CN115555692A - 一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，包括移动平台、操作手和巨型排水罩；巨型排水罩包括硬质罩体和软体吸盘；软体吸盘设置在硬质罩体的开口边沿上；操作手搭载在移动平台中；巨型排水罩罩设在移动平台上，硬质罩体通过升降模块与移动平台连接以实现巨型排水罩升降，从而使软体吸盘紧贴焊接区域表面，使得巨型排水罩内部与外界水环境分隔；软体吸盘升高而与焊接区域表面分离；硬质罩体与外部供气装置连接；硬质罩体上布设有若干单向排水阀，以实现将巨型排水罩内部的水向外排出。该焊接修改装置内部腔体相对干燥，修复过程不会受到水下环境的干扰，有利于保证电弧的稳定燃烧，焊缝成形质量高。

Description

一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置

技术领域

本发明涉及水下焊接修复技术领域，更具体地说，涉及一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置。

背景技术

近些年来，随着我国对海洋事业的大力发展，海上钻井平台、海上风电平台、水下油气管线、海上舰船以及强核辐射核电站等重大工程不断增加，这些大型涉水装备面临着巨大的建造、维护以及抢修需求。由于熔化极惰性气体保护焊具备焊接效率高、焊缝成形优质以及装置操作灵活等优势，已广泛应用于水下焊接领域。

水下焊接方法主要有湿法水下、干法水下以及局部干法水下焊接。水下湿法装置灵活简单，但焊缝成形质量较差；干法焊接的设备较为复杂，施工难度大且成本高，适用范围有限；局部干法采用微型排水罩将待焊微区域内的水排干，达到局部干燥的环境，可以获得近似干法的焊接环境，焊缝质量高。然而海工装备受到破损时，往往存在着损伤区域面积大、表面结构较为复杂的问题；对于大型水下结构物的修复而言，表面存在较大的不平整度，且带有一定的曲率；局部干法焊接过程中，排水罩难以贴合在不平整、有曲率的表面，这会导致在焊接过程中排水罩内部进入大量的水而使焊接电弧熄灭；因此局部干法在上述应用场合下并不适用，极大地限制了该装置在海工装备上的广泛应用。此外，由于损伤区域位置的随机性，还需要满足复杂的焊接需求如立焊以及仰焊等位置焊接。传统的焊接装置无法满足海工装备在役修复需求，因此迫切需要一种全新的水下全位置焊接原位修复装置。

发明内容

为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置；该焊接修改装置内部腔体相对干燥，修复过程不会受到水下环境的干扰，有利于保证电弧的稳定燃烧，焊缝成形质量高，可满足水下带一定曲率、修复面积大的海工装备原位修复需求。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：包括：

用于采用磁吸附方式在水下移动的移动平台；

用于进行包括焊接的施工操作的操作手；

以及用于罩设在焊接区域的巨型排水罩；

所述巨型排水罩包括硬质罩体和软体吸盘；软体吸盘设置在硬质罩体的开口边沿上；所述操作手搭载在移动平台中；所述巨型排水罩罩设在移动平台上，硬质罩体通过升降模块与移动平台连接以实现巨型排水罩升降，从而使软体吸盘随着巨型排水罩降落逐步紧贴焊接区域表面，使得巨型排水罩内部与外界水环境分隔；并且软体吸盘随着巨型排水罩升高而与焊接区域表面分离；

所述硬质罩体与外部供气装置连接，以实现保护气体或排水气体输入；硬质罩体上布设有若干单向排水阀，以实现将巨型排水罩内部的水向外排出。

本发明焊接修复装置的工作原理是：焊接修复装置整体通过磁吸附方式吸附在待修复装备表面，并移动到焊接区域；升降模块驱动巨型排水罩贴紧焊接区域表面，软体吸盘表面附着水分，随着巨型排水罩贴紧焊接区域表面时，软体吸盘与焊接区域表面通过负压紧贴在一起，使得巨型排水罩内部与外界水环境分隔；外部供气装置向巨型排水罩内部充入高压气体，将巨型排水罩内部的水排干，实现巨型排水罩内部环境完全干燥，保证了焊接区域的气相空间与电弧燃烧的稳定；操作手对焊接区域进行焊接等施工；施工完成后，升降模块将巨型排水罩提升，使巨型排水罩与已焊接区域表面分离；焊接修复装置离开焊接区域，回收整套装置。

