空化泡在超声波正负压的交替作用下，不断地生长破裂，促进了等离子体及气溶胶粒子向四周扩散，降低了激光光束传输路径上的阻碍作用，进一步提高了焊接及熔覆过程的稳定性，提高了有效激光功率密度。
本实施例水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬的排水腔采用进水的方式代替进气，保护水取自焊接或熔覆过程的水环境，可循环利用，通过本实施例进水口7的排列方式和进水角度，可在外排水腔形成旋转水幕，利用水幕代替气幕或排水焊炬底部常用的密封圈，相比之下水幕具有一定的强度且使得焊炬底部与工件表面不直接接触，避免了水下焊接或熔覆过程中因工件不平产生的碰撞，操作灵活。
本实施例水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬可实现水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆，将超声波引入到水下激光焊接及熔覆过程中，使其作用于熔滴、熔池及等离子体与气溶胶粒子，促进了熔滴过渡、提高了熔化金属润湿性、提高了焊接及熔覆过程稳定性、降低了熔池冷却速率，利用超声波的机械振动效应细化了晶粒，利用超声波的空化作用减少了焊缝内部气孔。
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 (8)

1.一种水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于，包括：
筒体，一端开口且另一端闭口，所述筒体的闭口端设置有通光口，所述通光口处密封设置有透光玻璃；
排水腔，为环形腔体，设置在靠近所述筒体的开口端的侧壁中，所述排水腔靠近所述开口端的一端开口，所述筒体的外壁上设置有沿所述筒体的侧壁的斜切向设置的进水口，所述进水口通过管路与增压水泵的出水口连通；
设置在所述筒体中的超声单元，所述超声单元包括由所述闭口端至所述开口端依次设置且依次连接的超声换能器、超声变幅杆和超声辐射端，所述超声换能器与所述筒体的内壁固连且通过超声电源线与超声电源连接；
进光通道，通过所述透光玻璃射入的激光能够通过所述进光通道并射出所述开口端；所述筒体的闭口端设置有倾斜的进气口，所述进气口一端与所述进光通道相通、另一端通过管路与供气装置连接；
送丝管，设置在所述筒体外部并与所述筒体固连，用于在所述开口端送入焊丝。
2.根据权利要求1所述的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于：所述筒体包括端盖、上筒体、内下筒体和外下筒体，所述端盖密封设置在所述上筒体的一端，所述内下筒体和所述外下筒体分别与所述上筒体的另一端螺纹连接，所述内下筒体和所述外下筒体之间的环形间隙即为所述排水腔；所述通光口和所述进气口都设置在所述端盖上，所述进水口设置在所述外下筒体上。
3.根据权利要求2所述的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于：所述进光通道部分位于所述通光口中，且所述进光通道贯穿所述超声换能器、所述超声变幅杆和所述超声辐射端。
4.根据权利要求1所述的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于：所述进气口和所述进水口均为至少四个且分别均匀设置。
5.根据权利要求1所述的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于：所述进水口位于所述筒体的内壁的一端较所述进水口的另一端靠近所述开口端，所述进水口的倾斜角度为5°～10°。
6.根据权利要求2所述的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于：所述外下筒体靠近所述开口端的一端为扩口。
7.根据权利要求1所述的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于：所述进光通道、所述通光口、所述排水腔及所述筒体同轴。
8.根据权利要求1所述的水下局部干法激光-超声复合焊接与熔覆焊炬，其特征在于：所述筒体的外壁上固设有辅助接头，所述送丝管与所述辅助接头固连。
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