CN115213576B - 一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，包括双层排水装置、激光输出通道、激光发射装置、丝粉复合送进装置、超声波发生器和电弧发生器；通过丝粉复合送进装置的设置，可以仅实现旁轴送粉和旁轴送丝的单独功能，也可以实现二者结合的丝粉共同送进的功能，尤其是丝粉共同送进时，实现了目前增材过程中送粉增材和送丝增材的优势互补，提高了填充金属的利用率和修复效率，通过在水下激光电弧复合增材过程中引入超声波，可以提高熔融金属润湿性和增材过程稳定性，降低气孔率，细化晶粒，提高增材零件的力学性能，通过将丝粉复合送进装置与水下激光电弧复合增材技术有机结合，填补了目前丝粉复合送进式水下激光电弧复合增材技术的空白。

Description

一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备

技术领域

本发明属于水下修复技术领域，涉及水下激光电弧复合增材技术，特别是涉及一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备。

背景技术

水下激光增材技术是一种先进的修复技术，具有增材速度快、能量密度高、热输入量低、工件变形小、受水压影响小、易于控制进行自动化修复等优点，在水下修复领域具有明显的优势。然而，在实际修复应用中仍具有一些不足之处，如不适用于高反射率的金属、对工件的装配精度要求高、热循环时间快等。水下激光电弧复合增材技术综合了水下激光增材和水下电弧增材两种方法的优点，逐渐成为一种富有前景的水下修复技术，与水下激光增材相比，可提高对装配精度的适应性，扩大适用材料范围，与水下电弧增材相比，可提高电弧的稳定性，进一步提高增材质量。

但是，目前的水下激光电弧复合增材技术仍然存在一些弊端，比如，在增材过程中，粉材(比如金属粉末)和丝材(比如金属丝)分别独立送进，且都有各自的缺点。其中，粉材(比如金属粉末)与热源相互作用，利用率低，污染严重且回收困难；丝材(比如金属丝)和热源相互作用，金属利用率高，增材效率高，但增材过程存在光丝对中、粘丝等问题。丝粉复合送进的修复技术不仅可以提高填充金属的利用率，还可以提高熔覆速度，效率大大增加。然而，目前为止丝粉复合送进式水下激光电弧复合增材技术的研究进行较少，相关装备尚未开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，既能够实现丝粉单独给进，又能够实现丝粉共同给进，可解决目前增材过程中所存在利用率低，污染严重且回收困难，以及光丝对中、粘丝等问题，以填补目前丝粉复合送进式水下激光电弧复合增材技术的空白。同时，该超声辅助的水下激光电弧复合增材设备在水下激光电弧复合增材过程中引入超声波，超声波作用于金属熔滴、熔池和气溶胶粒子，可促进熔滴过渡，提高熔化金属的润湿性和增材过程的稳定性，利用超声波的声流效应，还可促进工件表面残余水的排开，利用超声波的空化作用，还可促进熔池内部气体的溢出，同时对熔池具有搅拌作用，可以细化熔池内部晶粒，改善增材部件的力学性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，包括：

双层排水装置，所述双层排水装置包括排水装置法兰盘、外层排水筒体和内层排水筒体，所述内层排水筒体套设于所述外层排水筒体内部，所述内层排水筒体和所述外层排水筒体的顶端均连接于所述排水装置法兰盘上，所述外层排水筒体的底端用于与待施工工件密封对接；

激光输出通道，所述激光输出通道设置于所述内层排水筒体内，所述激光输出通道的顶端与所述排水装置法兰盘相连；

激光发射装置，所述激光发射装置用于向所述待施工工件发射激光，并形成施工区域；

丝粉复合送进装置，所述丝粉复合送进装置包括外壳体，所述外壳体内设置有丝材导引管道和与所述丝材导引管道间隔布置的粉末导引管道，所述外壳体设置于所述外层排水筒体或所述内层排水筒体上，所述外壳体的底端设置有材料汇合腔，所述丝材导引管道和所述粉末导引管道均与所述材料汇合腔连通，所述材料汇合腔位于所述施工区域的上方，用于向所述施工区域进给丝材、粉末或丝材粉末混合体；

超声波发生器，所述超声波发生器设置于所述内层排水筒体内，用于向所述施工区域发射超声波；

电弧发生器，所述电弧发生器设置于所述内层排水筒体内，用于向所述施工区域发射电弧。

可选的，所述排水装置法兰盘上设置有圆盘形连接器和内干燥腔进气口，所述圆盘形连接器位于所述排水装置法兰盘的中心，所述圆盘形连接器的中心密封安装有上玻璃片，所述上玻璃片周围设置有导线快插接口，所述激光输出通道的顶端连接于所述圆盘形连接器上，并与所述圆盘形连接器同轴布置；所述内干燥腔进气口用于向所述内层排水筒体与所述激光输出通道之间的环隙内导入惰性气体；

