CN116372368A - 用于海洋工程设备的水下激光焊接装置及焊接修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下激光焊接技术领域，具体涉及一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置及焊接修复方法。该水下激光焊接装置包括激光头、密封箱、送丝机构、排水机构和吸附装置。排水机构的一端安装在密封箱的底部，排水机构的挡边在修复部位的上方围绕形成激光焊接区域，通孔正对于激光焊接区域。排水机构的侧壁上设置有用于通入气体的进气口，以及用于排出水体的出水口。吸附装置位于激光头的发射端与通孔之间，吸附装置包括调节杆和用于吸附激光焊接产生的飞溅烟尘的吸附单元。该水下激光焊接装置通过沿着激光头的轴向逐级布设的吸附单元，对水下激光焊接产生的飞溅烟尘形成有效吸附，提高了对激光头的防护性，提升了水下焊接的修复作业效果。
Description
技术领域
本发明涉及水下激光焊接技术领域，具体涉及一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置及焊接修复方法。
背景技术
当海洋工程设备的水下部分出现损坏，无法将其快速转移至修理坞时，需要实施临时检修。例如，船舶的底板出现轻微裂缝或者磨损，检修人员通常采用水下焊接的方式对其进行修补。目前，常用的修复技术有水下电弧焊接和水下激光束焊接。
其中，水下电弧焊接包括干法焊接、湿法焊接和局部干法焊接三种方式。干法焊接是采用大型气室罩住焊件、焊工在气室内施焊的方法，气室内使用惰性或半惰性气体，干法焊接时，焊工应穿戴特制防火、耐高温的防护服。湿法焊接是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。局部干法焊接是焊工在水中施焊，人为地将焊接区周围的水排开的水下焊接方法，其安全措施与湿法相似。
由于，水下环境会影响电弧的稳定性，因此，水下电弧焊接的方式在海洋工程设备水下修复的过程中，焊接效果不稳定，修复效果难以达到预期。
激光束焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种焊接技术，在水下环境中具有出色的焊接稳定性。例如，中国专利文献CN112355472A中公开了一种多功能水下焊接激光头。该水下焊接激光头通过设置防水密封罩，解决了激光的防水和耐压问题，使得激光可以在水环境下作业，通过设置斜切式进气口，实现防水密封罩内部气体的层流状运动，将焊接或增材制造位置处的水排出并进行有效的防氧化保护，焊接效果较好。
然而，上述多功能水下焊接激光头在实际使用过程中，在焊接处会产生大量飞溅烟尘，无法从焊接工作区域内及时排出。大量的飞溅烟尘会缩短激光头保护镜的使用寿命，影响了焊接效果，存在损害激光头的风险。
综上所述，在海洋工程设备水下检修的过程中，如何设计一种水下焊接设备，用以实现对飞溅烟尘的拦截吸附，提高对激光头的防护性，提升水下焊接的修复作业效果，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，为海洋工程设备在水下检修的过程中，提供一种水下焊接设备，用以实现对飞溅烟尘的拦截吸附，提高对激光头的防护性，提升水下焊接的修复作业效果。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：提出一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，包括激光头、密封箱、送丝机构、排水机构和吸附装置；
所述密封箱的内部具有容纳激光头的发射端的空腔，所述空腔的底部设置有用于激光束射出的通孔；
所述排水机构笼罩在通孔的外侧，所述排水机构的一端安装在密封箱的底部，所述排水机构的另一端设置有用于贴合修复部位的挡边，所述排水机构的侧壁上设置有用于通入气体的进气口，以及用于排出水体的出水口；
