一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置及工艺的制作方法

本发明属于水下焊接工程技术领域，具体涉及一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置及工艺。

背景技术

水下湿法焊接技术(flux-coredarcwelding,fcaw)，具有方便操作、高效率、低成本和高质量等诸多优点，是水下焊接的重要发展方向之一。在该焊接过程中，焊丝和工件直接置于水中，电弧燃烧在主要由造气剂和水不断发生受热分解、蒸发或反应形成的气泡内进行。与干法焊接存在这比，由于电弧区域与水环境之间的持续相互影响，水下湿法燃烧空间的大小、内压都是不断变化的，同时在气泡内的大温度梯度、复杂气体组分、快速冷却条件等因素的作用下，导致其内部的电弧区域持续发生互相耦合的、复杂的化学和物理作用。这样复杂的环境使得水下气泡对于水下湿法的成形有着决定性的作用。

水下湿法目前的焊接工艺获得高质量，可靠的焊缝并不容易。重要的设备仍旧依赖于高压干法。但是高压舱的造价又让人望而却步。如何在有限的成本内，显著有效提升水下焊接的质量并且控制成本是每个水下科研工作者的梦想。

中国专利文件“公告号cn103433606a”，公开了一种便携式水下局部干法自动焊专用微型排水罩。该装置的原理是：排水罩安装完毕后，运用储气瓶中排水气体将排水罩内积水排除，排水罩毛毡，毛毡裙起“单向阀门”的作用，防止水的倒灌。该发明将整个焊接置于保护气体中，显著减少了水环境对焊接过程的不利影响。但是依然存在一些问题没能很好解决。比如，该排水罩对于工件的平整度，形状有着比较高的要求，才能保证排水罩的单向通气性。对应特定形状的工件需要重新加工并选择对应的排水罩。此外，焊道方向上的尤其是熔池后部形成的焊道如何有效的防止水侵入排水罩的同时又不妨碍到焊道的成形，文中并没有相关的介绍。这一定程度上妨碍了其他学者和水下焊接工作人员重现出专利中的所述效果。

中国专利文件“公告号cn2458117y”,公开了一种水下焊接微型排水装置。该专利主要原理如下，利用焊丝材料自身产生的气体和水汽化的水蒸气，将本微型排水装置罩内的水排开，形成一个局部的无水区域，电弧在该无水区域燃烧，随着产生的气体以及汽化的水蒸气增加，腔内的压力越来越大，当压力大于周边水压时，腔内的水通过密封垫排出。随着焊接进行，焊缝的高温烧损密封垫并形成空腔，使得焊缝不至于立即进行水中。该装置充分利用药芯焊丝药芯的产气，不需要通保护气，较为经济。但依然存在一些问题有待进一步改进。比如，该排水罩对于工件的平整度也有着比较高的要求，不同工件形状需要设计加工专用的排水罩，从而保证排水罩的正常工作。其次，密封垫与焊道直接接触，可能会压迫焊道，影响了焊缝成型，并且可能带入夹渣，不利于获得优良的焊缝质量。最后，单纯依赖焊丝和蒸发产生的气体使得产气量不够可靠，当气罩内水排出的较多后，水蒸气的蒸发就相应的减少了，气体产量的波动带来压力的波动，影响密封垫的单向阻水性。

美国专利文件“weldingtorchforunderwaterwelding”,该水帘式水下焊接方法将高压水射流从焊枪外层呈圆锥形喷出，形成挺度高的水帘，阻挡水的侵入，焊枪内层通入保护气，将焊枪正下方的水排开，是保护气能够在水帘内形成稳定的局部气象空腔，焊接电弧在水中不受水的干扰，稳定燃烧，水帘有三个好处1、隔离外部水与内部的气；2、将逸出的大气跑破碎成小气泡，是腔内压力波动较小，保持稳定；3、水的高速射流的抽吸作用是的焊接区域的水抽出，形成气相空腔。该专利较好的阻止了焊道方向上水的入侵同时也减少了对焊道成形的妨碍。但是依然存在一些有待改进的地方。1、可见度问题解决不够，高速水流加速了烟尘在水中的扩散，使得水浑浊而紊乱，焊工基本处于盲焊。2、喷嘴离焊件表面的距离和倾斜度要求严格，再加上工件对于高压水流有反射作用，使得该种方法适用场合受限。水下湿法手弧焊，由于焊工穿着潜水服，活动困难，几乎不可能运用这种装置进行相应的焊接。3、装置较大，需要的辅助设备较多，灵活性不够。