所述外层排水筒体的顶端与所述排水装置法兰盘的下端面密封连接，所述外层排水筒体的顶部设置有外干燥腔进气口，用于向所述外层排水筒体与所述内层排水筒体之间的环隙内导入压缩空气；

所述外层排水筒体、所述内层排水筒体以及所述激光输出通道同轴布置。

可选的，所述内干燥腔进气口沿所述排水装置法兰盘的径向设置，且所述内干燥腔进气口沿所述排水装置法兰盘的周向均布至少六个；

所述外干燥腔进气口沿所述外层排水筒体的内壁切向设置，且所述外干燥腔进气口沿所述外层排水筒体的周向均布至少四个。

可选的，所述外层排水筒体的底端设置有伸缩式排水密封垫，所述伸缩式排水密封垫包括可折叠橡胶圈和柔性衬套裙，所述可折叠橡胶圈的一端与所述外层排水筒体的底端密封连接，所述可折叠橡胶圈的另一端与所述柔性衬套裙密封连接，所述外层排水筒体用于通过所述柔性衬套裙与所述待施工工件密封对接。

可选的，所述超声波发生器包括超声波换能器和与所述超声波换能器连接的超声波变幅杆；所述超声波换能器通过第一调节机构与所述激光输出通道的外壁连接，其中，所述第一调节机构包括：

第一导轨，所述第一导轨设置于所述激光输出通道的外壁，所述第一导轨上设置有第一纵向滑槽，所述第一纵向滑槽由所述激光输出通道的一端向另一端延伸；

第一滑块，所述第一滑块与所述第一纵向滑槽滑动配合，并通过锁紧螺栓与所述第一纵向滑槽固定连接；所述第一滑块上设置有第一横向滑槽，所述第一横向滑槽垂直于所述激光输出通道的轴向布置；

第一卡环，所述第一卡环卡套于所述超声波换能器的外圈，所述第一卡环上设置有第一连接片，所述第一连接片与所述第一横向滑槽滑动转动配合，并通过锁紧螺栓与所述第一横向滑槽固定连接。

可选的，所述的电弧发生器包括电弧焊枪、设置于所述电弧焊枪上的导电嘴以及设置于所述导电嘴上的钨极；所述电弧焊枪通过第二调节机构与所述激光输出通道的外壁连接，其中，所述第二调节机构包括：

第二导轨，所述第二导轨设置于所述激光输出通道的外壁，并与所述第一导轨对称布置；所述第二导轨上设置有第二纵向滑槽，所述第二纵向滑槽由所述激光输出通道的一端向另一端延伸；

第二滑块，所述第二滑块与所述第二纵向滑槽滑动配合，并通过锁紧螺栓与所述第二纵向滑槽固定连接；所述第二滑块上设置有第二横向滑槽，所述第二横向滑槽垂直于所述激光输出通道的轴向布置；

第二卡环，所述第二卡环卡套于所述电弧焊枪的外圈，所述第二卡环上设置有第二连接片，所述第二连接片与所述第二横向滑槽滑动转动配合，并通过锁紧螺栓与所述第二横向滑槽固定连接。

可选的，所述外壳体为圆柱形外壳体，所述圆柱形外壳体通过角度控制装置安装于所述外层排水筒体上；所述圆柱形外壳体的中部为实心体，所述丝材导引管道和所述粉末导引管道均沿所述圆柱形外壳体的轴向开设于所述实心体上，其中，所述丝材导引管道设置1根，并与所述圆柱形外壳体同轴布置，所述丝材导引管道的顶端延伸至所述实心体外，所述粉末导引管道沿所述丝材导引管道的外周均匀设置至少4根；所述圆柱形外壳体的底端为锥形材料汇合腔，所述丝材导引管道和所述粉末导引管道均与所述锥形材料汇合腔连通。

可选的，所述激光输出通道为锥形激光输出通道，所述锥形激光输出通道的大头端与所述圆盘形连接器密封连接，小头端密封安装有下玻璃片。

可选的，所述上玻璃片和所述下玻璃片均为圆形的增透型玻璃片，且二者同轴布置。

可选的，还包括在线检测装置，用于在增材过程中对所述待施工工件进行实时在线检测；所述在线检测装置包括光纤探头，所述光纤探头安装在所述内层排水筒体上，并通过数据传输光纤与外部计算机通讯连接。