所述挡边在修复部位的上方围绕形成激光焊接区域，所述通孔正对于激光焊接区域；
所述送丝机构用于向修复部位输送焊丝，所述焊丝从挡边处进入激光焊接区域；
所述吸附装置位于激光头的发射端与通孔之间，所述吸附装置包括调节杆和用于吸附激光焊接产生的飞溅烟尘的吸附单元；
所述调节杆在密封箱内平行于激光头的轴线布设，所述吸附单元套设在调节杆上，所述吸附单元上设置有用于激光束穿过的透光孔，多组吸附单元沿着调节杆的轴向排布。
作为优选，吸附单元包括隔片和石棉吸附垫，隔片套设在调节杆上，石棉吸附垫贴附在隔片的底部，透光孔贯穿隔片和石棉吸附垫。如此设置，石棉吸附垫用于吸附飞溅的烟尘，隔片用于带动石棉吸附垫沿着调节杆的轴向调节整个吸附单元的位置，便于对激光焊接产生的飞溅烟尘形成有效的吸附，进一步提升了吸附装置对激光头的防护性能。
作为优选，隔片通过顶丝结构安装在调节杆上。如此设置，顶丝结构用于将隔片锁紧在调节杆上，通过拧动顶丝结构，便于实现隔片相对于激光头位置的调整，大大降低了调整吸附装置的难度，进而有利于实现对飞溅烟尘的拦截吸附。
作为优选，多组吸附单元上的透光孔的孔径沿着激光束射出的方向不断减小。如此设置，孔径逐级减小的透光孔一方面有利于激光束顺利达到待修复部位，避免了吸附单元对激光束产生干涉；另一方面，激光焊接产生的烟尘通过透光孔，逐级被吸附单元吸附，进一步提升了吸附装置对激光头的防护性能。
作为优选，密封箱的侧壁上设置有盖板，盖板与密封箱之间设置有密封结构。如此设置，盖板用于开合密封箱，有利于降低调节吸附单元的难度，进而提高了水下激光焊接装置的布设效率，密封结构用于保证密封箱在盖板处的密封性能。
作为优选，出水口处连接有气体回收管。如此设置，气体回收管用于对排气结构排出的惰性气体实现回收，有利于提高惰性气体的利用率，便于实现惰性气体的循环利用，降低了水下激光焊接的焊接成本。
作为优选，排水机构的进气口用于通入惰性气体。如此设置，惰性气体一方面用于将密封箱内的水体排出，另一方面充当了激光焊接的环境介质，有利于保证焊接效果。
作为优选，密封箱的空腔内设置有吹气管，吹气管布设于激光头与吸附装置之间。如此设置，吹气管用于向激光头的下方吹扫，有利于降低烟尘向着激光头蔓延的速率，进而提升了吸附装置对烟尘的吸附效果。
本发明还提出一种使用上述用于海洋工程设备的水下激光焊接装置的焊接修复方法，包括如下步骤：
加工定位阶段，将排水机构的挡板贴合在海洋工程设备的待修复部位，调节水下激光焊接装置的位置，确定激光焊接区域；
排水阶段，向排水机构的进气口通入惰性气体，保证密封箱内的气压大于待修复部位所处水下深度处的压力，密封箱内的水体不断通过排水机构排出，使得激光焊接区域形成局部干区；
激光焊接阶段，启动激光头和送丝机构，送丝机构向激光焊接区域输送焊丝，激光束为位于激光焊接区域的焊丝提供热源，逐步对待修复部位完成激光焊接修复，位于密封箱内的吸附装置对激光焊接产生的飞溅烟尘形成吸附。
作为优选，排水阶段前还包括调节吸附装置的步骤，根据激光束的锥度，调整多组吸附单元的固定位置。
本发明提供的一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置及焊接修复方法与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：
1、该用于海洋工程设备的水下激光焊接装置利用排水机构底部的挡边贴合在修复部位形成激光焊接区域，气体经排水机构的进气孔进入密封箱内，并将激光焊接区域的水体排出，为水下激光焊接过程中，提供了局部干区，进而提高了水下激光焊接的修复作业效果；
2、该用于海洋工程设备的水下激光焊接装置在激光头与密封箱之间设置吸附装置，吸附装置通过沿着激光头的轴向逐级布设的吸附单元，对水下激光焊接产生的飞溅烟尘形成有效吸附，实现了在水下激光焊接过程中对飞溅烟尘的拦截吸附，提高了对激光头的防护性，提升了水下焊接的修复作业效果。
附图说明
图1是本发明实施例中一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置的立体结构示意图；