本发明焊接修复装置可使得整个装置内部腔体相对干燥，达到了类似于完全干法焊接的焊接环境；相较于现有采用微型排水罩营造焊接微区域干燥环境的局部干法焊接，完全干法水下焊接过程完全不会受到水下环境的干扰，保证电弧的稳定燃烧，焊缝成形质量高。本发明焊接修复装置采用下端为软体吸盘的巨型排水罩来贴合焊接区域表面，可满足水下带一定曲率、修复面积大的海工装备原位修复需求。

此外，本发明的巨型排水罩可以实现仅采用一次强排水就可以完成大面积区域所有的电弧修复任务，修复过程中几乎不会受到水的强冷影响。

优选的，所述硬质罩体的底面和侧面均设置有所述单向排水阀；每个单向排水阀均包括阀体外壳；阀体外壳设有两端分别开口的阀体腔；阀体腔中部设有阀体安装平台，使阀体腔分为远离硬质罩体内部的远端腔体和靠近硬质罩体内部的近端腔体；所述近端腔体与远端腔体连通；近端腔体中设有重力块；重力块通过弹性元件与阀体安装平台连接，以挡设于阀体腔靠近硬质罩体内部的开口；重力块可通过重力块重力作用推动弹性元件，以实现阀体腔靠近硬质罩体内部的开口打开；远端腔体设有单向止水结构。

单向排水阀采用重力块对开口进行开关，在立焊或仰焊时，只有沿重力方向上位置最低的一批单向排水阀，重力块通过自身重力作用克服弹性元件的推力而打开开口，其余单向排水阀的重力块重量所产生的重力作用不能克服弹性元件的推力而持续挡设在开口上使单向排水阀关闭。这样做的好处是，高效控制了单向排水阀，使得巨型排水罩内部的水和气体朝一个方向排出，不存在气体向其他位置排出而影响排水效果。重力块受到重力后会一直打开，焊接过程中保护气体，仍然可以从这些单向排水阀排出，避免内部压强过大导致巨型排水罩与焊接区域表面分离。

单向排水阀开口打开后，外部供气装置向巨型排水罩内部充入高压气体，单向止水结构只允许从内侧出气/出水，不允许从外界进入。

优选的，所述阀体外壳包括靠近硬质罩体内部的近端壳体和远离硬质罩体内部的远端壳体；所述近端腔体位于近端壳体中，所述远端腔体位于远端壳体中；所述近端壳体中设有内层筒体，使近端腔体分隔成内外布设的导向腔和排水腔；重力块通过所述弹性元件可滑动地设置在导向腔中；所述排水腔与远端腔体连通。

优选的，所述单向止水结构包括设置在远端腔体中、可开合的单向止水片，以及设置在远端腔体中的挡球，挡球位于单向止水片靠近近端腔体的一侧，使单向止水片只可朝向外侧单向打开。

优选的，所述重力块的重量所产生的重力远大于重力块水下所受浮力。

优选的，所述硬质罩体与软体吸盘之间可拆装连接，且硬质罩体与软体吸盘的连接处采用密封结构。硬质罩体与软体吸盘之间可拆装连接，可以适应更加复杂的焊接区域表面，可以更换不同尺寸与材料的软体吸盘。

优选的，所述硬质罩体上设有线缆通道；线缆通道中设有用于供电和传输信号的电源线缆、用于输送排水气体或保护气体的气体管和用于导入焊丝的焊丝导管。

优选的，所述移动平台包括车体和用于带动车体移动的磁吸附轮；磁吸附轮通过水密电机驱动；所述车体设有开口向下的施工腔体；所述操作手设置在施工腔体中。本发明采用磁吸附方式吸附在焊接区域表面上，在焊接过程中装置整体与待修复结构始终保持固定连接，实现水下大型结构物的原位在役水下修复，极大地提高修复效率。