可选的，还包括设备转移机构，所述设备转移机构与所述排水装置法兰盘或所述外层排水筒体相连，用于转移所述超声辅助的水下激光电弧复合增材设备。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提出的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，通过丝粉复合送进装置的设置，可以仅实现旁轴送粉和旁轴送丝的单独功能，也可以实现二者结合的丝粉共同送进的功能，尤其是丝粉共同送进时，实现了目前增材过程中送粉增材和送丝增材的优势互补，提高了填充金属的利用率和修复效率，可解决目前增材过程中所存在利用率低，污染严重且回收困难，以及光丝对中、粘丝等问题，同时，通过将丝粉复合送进装置与水下激光电弧复合增材技术有机结合，填补了目前丝粉复合送进式水下激光电弧复合增材技术的空白。

本发明提出的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，可进行水下工件的修复，电弧发生器的引入提高了对水下待修复工件装配精度的适应性，扩大了材料应用窗口，等离子密度较低的电弧会稀释激光光致等离子体，降低光致等离子体对激光能量的吸收、反射和散射，提高激光能量传输效率；待修复工件经电弧预热后对激光的吸收率提高，熔池的温度梯度降低，修复质量得到改善。同时激光的存在提高了电弧的温度和电离度，在工件表面提供了稳定的电弧斑点，增强了电弧稳定性。

另外，本发明通过设置超声波发生器，在水下激光电弧复合增材修复的基础上引入了超声波作为辅助，超声波作用于金属熔滴、熔池和气溶胶粒子，可促进熔滴过渡，提高熔化金属的润湿性，提高增材过程的稳定性；此外，利用超声波的声流效应，还可促进工件表面残余水的排开，利用超声波的空化作用，还可促进熔池内部气体的溢出，减小修复层内部气孔，同时对熔池具有搅拌作用，促进熔池金属的形核和流动，细化熔池晶粒，提高修复质量。在本发明的一些技术方案中，还设置了在线检测装置，该在线检测装置可在水下激光电弧复合增材修复过程中，采集水下激光电弧复合增材时的光谱信号，通过对光谱信息的在线实时分析，对增材质量进行检测评估。

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为本发明实施例所公开的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备的整体结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的内干燥腔的进气方式示意图；

图3为本发明实施例所公开的外干燥腔的进气方式示意图；

图4为本发明实施例所公开的丝粉复合送进装置的主视图；

图5为本发明实施例所公开的丝粉复合送进装置的横截面示意图；

图6为本发明实施例所公开的第一调节机构的结构示意图；

图7为本发明实施例所公开的角度控制装置的结构示意图。

其中，附图标记为：

1、排水装置法兰盘；2、激光输出通道；3、外层排水筒体；4、内层排水筒体；5、可折叠橡胶圈；6、柔性衬套裙；7、待施工工件；8、超声波换能器； 9、光纤探头；10、超声波变幅杆；11、熔池；12、钨极；13、导电嘴；14、电弧焊枪；15、角度控制装置；1501、固定底板；1502、旋转结构；1503、旋转螺钉；16、丝粉复合送进装置；1601、丝材导引管；1602、金属丝；1603、粉末导引管；1604、金属粉末；1605、外壳体；1606、锥形材料汇合腔；17、第二调节机构；1701、第二导轨；1702、第二滑块；1703、锁紧螺栓；1704、第二连接片；18、耐高温防水线缆；19、外干燥腔进气口；20、内干燥腔进气口；21、导线快插接口；22、圆盘形连接器；23、玻璃安装架；24、上玻璃片。

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。

本发明的目的之一是提供一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，既能够实现丝粉单独给进，又能够实现丝粉共同给进，可解决目前增材过程中所存在利用率低，污染严重且回收困难，以及光丝对中、粘丝等问题，以填补目前丝粉复合送进式水下激光电弧复合增材技术的空白；同时，利用超声波在振动过程中的声流和空化效应，促进熔滴过渡，提高增材过程稳定性，减少气孔缺陷，细化熔池晶粒，提高增材部件的质量。