仍有不少相关的局部干法的专利，总结来说依然存在一些共同的不足之处。1、装置较为复杂，要求较高，需要的辅助设备较多，导致整体体积较大，对于空间受限区域无法很好的发挥作用。2、排水罩的保护的通用型不足，焊接气体区域与水隔绝的效果受到实际工件形状，工作场合等的影响。对于形状不规则的母材的焊接，保护效果受到影响。3、排水完全依赖外部气体使得气体的消耗量大，需要携带大量的储气瓶。4、排水罩在沿焊道方向上，尤其是熔池后部，在做到既不影响焊道的成形，又能够阻止水的入侵这两点的协调上有待进一步的提升。5、气体的调控不够细致，无法针对多变的水环境，进行快速相应的调整。因此如何克服上述技术存在的缺陷，真正提供一种更好的水下湿法焊接工艺和对应的装置成为本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的诸多不足，本发明提供了一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置及工艺，该装置由焊接装置和套装在焊接装置外侧的气泡调控装置组成，所述的气泡调控装置由套装在焊接装置外侧的气仓以及连接在气仓下方的通气管组成，所述的气仓为环形，且被均匀分割为若干小气仓，每个小气仓上均连接有单独的进气管路；采用这种结构的焊接装置，焊接时通过气仓送气在焊接位置形成一个单独的弧柱区域气泡，并可随环境调节气泡的大小，从而为水下焊接提供一个更加稳定的环境，大大提高了焊接的质量。

发明人针对水下湿法焊接进行了相应的研究，结果发现水下焊接过程中气泡的体积越大，越有利于焊缝成形。水下焊接过程中，通过增加电参数，选择较粗的焊丝以及调整造气成分，气泡的最大直径可达45mm左右，但是当气泡达到45mm左右时，继续增加上述参数，带来的气泡最大直径的提升就不明显了，因此在不添加外部装置的情况下，仅通过调整参数很难获得尺寸较理想的气泡。此外水下焊接过程中，由于各种原因，水流的方向、流速不可避免的发生着变化，也相应的带来了气泡行为的变化，影响了气泡对于焊接过程的保护，如果能够按照实际的水流条件进行相应的气泡调控，气泡对于焊缝成形的保护也能更为有效。

正是基于上述研究发现，发明人提供了一套全新的装置和技术方案来完成气泡的相应调节，从而提供了一种全新的水下湿法焊接工艺如下：。

发明人首先提供了一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置，具体结构如下：

该装置由焊接装置和套装在焊接装置外侧的气泡调控装置组成，所述的气泡调控装置由套装在焊接装置外侧的气仓以及连接在气仓下方的通气管组成，所述的气仓为环形，且被均匀分割为若干小气仓，每个小气仓上均连接有单独的进气管路；所述每个小气仓的外壁中间位置均设置有压力感应器，所述的压力感应器与外设的控制装置连接，所述控制装置控制每个进气管路的通气量；

所述的控制装置为常规的压力感应反馈装置，并用以控制通气量大小；

采用这种结构的装置，在焊接开始前就开始通入保护气，开始焊接后，在焊接初期由造气剂和焊接热量造成水蒸发形成初级气泡，此时在维持焊接的同时保护气持续通过通气管出口从气仓下方排出，由于通气管出口呈环形分布在焊枪周围，为气泡提供了持续的气量补充，弥补了焊接自身产生气量不足的问题，本发明所采用的保护气优选纯度99.99％的纯氩气，由于保护气的通入使得气泡内的焊接环境较为稳定，所获得的焊道更加均一，较之单纯采用造气剂产生的气泡焊道品质更好；本发明的另外一个特点就是在每个小气仓的外壁中间位置均设置有压力感应器，这样就可以随时监测焊接装置周围不同方向的水流大小，由于水流因素是影响气泡大小的主要因素，现有技术难以解决的就是这一不稳定影响因素，本发明采用压力感应水流的方式获得实时的不同水流大小信息，并通过这一信息调整对应气仓的进气量和通气量，从而改变气泡不同方向上的通气量，抵消水流对气泡产生的影响，如水流更急的方向，气泡受到的压力更大，此时需要加大通气量来低调水流造成的影响，反之亦然；这样就使得气泡更加稳定，为焊接提供了一个稳定的环境，焊道的质量自然得到有效的提升。

