一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置及使用方法

1.本发明涉及水下焊接及增材修复技术领域，特别是涉及一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置及使用方法。


背景技术：

2.海洋工程结构长期遭受海水的冲击和腐蚀，极易发生结构开裂损伤进而导致重大的安全事故和经济损失。水下湿法电弧焊接及增材原位修复技术因其装备简单、修复效率高等优点被广泛应用于船舶等结构损伤部位的原位快速修复。然而水环境的高压、快冷、富氢氧的特点，严重影响湿法电弧焊接及增材过程的稳定性，进而导致湿法电弧焊接及增材原位修复结构的成形和性能大大降低。目前，现有的水下湿法焊接及增材修复技术仍依靠潜水焊工手持电弧焊条完成，作业效率低且结构质量稳定性难以保证，为了保证作业的安全，水域适应范围也存在极大限制。近年来，通过药芯焊丝的使用借助渣-气联合保护效果对水下湿法电弧焊接与修复过程进行保护是该领域未来的重点发展方向。同时，药芯焊丝的使用还可以提高修复效率和精度，实现修复过程和修复装备的自动化，突破更深及更加复杂的水深限制。但随之而来的是，药芯焊丝中的造渣剂导致的熔渣附着和散落于结构表面的金属飞溅往往难以去除，对修复装备的自动化形成极大挑战。这一影响在非横焊或立焊过程中更加明显。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置及使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，可在作业前后分别清理待修复位置表面附着物，并能够在作业时同步清除焊接及增材构件表面附着的熔渣和飞溅，改善焊缝成形和焊接接头质量。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置，包括复合焊炬、mig焊机、送丝机、焊接机器人和增压系统，所述焊接机器人与所述复合焊炬连接，所述复合焊炬与所述mig焊机连接，所述复合焊炬包括导电嘴、固定壁、排孔喷头和弧形喷头，所述导电嘴设置于所述固定壁围成的空间内，所述固定壁中部设有连接所述导电嘴的送丝通道，所述送丝通道与所述送丝机连接，所述固定壁底部两端内侧分别连接一个所述排孔喷头，外侧分别设置与各所述排孔喷头连通的进水孔，各所述进水孔与所述增压系统连接，各所述排孔喷头朝向作业区域，用于释放高压水束清除焊缝或增材结构表面的熔渣和焊接飞溅，所述固定壁底部另外两端分别连接一个所述弧形喷头，各所述弧形喷头分别与各所述进水孔连通，两端的所述弧形喷头分别位于所述导电嘴的两侧，分别用于释放高压水束对作业区域进行作业前预清理和作业后清理。
6.优选地，所述固定壁连接有所述排孔喷头的两端底部分别密封连接有活动壁，所述活动壁底部设有向外倾斜的线性喷口和向内倾斜的出水孔，所述线性喷口和所述出水孔通过所述活动壁和所述固定壁内相互连通的第一过水通道连通所述进水孔，所述出水孔中
连接有耐磨喷嘴。
7.优选地，所述固定壁底面与所述活动壁顶面之间设有密封垫，所述固定壁与所述活动壁通过螺栓固定连接在一起；所述弧形喷头的顶面与所述固定壁底面之间设有密封垫，所述弧形喷头的底部设有弧线性喷水口，所述弧线性喷水口通过所述弧形喷头和所述固定壁内相互连通的第二过水通道连通所述进水孔，所述弧形喷头与所述固定壁通过螺栓固定连接在一起。
8.优选地，还包括控制系统，所述mig焊机、所述送丝机、所述焊接机器人和所述增压系统均与所述控制系统连接。
9.优选地，所述固定壁、所述活动壁和所述排孔喷头的材质为铍青铜，所述弧形喷头的材质为不锈钢。
10.优选地，所述增压系统包括水泵和增压泵，所述水泵通过耐压水管连接所述增压泵，所述增压泵通过耐压水管连接两个所述进水孔，所述增压泵所产生的压强大于等于20mpa。
11.优选地，所述排孔喷头设有出水孔的表面倾斜朝下设置，并在所述导电嘴的运动方向上朝向所述导电嘴的后方；所述排孔喷头设有出水孔的表面与所述送丝通道的轴线和所述导电嘴的运动方向组成的平面的夹角为40
°
～70
°
，所述排孔喷头设有出水孔的表面与所述固定壁底端所在的平面的夹角为45
°
～75
°
。
12.优选地，所述弧形喷头和所述活动壁的下端均低于所述导电嘴下端所处平面15mm至20mm。
13.优选地，所述弧形喷头为凹陷式弧形喷头或凸起式弧形喷头。
14.一种以上所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置的使用方法，包括以下步骤：
15.(1)将所述复合焊炬、所述mig焊机、所述送丝机、所述焊接机器人和所述增压系统进行连接与调试；