优选的，所述操作手包括施工模组和用于将施工模组进行X轴、Y轴、Z轴移动的三坐标移动模组。

优选的，所述施工模块包括旋转刀盘、焊枪和辅助器件；旋转刀盘可转动地设置在三坐标移动模组的末端；焊枪和辅助器件分别设置在旋转刀盘下方。旋转刀盘可实现焊枪与辅助器件的切换使用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明焊接修复装置，采用高压气体通入巨型排水罩，可使得整个装置内部腔体相对干燥，达到了类似于完全干法焊接的焊接环境，修复过程不会受到水下环境的干扰，保证电弧的稳定燃烧，焊缝成形质量高；可以实现仅采用一次强排水就可以完成大面积区域所有的电弧修复任务，修复过程中几乎不会受到水的强冷影响；

2、本发明焊接修复装置，巨型排水罩上分布着多个重力开关式单向排水阀，无论是立焊还是仰焊，位于底部的单向排水阀重力块受到重力作用会打开开口，保证了其他位置的单向排水阀在排水/排气时处于关闭状态，使得巨型排水罩内部的水和气体朝一个方向排出，排水/排气路径可控，排水效果好；

3、本发明焊接修复装置，软体吸盘表面附着水分，随着巨型排水罩贴紧焊接区域表面时，软体吸盘与焊接区域表面通过负压紧贴在一起，使得巨型排水罩内部与外界水环境分隔；焊接结束后软体吸盘提升与已焊接区域表面分离；采用软体吸盘来贴合焊接区域表面，可满足水下带一定曲率、修复面积大的海工装备原位修复需求；

4、本发明焊接修复装置采用磁吸附方式吸附在焊接区域表面上，在焊接过程中装置整体与待修复结构始终保持固定连接，实现水下大型结构物的原位在役水下修复，极大地提高修复效率；

5、本发明焊接修复装置可满足海工装备在役修复时立焊、仰焊等焊接需求，具有较强的可适性。

附图说明

图1是本发明焊接修复装置的结构示意图；

图2是本发明焊接修复装置在巨型排水罩提升状态下的结构示意图；

图3是图2中A-A的剖面图；

图4是本发明焊接修复装置在巨型排水罩下降状态下的剖面图；

图5是本发明焊接修复装置中单向排水阀的结构示意图；

图6是本发明焊接修复装置中单向排水阀的剖面图；

图7(a)至图7(c)分别是本发明焊接修复装置中单向排水阀的不同状态示意图；

图8是本发明焊接修复装置中移动平台和操作手的结构示意图；

图9是本发明焊接修复装置中操作手的结构示意图；

其中，1为磁吸附轮、2为软体吸盘、3为单向排水阀、3.1为近端壳体、3.2为远端壳体、3.3为内层筒体、3.4为重力块、3.5为排水腔、3.6为弹性元件、3.7为远端腔体、3.8为挡球、3.9为单向止水片、4为硬质罩体、5为线缆通道、6为升降模块、7为车体、8为三坐标移动模组、9为施工模块、9.1为旋转刀盘、9.2为焊枪、9.3为辅助器件。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1至图9所示，本实施例一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，包括移动平台、操作手和巨型排水罩；移动平台用于采用磁吸附方式在水下移动；操作手用于进行包括焊接的施工操作；巨型排水罩用于罩设在焊接区域。

巨型排水罩包括硬质罩体4和软体吸盘2；软体吸盘2设置在硬质罩体4的开口边沿上；硬质罩体4与软体吸盘2之间可拆装连接，例如采用螺栓固定；以适应更加复杂的焊接区域表面，可以更换不同尺寸与材料的软体吸盘。

并且硬质罩体4与软体吸盘2的连接处采用密封结构。

巨型排水罩罩设在移动平台上，硬质罩体4通过升降模块6与移动平台连接以实现巨型排水罩升降，从而使软体吸盘2随着巨型排水罩降落逐步紧贴焊接区域表面，使得巨型排水罩内部与外界水环境分隔；并且软体吸盘2随着巨型排水罩升高而与焊接区域表面分离；硬质罩体4与外部供气装置连接，以实现保护气体或排水气体输入；硬质罩体4上布设有若干单向排水阀3，以实现将巨型排水罩内部的水向外排出。