图2是本发明实施例中一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置的内部结构示意图；
图3是图2中A处的局部放大示意图；
图4是本发明实施例中一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置在水箱中对工件实施水下焊接的使用状态参考图。
附图标记：1、激光头；2、密封箱；3、送丝机构；4、排水机构；5、吸附装置；6、挡边；7、水箱；8、工件；9、输气装置；10、焊丝；11、盖板；41、进气口；42、出水口；51、调节杆；52、吸附单元；53、透光孔；521、隔片；522、石棉吸附垫。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
如图1-所示，本发明实施例中提出了一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，旨在实现对飞溅烟尘的拦截吸附，提高对激光头的防护性，提升水下焊接的修复作业效果。
本发明实施例中提出的一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置在激光头与密封箱之间设置吸附装置，吸附装置通过沿着激光头的轴向逐级布设的吸附单元，对水下激光焊接产生的飞溅烟尘形成有效吸附，实现了在水下激光焊接过程中对飞溅烟尘的拦截吸附，提高了对激光头的防护性，提升了水下焊接的修复作业效果。
用于海洋工程设备的水下激光焊接装置]
如图1结合图4所示，一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置包括激光头1、密封箱2、送丝机构3、排水机构4和吸附装置5。
如图2所示，密封箱2的内部具有容纳激光头1的发射端的空腔。空腔的底部设置有用于激光束射出的通孔。
排水机构4笼罩在通孔的外侧。排水机构4的一端安装在密封箱2的底部。排水机构4的另一端设置有用于贴合修复部位的挡边6。排水机构4的侧壁上设置有用于通入气体的进气口41，以及用于排出水体的出水口42。
其中，排水机构4的进气口41用于通入惰性气体。如此设置，惰性气体一方面用于将密封箱2内的水体排出，另一方面充当了激光焊接的环境介质，有利于保证焊接效果。
挡边6在修复部位的上方围绕形成激光焊接区域，通孔正对于激光焊接区域。
如图4所示，送丝机构3用于向修复部位输送焊丝10。焊丝10从挡边6处进入激光焊接区域。
如图2结合图3所示，吸附装置5位于激光头1的发射端与通孔之间。吸附装置5包括调节杆51和用于吸附激光焊接产生的飞溅烟尘的吸附单元52。
如图3所示，调节杆51在密封箱2内平行于激光头1的轴线布设。吸附单元52套设在调节杆51上。吸附单元52上设置有用于激光束穿过的透光孔53。多组吸附单元52沿着调节杆51的轴向排布。
如图3所示，吸附单元52包括隔片521和石棉吸附垫522。隔片521套设在调节杆51上，石棉吸附垫522贴附在隔片521的底部。透光孔53贯穿隔片521和石棉吸附垫522。
如此设置，石棉吸附垫522用于吸附飞溅的烟尘，隔片521用于带动石棉吸附垫522沿着调节杆51的轴向调节整个吸附单元52的位置，便于对激光焊接产生的飞溅烟尘形成有效的吸附，进一步提升了吸附装置5对激光头1的防护性能。其中，石棉材料有较好的耐高温性及吸附焊渣的功能，有利于保证对烟尘实施有效吸附。
如图3所示，多组吸附单元52上的透光孔53的孔径沿着激光束射出的方向不断减小。如此设置，孔径逐级减小的透光孔53一方面有利于激光束顺利达到待修复部位，避免了吸附单元52对激光束产生干涉；另一方面，激光焊接产生的烟尘通过透光孔53，逐级被吸附单元52吸附，进一步提升了吸附装置5对激光头1的防护性能。