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。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其主要包括排水装置法兰盘1、激光输出通道2、外层排水筒体3、内层排水筒体4和伸缩式排水密封垫，排水装置法兰盘1中心部位设有圆盘形连接器 22，圆盘形连接器22中心密封安装有上玻璃片24，上玻璃片24为增透型玻璃，其经玻璃安装架23安装在圆盘形连接器22上，玻璃安装架23与圆盘形连接器22之间设有密封环，上玻璃片24通过外螺纹安装在玻璃安装架23的内螺纹上。内层排水筒体4安装在外层排水筒体3内部，激光输出通道2安装在内层排水筒体4内部，外层排水筒体3、内层排水筒体4和激光输出通道2 三者轴线重合，外层排水筒体3和内层排水筒体4的上端面与排水装置法兰盘 1下端面密封连接，激光输出通道2的上端面与圆盘形连接器22下端面密封连接。内层排水筒体4下端面高于外层排水筒体3下端面，即内层排水筒体4 下端面位于外层排水筒体3内，激光输出通道2下端面高于内层排水筒体4 下端面，即激光输出通道2下端面位于内层排水筒体4内，外层排水筒体3 的内壁、内层排水筒体4的外壁和排水装置法兰盘1围成环形筒状的外干燥腔，激光输出通道2为锥形激光输出通道，所以内层排水筒体4的内壁、激光输出通道2的外壁和排水装置法兰盘1围成从排水装置法兰盘1到待施工工件7 直径逐渐增大的柱状的内干燥腔。如图2所示，排水装置法兰盘1上至少设置六个呈圆形阵列均匀分布的内干燥腔进气口20，每个内干燥腔进气口20均沿排水装置法兰盘1径向设置，惰性气体沿径向前进随后向下充入内干燥腔；如图3所示，外层排水筒体3上至少设置四个呈圆形阵列分布的外干燥腔进气口 110，每个外干燥腔进气口110均沿外层排水筒体3内壁切向设置，四个以上外干燥腔进气口110同时进气，可在内干燥腔内形成环形气流，环形气流有利于保持外干燥腔的稳定。上述伸缩式排水密封垫包括可折叠橡胶圈5和柔性衬套裙6，可折叠橡胶圈5密封安装在外层排水筒体3下端，可折叠橡胶圈5下边缘设有柔性衬套裙6，柔性衬套裙6向下延伸出可折叠橡胶圈5下端。上述超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，具备激光切割、超声辅助的激光电弧复合焊接、熔覆或增材等功能，其还能够根据实际需求，实现旁轴送粉和旁轴送丝的单独输送功能以及二者结合的丝粉共送功能。该超声辅助的水下激光电弧复合增材设备结构简单、使用方便，通过超声波发生器、电弧发生器、丝粉送进模式的排列组合，可实现水下激光切割，超声辅助的水下激光电弧复合焊接，送丝式、送粉式或丝粉共送式的超声辅助水下激光电弧复合熔覆或增材多种功能等，适宜作为一种超声辅助的水下激光电弧复合增材的多功能装置应用。

本实施例中，激光输出通道2为锥形激光输出通道，其小头端朝下，并设置有下玻璃片，下玻璃片同上玻璃片24一样，通过玻璃安装架23安装在锥形激光输出通道的小头端。上述上玻璃片24和下玻璃片均为圆形的增透型玻璃片，且二者同轴布置。激光输出通道2内的激光发射源向锥形激光输出通道下方的待施工工件7上发射激光形成激光光斑，该激光光斑覆盖的区域即施工区域，在增材过程中，该施工区域内形成熔池11。

本实施例中，外层排水筒体3下部设有角度控制装置15，角度控制装置 15上设有外高内低倾斜放置的丝粉复合送进装置16，角度控制装置15可以改变丝粉复合送进装置16与水平方向的夹角。如图4和图5所示，丝粉复合送进装置16包括丝材导引管1601、粉末导引管1603、金属丝1602、金属粉末 1604以及外壳体1605，丝材导引管1601设置一根且位于外壳体1605中心，二者轴线重合，在丝材导引管1601周围丝粉复合送进装置16内部设置四根呈圆形阵列分布的粉末导引管1603；进行丝粉共同送进时，调整角度控制装置 15达到预定倾斜角度，金属丝1602穿过丝材导引管1601，经外壳体1605底部的锥形材料汇合腔1606达到待施工部位，金属粉末1604穿过粉末导引管 1603后进入外壳体1605底部的锥形材料汇合腔1606，由于锥形材料汇合腔 1606为收口结构，所以会将粉末导引管1603排出的金属粉末1604聚拢，金属粉末1604可在锥形材料汇合腔1606的作用下，在锥形材料汇合腔1606的尖端出口处与金属丝1602汇合，二者共同到达待施工工件17上激光输出通道 2所输出激光的光斑部位。当金属丝1602或金属粉末1604分别单独输送时，只需停止输送另一者即可，即当需要金属丝1602单独送进时，停止向粉末导引管1603内输送金属粉末1604，而当需要金属粉末1604单独送进时，停止向丝材导引管1601内输送金属丝1602即可。