16.(2)将所述送丝机内的药芯焊丝导入所述复合焊炬内，启动所述增压系统向所述复合焊炬内部通入高压水流，在所述焊接机器人的辅助作用下将所述复合焊炬放置于待修复部位上方，沿修复路径运动对待修复基体表面进行清理；
17.(3)根据作业条件调节焊接或增材修复参数及水流压力，将药芯焊丝引导至超出所述导电嘴底端并保留16mm伸长量后启动所述mig焊机，沿既定路径进行焊接或增材作业；
18.(4)作业结束后关闭所述mig焊机，所述复合焊炬继续运动至完全超出作业区域后关闭所述增压系统，完成作业。
19.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
20.本发明提供一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置及使用方法，通过在导电嘴的两侧分别设置弧形喷头，两侧的弧形喷头释放高压水流可在作业前后分别清理待修复位置表面附着物，在作业时，通过排孔喷头释放高压水束能够同步清除焊缝或增材结构表面的熔渣和焊接飞溅，获得均匀平整的表面，为下一道次的焊接或增材作业创造条件，从而得以改善焊缝成形和焊接接头质量。
附图说明
21.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。
22.图1为本发明提供的水下湿法电弧焊接或增材制造装置的结构示意图；
23.图2为本发明中复合焊炬的剖面示意图；
24.图3为图2中a-a剖面图；
25.图4为本发明复合焊炬中的弧形喷头为凹陷式弧形喷头时的结构示意图；
26.图5为本发明复合焊炬中的弧形喷头为凸起式弧形喷头时的结构示意图；
27.图中：1-复合焊炬、2-mig焊机、3-送丝机、4-焊接机器人、5-增压系统、6-导电嘴、7-固定壁、8-排孔喷头、9-弧形喷头、10-送丝通道、11-进水孔、12-活动壁、13-线性喷口、14-出水孔、15-第一过水通道、16-密封垫、17-控制系统、18-水泵、19-增压泵、20-药芯焊丝、21-弧线性喷水口、22-第二过水通道。
具体实施方式
28.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。
29.本发明的目的是提供一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置及使用方法，以解决现有技术存在的问题，可在作业前后分别清理待修复位置表面附着物，并能够在作业时同步清除焊接及增材构件表面附着的熔渣和飞溅，改善焊缝成形和焊接接头质量。
30.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。
31.如图1-图4所示，本实施例提供一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置，包括复合焊炬1、mig焊机2、送丝机3、焊接机器人4和增压系统5，焊接机器人4与复合焊炬1连接，复合焊炬1与mig焊机2连接，复合焊炬1包括导电嘴6、固定壁7、排孔喷头8和弧形喷头9，导电嘴6设置于固定壁7围成的空间内，固定壁7中部设有连接导电嘴6的送丝通道10，送丝通道10与送丝机3连接，固定壁7底部两端内侧分别连接一个排孔喷头8，外侧分别设置与各排孔喷头8连通的进水孔11，各进水孔11与增压系统5连接，各排孔喷头8朝向作业区域，用于释放高压水束清除焊缝或增材结构表面的熔渣和焊接飞溅，固定壁7底部另外两端分别连接一个弧形喷头9，各弧形喷头9分别与各进水孔11连通，两端的弧形喷头9分别位于导电嘴6的两侧，分别用于释放高压水流对作业区域进行作业前预清理和作业后清理。
32.本装置通过在导电嘴6的两侧分别设置弧形喷头9，两个弧形喷头9分别位于导电嘴6的前后两侧，两侧的弧形喷头9在增压系统5的作用下释放高压水流可在作业前后分别清理待修复位置表面附着物，在固定壁7底部两端内侧分别连接一个排孔喷头8，两个排孔喷头8分别位于导电嘴6的左右两侧，在作业时，排孔喷头8在增压系统5的作用下释放高压水束能够同步清除焊缝或增材结构表面的熔渣和焊接飞溅，获得均匀平整的表面，为下一道次的焊接或增材作业创造条件，从而得以改善焊缝成形和焊接接头质量。
33.本实施例中，固定壁7连接有排孔喷头8的两端底部分别密封连接有活动壁12，活
动壁12底部设有向外倾斜的线性喷口13和向内倾斜的出水孔14，线性喷口13和出水孔14通过活动壁12和固定壁7内相互连通的第一过水通道15连通进水孔11，出水孔14中连接有耐磨喷嘴。通过出水孔14及出水孔14内连接的耐磨喷嘴释放高压水束能够清理附着于基体表面的飞溅，通过线性喷口13则可以形成高流速的水幕，可对待修复基体表面进行预清理。水幕形成后，固定壁7所围成的空腔内累计的多余气体将会在高压水流的作用下以微小气泡的形式被带离焊接区域，而不是以大尺寸气泡周期性上浮，减少了焊炬因内部浮力变化造成的周期性摆动，增强结构的稳定性。其中，排孔喷头8中的各出水孔中均连接一个耐磨喷嘴。