例如，4组吸附单元52沿着激光头1的轴向呈等间距排布。4组吸附单元52中的透光孔53的孔径沿着激光束射出的方向不断减小。如此一来，在最低端飞溅及烟尘最大的地方是最小的孔径，最小孔径可有效隔绝大部分飞溅及烟尘，剩余少量烟尘通过第一透光孔后进入第二层。由于烟尘是飘散的形态，所以在第二层会飘动时会被第二层隔片再吸附一部分烟尘，依次类推，最终到达激光头1部分的烟尘就非常少了，从而起到延长激光头保护镜及激光头的使用寿命的目的。
如图1所示，密封箱2的侧壁上设置有盖板11，盖板11与密封箱2之间设置有密封结构。如此设置，盖板11用于开合密封箱2，有利于降低调节吸附单元52的难度，进而提高了水下激光焊接装置的布设效率。密封结构用于保证密封箱2在盖板11处的密封性能。例如，密封结构包括密封槽，密封槽位于密封箱2的开口边沿上，密封槽内嵌入有密封条，通过压紧盖板11对密封箱2形成密封效果。
为了进一步降低吸附装置5的调节难度，隔片521通过顶丝结构安装在调节杆51上。如此设置，顶丝结构用于将隔片521锁紧在调节杆51上，通过拧动顶丝结构，便于实现隔片521相对于激光头1位置的调整，大大降低了调整吸附装置5的难度，进而有利于实现对飞溅烟尘的拦截吸附。
为了进一步提升对烟尘的吸附效果，密封箱2的空腔内设置有吹气管，吹气管布设于激光头1与吸附装置5之间。如此设置，吹气管用于向激光头1的下方吹扫，有利于降低烟尘向着激光头1蔓延的速率，进而提升了吸附装置5对烟尘的吸附效果。
为了进一步提高对惰性气体的利用率，出水口42处连接有气体回收管。如此设置，气体回收管用于对排气结构排出的惰性气体实现回收，有利于提高惰性气体的利用率，便于实现惰性气体的循环利用，降低了水下激光焊接的焊接成本。
本发明实施例中提出的一种用于海洋设备的水下激光焊接装置使用时，利用排水机构4底部的挡边6贴合在修复部位形成激光焊接区域，气体经排水机构4的进气孔进入密封箱2内，并将激光焊接区域的水体排出，为水下激光焊接过程中，提供了局部干区，进而提高了水下激光焊接的修复作业效果。并且，在激光头1与密封箱2之间设置吸附装置5，吸附装置5通过沿着激光头1的轴向逐级布设的吸附单元52，对水下激光焊接产生的飞溅烟尘形成有效吸附，实现了在水下激光焊接过程中对飞溅烟尘的拦截吸附，提高了对激光头1的防护性，提升了水下焊接的修复作业效果。
水箱中模拟水下焊接修复方法]
本发明实施例中还提出一种使用上述用于海洋工程设备的水下激光焊接装置的焊接修复方法，如图4所示，利用该用于海洋工程设备的水下激光焊接装置在水箱7中模拟对海洋工程设备的裂缝处实施激光焊接修复作业。水箱7的底部设置有工件8，工件8用于模拟待修复部位。水箱7内灌满海水用于模拟海洋环境。同时，利用输气装置9通过管路（图中未示出）向排水机构4输送惰性气体，例如，输气装置9通过管路向排水机构4输送氩气。送丝机构3向激光焊接区域输送焊丝10。
本发明实施例中提出的一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置使用时，包括如下步骤：
加工定位阶段，将排水机构4的挡板贴合在海洋工程设备的待修复部位，调节水下激光焊接装置的位置，确定激光焊接区域。
排水阶段，向排水机构4的进气口41通入惰性气体，保证密封箱2内的气压大于待修复部位所处水下深度处的压力，密封箱2内的水体不断通过排水机构4排出，使得激光焊接区域形成局部干区。
激光焊接阶段，启动激光头1和送丝机构3，送丝机构3向激光焊接区域输送焊丝10，激光束为位于激光焊接区域的焊丝10提供热源，逐步对待修复部位完成激光焊接修复，位于密封箱2内的吸附装置5对激光焊接产生的飞溅烟尘形成吸附。
其中，排水阶段前还包括调节吸附装置5的步骤，根据激光束的锥度，调整多组吸附单元52的固定位置。例如，根据光斑大小做出对应其光斑大小的隔片以及石棉吸附片。不同规格的隔片安装在调节杆上，隔片可根据光斑大小，调节隔片的位置使之在不干涉激光的情况下尽可能贴近激光。
本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，包括激光头（1）、密封箱（2）、送丝机构（3）、排水机构（4）和吸附装置（5）；