本实施例中，上述角度调节装置15包括固定底板1501、旋转结构1502 和旋转螺钉1503。外层排水筒体3的下端设有固定底板1501，固定底板1501 上设有旋转结构1502，旋转结构1502呈圆柱形，其轴线处开有通孔，旋转螺钉1503经通孔将旋转结构1502固定在固定底板1501上；旋转结构1502侧壁开有贯通的内螺纹，与丝粉复合送进装置16上的外螺纹经螺纹配合进行固定；外层排水筒体3上开有弧形凹坑与旋转结构1502相匹配，二者间隙处由密封垫填充，密封垫和排水筒体内部高压气体的存在排除间隙处水进入局部干燥腔室内部的可能性。需要调节角度时，只需旋开旋转螺钉1503，待丝粉复合送进装置16调节到所需角度后，旋紧旋转螺钉1503，即可固定此时丝粉复合送进装置16的角度位置。

本实施例中，超声波发生器包括超声波换能器8和与超声波换能器8连接的超声波变幅杆10；超声波换能器8通过第一调节机构与激光输出通道2的外壁连接，其中，第一调节机构包括第一导轨、第一滑块和第一卡环，第一导轨设置于激光输出通道2的外壁，第一导轨上设置有第一纵向滑槽，第一纵向滑槽由激光输出通道的一端向另一端延伸；第一滑块与第一纵向滑槽滑动配合，并通过锁紧螺栓与第一纵向滑槽固定连接，通过旋松第一滑块与第一纵向滑槽之间的锁紧螺栓(或锁紧螺钉)可调节第一滑块沿第一纵向滑槽移动，进而调节超声波换能器8的高度，在第一滑块位置调节到位后，旋紧第一滑块与第一纵向滑槽之间的锁紧螺栓(或锁紧螺钉)，即可固定此时超声波换能器8 的高度位置；第一滑块上设置有第一横向滑槽，第一横向滑槽垂直于激光输出通道2的轴向布置，第一卡环卡套于超声波换能器8的外圈，用以装载超声波换能器8，第一卡环上设置有第一连接片，第一连接片与第一横向滑槽滑动转动配合，并通过锁紧螺栓与第一横向滑槽固定连接，通过旋松第一连接片与第一横向滑槽之间的锁紧螺栓(或锁紧螺钉)可调节第一连接片沿第一横向滑槽移动，并转动第一连接片，进而调节超声波换能器8与激光输出通道2之间水平间距和倾斜角度，在第一连接片位置调节到位后，旋紧第一连接片与第一横向滑槽之间的锁紧螺栓(或锁紧螺钉)，即可固定此时超声波换能器8的水平位置和倾斜角度。本实施例中，并未给出具体的第一调节机构结构，该第一调节机构与下述的第二调节机构完全相同，可参考下述内容以及附图6对上述第一调节机构进行理解。

本实施例中，电弧发生器包括电弧焊枪14、设置于电弧焊枪14上的导电嘴13以及设置于导电嘴13上的钨极12；电弧焊枪14通过第二调节机构17 与激光输出通道2的外壁连接，其中，第二调节机构包括第二导轨1701、第二滑块1702和第二卡环，第二导轨1701设置于激光输出通道2的外壁，并与前述第一导轨对称布置；第二导轨上设置有第二纵向滑槽，第二纵向滑槽由激光输出通道的一端向另一端延伸，第二滑块1702与第二纵向滑槽滑动配合，并通过锁紧螺栓与第二纵向滑槽固定连接，通过旋松第二滑块1702与第二纵向滑槽之间的锁紧螺栓(或锁紧螺钉)可调节第二滑块1702沿第二纵向滑槽移动，进而调节电弧焊枪14的高度，在第二滑块1702位置调节到位后，旋紧第二滑块1702与第二纵向滑槽之间的锁紧螺栓(或锁紧螺钉)，即可固定此时电弧焊枪14的高度位置；第二滑块上设置有第二横向滑槽，第二横向滑槽垂直于激光输出通道的轴向布置，第二卡环卡套于电弧焊枪14的外圈，用以装载电弧焊枪14，第二卡环上设置有第二连接片1704，第二连接片1704与第二横向滑槽滑动转动配合，并通过锁紧螺栓1703与第二横向滑槽固定连接，通过旋松第二连接片1704与第二横向滑槽之间的锁紧螺栓1703(或锁紧螺钉) 可调节第二连接片1704沿第二横向滑槽移动，并转动第二连接片1704，进而调节电弧焊枪14与激光输出通道2之间的水平间距和倾斜角度，在第二连接片1704位置调节到位后，旋紧锁紧螺栓1703(或锁紧螺钉)，即可固定此时电弧焊枪14的水平位置和倾斜角度。