所述的通气管呈反“l”形，且出气口朝向外侧；所有通气管设置在气仓的同一圆周上；其中两条通气管沿焊道方向分布，一条通气管出气口指向焊道前方，另外一条通气管指向焊道后方，且该通气管长度短于其他通气管；

采用这种设计后，通气管出气口内侧的焊接装置部分一直处在稳定的环境中，出气口外侧则通过通气量的调整维持气泡的外围持续稳定，而由于焊道运动方向的要求，一般需要在焊道方向上设置前后两个通气管来确保焊接行进前后方向气泡的稳定性，而由于焊接过程中产生的熔池需要冷却以便于焊缝的形成，且焊缝高于焊接的基材，因此指向焊道后方的通气管长度短于其他通气管，以不阻碍焊道的形成为宜；

所述的小气仓个数不限，个数以在可以在圆周上均匀分布为准，优选采用4个或6个小气仓的设计，对应的通气管设置与其相同；每个小气仓上可以设置若干通气管，但是为了方便控制通气量一般优选只设置一个通气管；

优选的，所述的气仓高度可调，具体的可以通过在焊接装置套装气仓的位置上添加垫片的方式实现，且环状气仓可以设置以焊接装置中心为圆心的旋转装置，这样可以根据需要调整气仓上通气管的朝向，适应不同水下焊接的要求；所述旋转装置上还安装有锁紧装置，方便环形气仓的定位。

为了适应水下焊接的需要，所采用的通气管采用氮化硼材料制备而成，这样才可以耐受水下焊接气泡部分的高温，避免通气管变形融化，同时避免通气管对焊接电弧的干扰；所述的气仓外壳采用纯铝制备而成，轻便且方便加工，同时避免了水对气仓的腐蚀，优选的气仓外壳还可以涂覆防腐和耐高温材料，避免气泡高温和电化学腐蚀对气仓造成的影响；

所述的压力传感器通过信号线与外设的控制装置连接，方便信号的实时传输；

在上述装置的基础上，发明人进一步提供了一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接工艺，具体步骤如下：

步骤(1)、焊前准备：按照实际情况选择合适的通气装置，合理调整输气管道的数量，对应出气口的方向，储气仓的数量；同时将焊接装置与气仓套装连接；所采用的保护气采用纯度99.99％的纯氩；

步骤(2)、根据焊接需要设定焊接参数，调整焊速，焊接电流，电压准备焊接；

步骤(3)、根据预估焊道的宽度，调整焊枪的高度，避免输气管影响焊缝的成形，之后将每个气仓的送气管路分别于气源连接，开启相应的控制装置，调整气体流量，预先通气一段时间后开始常规水下湿法焊接；焊接过程中，通过控制装置随时调节保护气的通气量，对焊接过程中的气泡进行主动调控；

步骤(4)、停止焊接，继续保持一定时间的通气后停止通气。

采用上述的工艺步骤，可以根据不同的焊接需要选取对应的气泡调控装置，确保形成的气泡能为焊接提供持续的稳定焊接环境；

本发明所采用的保护气为纯度99.99％的纯氩气，这是由于采用其他诸如空气等来源的保护气后，在浮力的作用下，气体会立刻上浮，无法维持气泡的稳定，而氩气的采用则很好的克服了上述缺陷；在停止焊接后继续通气一端时间，为焊道冷却提供了时间，避免了直接撤除保护气气泡消失造成水直接接触焊道导致焊道质量下降。