所述密封箱（2）的内部具有容纳激光头（1）的发射端的空腔，所述空腔的底部设置有用于激光束射出的通孔；
所述排水机构（4）笼罩在通孔的外侧，所述排水机构（4）的一端安装在密封箱（2）的底部，所述排水机构（4）的另一端设置有用于贴合修复部位的挡边（6），所述排水机构（4）的侧壁上设置有用于通入气体的进气口（41），以及用于排出水体的出水口（42）；
所述挡边（6）在修复部位的上方围绕形成激光焊接区域，所述通孔正对于激光焊接区域；
所述送丝机构（3）用于向修复部位输送焊丝（10），所述焊丝（10）从挡边（6）处进入激光焊接区域；
所述吸附装置（5）位于激光头（1）的发射端与通孔之间，所述吸附装置（5）包括调节杆（51）和用于吸附激光焊接产生的飞溅烟尘的吸附单元（52）；
所述调节杆（51）在密封箱（2）内平行于激光头（1）的轴线布设，所述吸附单元（52）套设在调节杆（51）上，所述吸附单元（52）上设置有用于激光束穿过的透光孔（53），多组吸附单元（52）沿着调节杆（51）的轴向排布。
2.根据权利要求1所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，所述吸附单元（52）包括隔片（521）和石棉吸附垫（522），所述隔片（521）套设在调节杆（51）上，所述石棉吸附垫（522）贴附在隔片（521）的底部，所述透光孔（53）贯穿隔片（521）和石棉吸附垫（522）。
3.根据权利要求2所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，所述隔片（521）通过顶丝结构安装在调节杆（51）上。
4.根据权利要求1所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，多组吸附单元（52）上的透光孔（53）的孔径沿着激光束射出的方向不断减小。
5.根据权利要求1所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，所述密封箱（2）的侧壁上设置有盖板（11），所述盖板（11）与密封箱（2）之间设置有密封结构。
6.根据权利要求1所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，所述出水口（42）处连接有气体回收管。
7.根据权利要求1所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，所述排水机构（4）的进气口（41）用于通入惰性气体。
8.根据权利要求1所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置，其特征在于，所述密封箱（2）的空腔内设置有吹气管，所述吹气管布设于激光头（1）与吸附装置（5）之间。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置的焊接修复方法，其特征在于，包括：
加工定位阶段，将排水机构（4）的挡板贴合在海洋工程设备的待修复部位，调节水下激光焊接装置的位置，确定激光焊接区域；
排水阶段，向排水机构（4）的进气口（41）通入惰性气体，保证密封箱（2）内的气压大于待修复部位所处水下深度处的压力，密封箱（2）内的水体不断通过排水机构（4）排出，使得激光焊接区域形成局部干区；
激光焊接阶段，启动激光头（1）和送丝机构（3），送丝机构（3）向激光焊接区域输送焊丝（10），激光束为位于激光焊接区域的焊丝（10）提供热源，逐步对待修复部位完成激光焊接修复，位于密封箱（2）内的吸附装置（5）对激光焊接产生的飞溅烟尘形成吸附。
10.根据权利要求9所述的用于海洋工程设备的水下激光焊接装置的焊接修复方法，其特征在于，所述排水阶段前还包括调节吸附装置（5）的步骤，根据激光束的锥度，调整多组吸附单元（52）的固定位置。
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