本实施例中，第一调节机构和第二调节机构17分别通过锁紧螺栓的松紧调节，实现激光输出通道2和超声波发生器与激光输出通道2和电弧发生器之间夹角和水平距离的变换，以及超声波发生器和电弧发生器与待施工工件7 之间距离的调整。如图1所示，优选利用第一调节机构，在激光输出通道2 远离丝粉复合送进装置16的一侧设有超声波发生器，利用同结构的第二调节机构17在激光输出通道2靠近丝粉复合送进装置16一侧设置电弧波发生器，从而实现电弧波发生器与超声波发生器的对称分布。超声波发生器和电弧发生器通过耐高温防水线缆18穿过设置在圆盘形连接器22上的导线快插接口21 与外部驱动电源连接。

本实施例在使用时，外干燥腔进气口19和内干燥腔进气口20通过快插气动接头与供气装置连接。压缩空气经外干燥腔进气口19通入前述外干燥腔内、高压惰性保护气体经内干燥腔进气口20通入前述内干燥腔内，待外干燥腔和内干燥腔下部有气体流出时，利用外部设备转移机构将装置整体移动到待施工工件7上方；伸缩式排水密封垫的柔性衬套裙6与待施工工件7上表面紧密贴合，由于柔性衬套裙6的设置，在接触面处形成一种内部气体易于排出而外部水不易进入的单向结构；待内、外层排水筒体内部的水被高压气体挤压、并由柔性衬套裙6与待施工工件7接触面处排出，水下局部干燥腔形成以后，即在待施工工件7上的待施工区域进行超声辅助的丝粉复合送进式水下激光电弧复合增材，在水下激光电弧复合增材过程中，工件表面的残余水分在超声波的声流作用下受振流动，进而在高压气体的作用下排出，提高了局部干腔的稳定性。在上述增材过程中，待施工区域在激光、电弧、超声波等复合作用下形成熔池11，熔池11表面受到超声波的机械振动效应，润湿性得到改善；在超声波的空化作用下，熔池11内部形成空化气泡，促进熔池内部气泡的逸出，同时，空化气泡的长大破裂过程对熔池具有搅拌作用，促进熔池金属的形核和流动，细化熔池晶粒。在超声辅助的水下激光电弧复合增材过程中，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，水下修复过程中淬硬组织形成倾向降低。实际操作中，可通过对超声波发生器、电弧发生器、丝粉复合送进装置进行排列组合，以实现如下多种组合使用功能：水下激光切割，超声辅助的水下激光电弧复合焊接，超声辅助的送粉式水下激光电弧复合熔覆，超声辅助的送丝式水下激光电弧复合熔覆，超声辅助的丝粉共送式水下激光电弧复合熔覆，超声辅助的送粉式水下激光电弧复合增材，超声辅助的送丝式水下激光电弧复合增材，超声辅助的丝粉共送式水下激光电弧复合增材等。上述外部设备转移机构可以采用现有的机械手操作。

本实施例提供的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备结构简单、使用方便，通过第一调节机构、第二调节机构和丝粉复合送进装置等将水下激光切割、水下激光电弧复合焊接、水下激光电弧复合熔覆、水下激光电弧复合增材等多种功能集于一体，同时利用超声在作业过程中进行超声辅助，可以仅进行旁轴送粉和旁轴送丝的单独填充金属送进以及二者结合的丝粉共同送进，只需要进行超声波发生器、电弧发生器、丝粉送进模式的排列组合就可以实现不同功能。其具体有益效果如下：

(一)采用激光电弧复合的方式进行水下工件的修复，电弧发生器的引入提高了对水下待修复工件装配精度的适应性，扩大了材料应用窗口，等离子密度较低的电弧会稀释激光光致等离子体，降低光致等离子体对激光能量的吸收、反射和散射，提高激光能量传输效率；待修复工件经电弧预热后对激光的吸收率提高，熔池的温度梯度降低，修复质量得到改善。同时激光的存在提高了电弧的温度和电离度，在工件表面提供了稳定的电弧斑点，增强了电弧稳定性。