所述的工艺根据焊接时实际的水流条件进行相应的气泡主动调控，而水流条件的检测通过小气仓的外壁中间位置设置的压力感应器实现，并以此反馈给控制装置调节通气量；

综上所述，本发明这种结构的焊接装置和对应的焊接工艺，在焊接时通过气仓送气在焊接位置形成一个单独的弧柱区域气泡，并可随水流环境调节气泡的大小，从而为水下焊接提供一个更加稳定的环境，大大提高了焊接的质量。

附图说明

图1为本发明可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置的结构示意图；

图2为图1中a-a的结构剖视图；

图3为本发明可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置的立体示意图；

图4为应用本发明所述工艺获得的焊缝与常规工艺获得的焊缝比对图；

通过图4对比可以发现采用本发明提出的装置所获得的焊缝成形均匀，与普通水下湿法工艺相比，其焊道不会出现较为明显的偏离，焊缝的对称性，均匀度都获得了较好的提升；

图中1为焊接装置，2为气仓，3为气泡，4为焊道，5为通气管，6为压力感应器，7为进气管路，8为小气仓，9为基材。

具体实施方式

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置及工艺，具体结构如下：

该装置由焊接装置1和套装在焊接装置1外侧的气泡调控装置组成，所述的气泡调控装置由套装在焊接装置1外侧的气仓2以及连接在气仓2下方的通气管5组成，所述的气仓2为环形，且被均匀分割为若干小气仓8，每个小气仓上8均连接有单独的进气管路7；所述每个小气仓8的外壁中间位置均设置有压力感应器6，所述的压力感应器与外设的控制装置连接，所述控制装置控制每个进气管路的通气量；

所述的控制装置为常规的压力感应反馈装置，用以控制通气量大小。

实施例2

一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接装置及工艺，具体结构如下：

该装置由焊接装置和套装在焊接装置外侧的气泡调控装置组成，所述的气泡调控装置由套装在焊接装置外侧的气仓以及连接在气仓下方的通气管组成，所述的气仓为环形，且被均匀分割为若干小气仓，每个小气仓上均连接有单独的进气管路；所述每个小气仓的外壁中间位置均设置有压力感应器，所述的压力感应器与外设的控制装置连接，所述控制装置控制每个进气管路的通气量；

所述的控制装置为常规的压力感应反馈装置，用以控制通气量大小；

所述的通气管呈反“l”形，且出气口朝向外侧；所有通气管设置在气仓的同一圆周上；其中两条通气管沿焊道方向分布，一条通气管出气口指向焊道前方，另外一条通气管指向焊道后方，且该通气管长度短于其他通气管；

所述的小气仓个数为6个；

所采用的通气管采用氮化硼材料制备而成。

实施例3

一种可自适应调控气泡的水下湿法焊接工艺，具体步骤如下：

步骤(1)、焊前准备：按照实际情况选择合适的通气装置。合理调整输气管道的数量，对应出气口的方向，储气仓的数量；同时将焊接装置与气仓套装连接；所采用的保护气采用纯度99.99％的纯氩；

步骤(2)、根据焊接需要设定焊接参数，调整焊速，焊接电流，电压准备焊接；

步骤(3)、根据预估焊道的宽度，调整焊枪的高度，避免输气管影响焊缝的成形，之后将每个气仓的送气管路分别于气源连接，开启相应的控制装置，调整气体流量，预先通气一段时间后开始常规水下湿法焊接；焊接过程中，通过控制装置随时调节保护气的通气量；

步骤(4)、停止焊接，继续保持一定时间的通气后停止通气；

所采用的保护气为纯度99.99％的纯氩气；

本实施例中所采用的装置为实施例2中所述装置；

所获得的焊缝图片如图4所示，通过图4对比可以发现采用本发明提出的装置所获得的焊缝成形均匀，与普通水下湿法工艺相比，其焊道不会出现较为明显的偏离，焊缝的对称性，均匀度都获得了较好的提升。

除本发明上述实施例记载的技术方案之外，在不改变主体发明构思的情况下对本发明做出的相应改动都应纳入本发明的保护范围之内。