34.本实施例中，固定壁7底面与活动壁12顶面之间设有密封垫16，固定壁7与活动壁12通过螺栓固定连接在一起；弧形喷头9的顶面与固定壁7底面之间也设有密封垫16，弧形喷头9的底部设有弧线性喷水口21，弧线性喷水口21通过弧形喷头9和固定壁7内相互连通的第二过水通道22连通进水孔11，弧形喷头9与固定壁7通过螺栓固定连接在一起。通过密封垫16的设置保证固定壁7与活动壁12和弧形喷头9的连接气密性，通过螺栓连接固定壁7与活动壁12和弧形喷头9，连接方便快捷。
35.本实施例中，还包括控制系统17，mig焊机2、送丝机3、焊接机器人4和增压系统5均与控制系统17连接。通过控制系统可对mig焊机2的参数进行调节，并控制送丝机3的同步送丝，还可对水流压力进行控制，对焊接机器人4的运动进行控制。
36.本实施例中，固定壁7、活动壁12和排孔喷头8的材质为铍青铜，弧形喷头9的材质为不锈钢。
37.本实施例中，增压系统5包括水泵18和增压泵19，水泵18通过耐压水管连接增压泵19，增压泵19通过耐压水管连接两个进水孔11，增压泵19所产生的压强大于等于20mpa。
38.本实施例中，排孔喷头8设有出水孔的表面倾斜朝下设置，并在导电嘴6的运动方向上朝向导电嘴6的后方；排孔喷头8设有出水孔的表面与送丝通道10的轴线和导电嘴6的运动方向组成的平面的夹角为40
°
～70
°
，优选为60
°
，排孔喷头8设有出水孔的表面与固定壁7底端所在的平面的夹角为45
°
～75
°
，优选为60
°
。将排孔喷头8设有出水孔的表面倾斜朝下设置，并在导电嘴6的运动方向上朝向导电嘴6的后方，排孔喷头8产生的高压水束跟随导电嘴6对其后方的焊缝或增材结构表面的熔渣和焊接飞溅进行同步清理，高压水束会对熔渣和焊接飞溅产生一个倾斜的作用力，该倾斜的作用力的向后的分力会利于熔渣和焊接飞溅的清理，提高清理效果。
39.本实施例中，弧形喷头9和活动壁12的下端均低于导电嘴6下端所处平面15mm至20mm，优选为16mm。这样设置后在作业时将在电弧燃烧过程中形成一个由水蒸气和电弧气体组成的稳定空腔，减弱甚至消除电弧附近的水环境的不利影响，进一步优化水下湿法电弧焊件或增材件结构。
40.本实施例中，弧形喷头9为凹陷式弧形喷头，凹陷式弧形喷头适用于水下湿法电弧增材作业。在其他实施例中，如图5所示，弧形喷头9也可以凸起式弧形喷头，凸起式弧形喷头适用于厚板水下湿法多层多道对焊作业。通过设置弧形喷头9，可以针对带有坡口的水下湿法电弧焊接焊缝或多层多道增材结构的表面进行预先清理和后清理处理，扩大清理范围并增加清理次数，增强表面清理效果。
41.一种以上所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置的使用方法，包括以下步骤：
42.(1)将复合焊炬1、mig焊机2、送丝机3、焊接机器人4和增压系统5进行连接与调试；
43.(2)将送丝机3内的药芯焊丝20导入复合焊炬1内，启动增压系统5向复合焊炬1内部通入高压水流，在焊接机器人4的辅助作用下将复合焊炬1放置于待修复部位上方，沿修复路径运动对待修复基体表面进行清理；
44.(3)根据作业条件调节焊接或增材修复参数及水流压力，将药芯焊丝20引导至超出导电嘴6底端并保留16mm伸长量后启动mig焊机2，沿既定路径进行焊接或增材作业；
45.(4)作业结束后关闭mig焊机2，复合焊炬1继续运动至完全超出作业区域后关闭增压系统5，完成作业。
46.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。

技术特征：
1.一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：包括复合焊炬、mig焊机、送丝机、焊接机器人和增压系统，所述焊接机器人与所述复合焊炬连接，所述复合焊炬与所述mig焊机连接，所述复合焊炬包括导电嘴、固定壁、排孔喷头和弧形喷头，所述导电嘴设置于所述固定壁围成的空间内，所述固定壁中部设有连接所述导电嘴的送丝通道，所述送丝通道与所述送丝机连接，所述固定壁底部两端内侧分别连接一个所述排孔喷头，外侧分别设置与各所述排孔喷头连通的进水孔，各所述进水孔与所述增压系统连接，各所述排孔喷头朝向作业区域，用于释放高压水束清除焊缝或增材结构表面的熔渣和焊接飞溅，所述固定壁底部另外两端分别连接一个所述弧形喷头，各所述弧形喷头分别与各所述进水孔连通，两端的所述弧形喷头分别位于所述导电嘴的两侧，分别用于释放高压水流对作业区域进行作业前预清理和作业后清理。