(二)在水下激光电弧复合增材修复的基础上引入了超声波作为辅助，超声波作用于金属熔滴、熔池和气溶胶粒子，促进熔滴过渡，提高熔化金属的润湿性，提高增材过程的稳定性；利用超声波的声流效应，促进工件表面残余水的排开；利用超声波的空化作用，促进熔池内部气体的溢出，减小修复层内部气孔，同时对熔池具有搅拌作用，促进熔池金属的形核和流动，细化熔池晶粒，提高修复质量。

(三)在修复过程中使用了丝粉复合送进装置，可以仅实现旁轴送粉和旁轴送丝的单独功能以及二者结合的丝粉共同送进的功能，提高了填充金属的利用率和修复效率。尤其是丝粉共同送进时，实现了目前增材过程中送粉增材和送丝增材的优势互补，提高了填充金属的利用率和修复效率，可解决目前增材过程中所存在利用率低，污染严重且回收困难，以及光丝对中、粘丝等问题，同时，通过将丝粉复合送进装置与水下激光电弧复合增材技术有机结合，填补了目前丝粉复合送进式水下激光电弧复合增材技术的空白。

(四)本专利在水下激光电弧复合增材修复过程中，利用在线检测装置，采集水下激光电弧复合增材时的光谱信号，通过对光谱信息的在线实时分析，对增材质量进行检测评估。

实施例二

在上述实施例一的结构基础上，本实施例进一步地还在内层排水筒体4 下部设有在线检测装置，用于加工过程中对工件进行实时在线检测，该在线检测装置包括光纤探头9、数据传输光纤、外部计算机。内层排水筒体4下端面设置有可调式固定装置，光纤探头9一端正对熔池，另一端安装在可调式固定装置上。光纤探头9通过数据传输光纤将收集到的光谱信号输入到外部计算机中，综合分析增材过程中的光谱信号变化。前述安装光纤探头9的可调式固定装置可以采用实施例一中与第一调节机构相同的结构，其中，第一调节机构中的第一导轨安装在内层排水筒体4上，光纤探头9安装在第一卡环上，对于光纤探头9高度位置、水平位置以及倾斜角度的调节，可参考实施例一中对于超声波换能器8的调节，在此不再赘述。

本实施例的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备在具备激光切割、超声辅助的激光电弧复合焊接、激光电弧复合熔覆、激光电弧复合增材等功能的同时，还具备了在线实时检测的功能，可以实现作业过程的在线实时检测。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

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 (10)

1.一种超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，包括：

双层排水装置，所述双层排水装置包括排水装置法兰盘、外层排水筒体和内层排水筒体，所述内层排水筒体套设于所述外层排水筒体内部，所述内层排水筒体和所述外层排水筒体的顶端均连接于所述排水装置法兰盘上，所述外层排水筒体的底端用于与待施工工件密封对接；

激光输出通道，所述激光输出通道设置于所述内层排水筒体内，所述激光输出通道的顶端与所述排水装置法兰盘相连；

激光发射装置，所述激光发射装置用于向所述待施工工件发射激光，并形成施工区域；

丝粉复合送进装置，所述丝粉复合送进装置包括外壳体，所述外壳体内设置有丝材导引管道和与所述丝材导引管道间隔布置的粉末导引管道，所述外壳体设置于所述外层排水筒体或所述内层排水筒体上，所述外壳体的底端设置有材料汇合腔，所述丝材导引管道和所述粉末导引管道均与所述材料汇合腔连通，所述材料汇合腔位于所述施工区域的上方，用于向所述施工区域进给丝材、粉末或丝材粉末混合体；

超声波发生器，所述超声波发生器设置于所述内层排水筒体内，用于向所述施工区域发射超声波；

电弧发生器，所述电弧发生器设置于所述内层排水筒体内，用于向所述施工区域发射电弧。

2.根据权利要求1所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，所述排水装置法兰盘上设置有圆盘形连接器和内干燥腔进气口，所述圆盘形连接器位于所述排水装置法兰盘的中心，所述圆盘形连接器的中心密封安装有上玻璃片，所述上玻璃片周围设置有导线快插接口，所述激光输出通道的顶端连接于所述圆盘形连接器上，并与所述圆盘形连接器同轴布置；所述内干燥腔进气口用于向所述内层排水筒体与所述激光输出通道之间的环隙内导入惰性气体；

所述外层排水筒体的顶端与所述排水装置法兰盘的下端面密封连接，所述外层排水筒体的顶部设置有外干燥腔进气口，用于向所述外层排水筒体与所述内层排水筒体之间的环隙内导入压缩空气；