本发明焊接修复装置的工作原理是：焊接修复装置整体通过磁吸附方式吸附在待修复装备表面，并移动到焊接区域；升降模块6驱动巨型排水罩贴紧焊接区域表面，软体吸盘2通过压力吸附于焊接区域表面，使得巨型排水罩内部与外界水环境分隔；外部供气装置向巨型排水罩内部充入高压气体，将巨型排水罩内部的水排干，实现巨型排水罩内部环境完全干燥，保证了焊接区域的气相空间与电弧燃烧的稳定；操作手对焊接区域进行焊接等施工；施工完成后，升降模块6将巨型排水罩提升，使巨型排水罩与已焊接区域表面分离；焊接修复装置离开焊接区域，回收整套装置。

硬质罩体4的底面和侧面均设置有单向排水阀3。单向排水阀3的数量为至少20个，每个面至少4个，可根据排水效率适当增加。

单向排水阀3包括阀体外壳；阀体外壳设有两端分别开口的阀体腔；阀体腔中部设有阀体安装平台，使阀体腔分为远离硬质罩体4内部的远端腔体和靠近硬质罩体4内部的近端腔体。

具体地说，阀体外壳包括靠近硬质罩体4内部的近端壳体3.1和远离硬质罩体4内部的远端壳体3.2；近端腔体位于近端壳体3.1中，远端腔体3.7位于远端壳体3.2中；近端壳体中设有内层筒体3.3，使近端腔体分隔成内外布设的导向腔和排水腔3.5；排水腔3.5与远端腔体3.7连通。重力块3.4通过弹性元件3.6与阀体安装平台连接，并通过弹性元件3.6可滑动地设置在导向腔中，以挡设于阀体腔靠近硬质罩体4内部的开口；重力块3.4可通过重力块3.4重力作用推动弹性元件3.6，以实现阀体腔靠近硬质罩体4内部的开口打开。

远端腔体3.7设有单向止水结构。具体地说，远端腔体3.7腔壁设有可开合的单向止水片3.9；远端腔体3.7腔壁还设有挡球3.8，挡球3.8位于单向止水片3.9靠近近端腔体的一侧，使单向止水片3.9只可朝向外侧单向打开。单向排水阀3开口打开后，外部供气装置向巨型排水罩内部充入高压气体，单向止水结构只允许从内侧出气/出水，而反方向则单向止水片3.9被挡球3.8压紧，使得水流无法向反方向流入。

单向排水阀3采用重力块3.4对开口进行开关，在立焊或仰焊时，只有沿重力方向上位置最低的一批单向排水阀3，重力块3.4通过自身重力作用克服弹性元件3.6的推力而打开开口，其余单向排水阀3的重力块3.4重量所产生的重力作用不能克服弹性元件3.6的推力而持续挡设在开口上使单向排水阀3关闭。

例如，大船的外板焊接修复中，一般需要立焊或仰焊；立焊是指焊接修复装置吸附在立面上进行的焊接；仰焊是指焊接修复装置倒置吸附在平面下方进行的焊接。立焊时，位于下方的侧面上的单向排水阀的状态如图7(a)所示，重力块3.4位于弹性元件3.6上方，重力块3.4通过自身重力作用克服弹性元件3.6的推力而打开开口；位于上方的侧面上的单向排水阀的状态如图7(b)所示，重力块3.4位于弹性元件3.6下方，重力块3.4受到重力后拉进弹性元件，抵设在开口上；其余侧面上的单向排水阀以及底面上的单向排水阀的状态如图7(c)所示，重力块3.4位于弹性元件3.6的一侧，只需要弹性元件3.6的推力大于工作位置的水下压强就可以保证单向排水阀关闭。同理，仰焊时，也只有沿重力方向上位置最低的一批单向排水阀3，即底面上的单向排水阀3被允许打开开口。

这样做的好处是，高效控制了单向排水阀，使得巨型排水罩内部的水和气体朝一个方向排出，不存在气体向其他位置排出而影响排水效果。

为避免其他位置的单向排水阀3打开，弹性元件3.6需要保持一定初始力，用于抵抗水下压强对重力块3.4的横向误开；重力块3.4的重量所产生的重力远大于重力块3.4水下所受浮力，保证底端的重力块正常工作。