2.根据权利要求1所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：所述固定壁连接有所述排孔喷头的两端底部分别密封连接有活动壁，所述活动壁底部设有向外倾斜的线性喷口和向内倾斜的出水孔，所述线性喷口和所述出水孔通过所述活动壁和所述固定壁内相互连通的第一过水通道连通所述进水孔，所述出水孔中连接有耐磨喷嘴。3.根据权利要求2所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：所述固定壁底面与所述活动壁顶面之间设有密封垫，所述固定壁与所述活动壁通过螺栓固定连接在一起；所述弧形喷头的顶面与所述固定壁底面之间设有密封垫，所述弧形喷头的底部设有弧线性喷水口，所述弧线性喷水口通过所述弧形喷头和所述固定壁内相互连通的第二过水通道连通所述进水孔，所述弧形喷头与所述固定壁通过螺栓固定连接在一起。4.根据权利要求1所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：还包括控制系统，所述mig焊机、所述送丝机、所述焊接机器人和所述增压系统均与所述控制系统连接。5.根据权利要求2所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：所述固定壁、所述活动壁和所述排孔喷头的材质为铍青铜，所述弧形喷头的材质为不锈钢。6.根据权利要求1所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：所述增压系统包括水泵和增压泵，所述水泵通过耐压水管连接所述增压泵，所述增压泵通过耐压水管连接两个所述进水孔，所述增压泵所产生的压强大于等于20mpa。7.根据权利要求1所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：所述排孔喷头设有出水孔的表面倾斜朝下设置，并在所述导电嘴的运动方向上朝向所述导电嘴的后方；所述排孔喷头设有出水孔的表面与所述送丝通道的轴线和所述导电嘴的运动方向组成的平面的夹角为40
°
～70
°
，所述排孔喷头设有出水孔的表面与所述固定壁底端所在的平面的夹角为45
°
～75
°
。8.根据权利要求2所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：所述弧形喷头和所述活动壁的下端均低于所述导电嘴下端所处平面15mm至20mm。9.根据权利要求1所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置，其特征在于：所述弧形喷头为凹陷式弧形喷头或凸起式弧形喷头。10.一种权利要求1～9中任意一项所述的水下湿法电弧焊接或增材制造装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将所述复合焊炬、所述mig焊机、所述送丝机、所述焊接机器人和所述增压系统进行连接与调试；
(2)将所述送丝机内的药芯焊丝导入所述复合焊炬内，启动所述增压系统向所述复合焊炬内部通入高压水流，在所述焊接机器人的辅助作用下将所述复合焊炬放置于待修复部位上方，沿修复路径运动对待修复基体表面进行清理；(3)根据作业条件调节焊接或增材修复参数及水流压力，将药芯焊丝引导至超出所述导电嘴底端并保留16mm伸长量后启动所述mig焊机，沿既定路径进行焊接或增材作业；(4)作业结束后关闭所述mig焊机，所述复合焊炬继续运动至完全超出作业区域后关闭所述增压系统，完成作业。

技术总结
本发明公开了一种水下湿法电弧焊接或增材制造装置及使用方法，包括复合焊炬、MIG焊机、送丝机、焊接机器人和增压系统，复合焊炬包括导电嘴、固定壁、排孔喷头和弧形喷头，导电嘴设置于固定壁围成的空间内，固定壁中部设有连接导电嘴的送丝通道，送丝通道与送丝机连接，固定壁底部两端内侧分别连接一个排孔喷头，外侧分别设置与各排孔喷头连通的进水孔，各进水孔与增压系统连接，固定壁底部另外两端分别连接一个弧形喷头，各弧形喷头分别与各进水孔连通，两端的弧形喷头分别位于导电嘴的两侧。本发明可在作业前后分别清理待修复位置表面附着物，并能够在作业时同步清除焊接及增材构件表面附着的熔渣和飞溅，改善焊缝成形和焊接接头质量。头质量。头质量。


技术研发人员：郭宁 张欣 罗文学 付云龙 吴笛 郝少琦
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/10/11