所述外层排水筒体、所述内层排水筒体以及所述激光输出通道同轴布置。

3.根据权利要求2所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，所述内干燥腔进气口沿所述排水装置法兰盘的径向设置，且所述内干燥腔进气口沿所述排水装置法兰盘的周向均布至少六个；

所述外干燥腔进气口沿所述外层排水筒体的内壁切向设置，且所述外干燥腔进气口沿所述外层排水筒体的周向均布至少四个。

4.根据权利要求2所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，所述外层排水筒体的底端设置有伸缩式排水密封垫，所述伸缩式排水密封垫包括可折叠橡胶圈和柔性衬套裙，所述可折叠橡胶圈的一端与所述外层排水筒体的底端密封连接，所述可折叠橡胶圈的另一端与所述柔性衬套裙密封连接，所述外层排水筒体用于通过所述柔性衬套裙与所述待施工工件密封对接。

5.根据权利要求2～4任意一项所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，所述超声波发生器包括超声波换能器和与所述超声波换能器连接的超声波变幅杆；所述超声波换能器通过第一调节机构与所述激光输出通道的外壁连接，其中，所述第一调节机构包括：

第一导轨，所述第一导轨设置于所述激光输出通道的外壁，所述第一导轨上设置有第一纵向滑槽，所述第一纵向滑槽由所述激光输出通道的一端向另一端延伸；

第一滑块，所述第一滑块与所述第一纵向滑槽滑动配合，并通过锁紧螺栓与所述第一纵向滑槽固定连接；所述第一滑块上设置有第一横向滑槽，所述第一横向滑槽垂直于所述激光输出通道的轴向布置；

第一卡环，所述第一卡环卡套于所述超声波换能器的外圈，所述第一卡环上设置有第一连接片，所述第一连接片与所述第一横向滑槽滑动转动配合，并通过锁紧螺栓与所述第一横向滑槽固定连接。

6.根据权利要求5所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，所述的电弧发生器包括电弧焊枪、设置于所述电弧焊枪上的导电嘴以及设置于所述导电嘴上的钨极；所述电弧焊枪通过第二调节机构与所述激光输出通道的外壁连接，其中，所述第二调节机构包括：

第二导轨，所述第二导轨设置于所述激光输出通道的外壁，并与所述第一导轨对称布置；所述第二导轨上设置有第二纵向滑槽，所述第二纵向滑槽由所述激光输出通道的一端向另一端延伸；

第二滑块，所述第二滑块与所述第二纵向滑槽滑动配合，并通过锁紧螺栓与所述第二纵向滑槽固定连接；所述第二滑块上设置有第二横向滑槽，所述第二横向滑槽垂直于所述激光输出通道的轴向布置；

第二卡环，所述第二卡环卡套于所述电弧焊枪的外圈，所述第二卡环上设置有第二连接片，所述第二连接片与所述第二横向滑槽滑动转动配合，并通过锁紧螺栓与所述第二横向滑槽固定连接。

7.根据权利要求1～4任意一项所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，所述外壳体为圆柱形外壳体，所述圆柱形外壳体通过角度控制装置安装于所述外层排水筒体上；所述圆柱形外壳体的中部为实心体，所述丝材导引管道和所述粉末导引管道均沿所述圆柱形外壳体的轴向开设于所述实心体上，其中，所述丝材导引管道设置1根，并与所述圆柱形外壳体同轴布置，所述丝材导引管道的顶端延伸至所述实心体外，所述粉末导引管道沿所述丝材导引管道的外周均匀设置至少4根；所述圆柱形外壳体的底端为锥形材料汇合腔，所述丝材导引管道和所述粉末导引管道均与所述锥形材料汇合腔连通。

8.根据权利要求2～4任意一项所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，所述激光输出通道为锥形激光输出通道，所述锥形激光输出通道的大头端与所述圆盘形连接器密封连接，小头端密封安装有下玻璃片。

9.根据权利要求1～4任意一项所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，还包括在线检测装置，用于在增材过程中对所述待施工工件进行实时在线检测；所述在线检测装置包括光纤探头，所述光纤探头安装在所述内层排水筒体上，并通过数据传输光纤与外部计算机通讯连接。

10.根据权利要求1～4任意一项所述的超声辅助的水下激光电弧复合增材设备，其特征在于，还包括设备转移机构，所述设备转移机构与所述排水装置法兰盘或所述外层排水筒体相连，用于转移所述超声辅助的水下激光电弧复合增材设备。