重力块3.4受到重力后会一直打开，焊接过程中保护气体，仍然可以从这些单向排水阀3排出，避免内部压强过大导致巨型排水罩与焊接区域表面分离。

移动平台包括车体7和用于带动车体7移动的磁吸附轮1；磁吸附轮1通过轴用套筒与车体7实现动连接，通过两组独立控制的电机驱动磁吸附轮1实现整机前进、后退以及转弯的运动模式。电机优选采用水密电机。

车体7设有开口向下的施工腔体；操作手设置在施工腔体中。操作手包括施工模组和用于将施工模组进行X轴、Y轴、Z轴移动的三坐标移动模组8。施工模块9包括旋转刀盘9.1、焊枪9.2和辅助器件9.3；旋转刀盘9.1可转动地设置在三坐标移动模组8的末端，以实现旋转刀盘9.1的角度调节；焊枪9.2和辅助器件9.3分别设置在旋转刀盘9.1下方；旋转刀盘9.1可自身正转、反转60度(但不限于60度)，实现多种模式切换。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：包括：

用于采用磁吸附方式在水下移动的移动平台；

用于进行包括焊接的施工操作的操作手；

以及用于罩设在焊接区域的巨型排水罩；

所述巨型排水罩包括硬质罩体和软体吸盘；软体吸盘设置在硬质罩体的开口边沿上；所述操作手搭载在移动平台中；所述巨型排水罩罩设在移动平台上，硬质罩体通过升降模块与移动平台连接以实现巨型排水罩升降，从而使软体吸盘随着巨型排水罩降落逐步紧贴焊接区域表面，使得巨型排水罩内部与外界水环境分隔；并且软体吸盘随着巨型排水罩升高而与焊接区域表面分离；

所述硬质罩体与外部供气装置连接，以实现保护气体或排水气体输入；硬质罩体上布设有若干单向排水阀，以实现将巨型排水罩内部的水向外排出。

2.根据权利要求1所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述硬质罩体的底面和侧面均设置有所述单向排水阀；每个单向排水阀均包括阀体外壳；阀体外壳设有两端分别开口的阀体腔；阀体腔中部设有阀体安装平台，使阀体腔分为远离硬质罩体内部的远端腔体和靠近硬质罩体内部的近端腔体；所述近端腔体与远端腔体连通；近端腔体中设有重力块；重力块通过弹性元件与阀体安装平台连接，以挡设于阀体腔靠近硬质罩体内部的开口；重力块可通过重力块重力作用推动弹性元件，以实现阀体腔靠近硬质罩体内部的开口打开；远端腔体设有单向止水结构。

3.根据权利要求2所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述阀体外壳包括靠近硬质罩体内部的近端壳体和远离硬质罩体内部的远端壳体；所述近端腔体位于近端壳体中，所述远端腔体位于远端壳体中；所述近端壳体中设有内层筒体，使近端腔体分隔成内外布设的导向腔和排水腔；重力块通过所述弹性元件可滑动地设置在导向腔中；所述排水腔与远端腔体连通。

4.根据权利要求2所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述单向止水结构包括设置在远端腔体中、可开合的单向止水片，以及设置在远端腔体中的挡球，挡球位于单向止水片靠近近端腔体的一侧，使单向止水片只可朝向外侧单向打开。

5.根据权利要求2所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述重力块的重量所产生的重力远大于重力块水下所受浮力。

6.根据权利要求1所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述硬质罩体与软体吸盘之间可拆装连接，且硬质罩体与软体吸盘的连接处采用密封结构。

7.根据权利要求1所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述硬质罩体上设有线缆通道；线缆通道中设有用于供电和传输信号的电源线缆、用于输送排水气体或保护气体的气体管和用于导入焊丝的焊丝导管。

8.根据权利要求1所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述移动平台包括车体和用于带动车体移动的磁吸附轮；磁吸附轮通过水密电机驱动；所述车体设有开口向下的施工腔体；所述操作手设置在施工腔体中。

9.根据权利要求1所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述操作手包括施工模组和用于将施工模组进行X轴、Y轴、Z轴移动的三坐标移动模组。

10.根据权利要求9所述的磁吸附式多自由度水下原位焊接修复装置，其特征在于：所述施工模块包括旋转刀盘、焊枪和辅助器件；旋转刀盘可转动地设置在三坐标移动模组的末端；焊枪和辅助器件分别设置在旋转刀盘下方。

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