1.本发明涉及焊接领域,具体涉及一种用于水下局部干法焊接的可调气隙的微型开式装置及焊接方法。
背景技术：2.水下焊接已经被广泛用于制造和维护海上工程结构，如管道和核电站。近年来，海洋工业的快速发展进一步推动了水下焊接技术的应用。水下焊接一般分为干法焊接、湿法焊接和局部干法焊接。湿法焊接中遇到的常见问题是在周围水的作用下，焊缝成形能力差，冷却速度快，焊缝内部会形成气孔和裂纹，限制了焊接接头的质量。局部干法焊接和干法焊接都排除了水环境的不利影响，在干式焊接中，工件和焊接设备放置在创造一个大的无水空间环境中，焊接系统复杂，造价昂贵。水下局部干法焊接是将电弧周围的水人为地排开,形成一个气相区,降低水对焊接过程的干扰,使电弧在气相区中稳定的燃烧。局部干法焊接综合了湿法焊接和干法焊接的优点,具有广阔的应用前景。
3.水下局部干法焊接依赖于排水装置的设计，其难点在于将焊接区域内的水排开并形成稳定的干燥环境，同时排水罩固定的内部结构设计在不同排水能力要求下也难以达到完全的适应性，限制了其应用范围；目前，学者多从将排水罩与待焊工件形成良好的机械的封闭空间的思路出发设计了以气体为排水介质的气室式、干点式等排水罩，由于工作距离较小，空间的密封性，局部干法焊接过程中仍然存在一些不足：（1）排水气体进入局部密封的焊接区域内容易形成高压的风场影响电弧稳定性和焊缝成形；（2）排水罩与待焊工件的直接接触并机械式密封造成装置的可移动性差，焊接的灵活性和适用性不足；（3）对于不平整的待焊工件表面，较小的工作距离增加了焊接的难度，影响焊接过程的稳定性；（4）水下焊接实际工况中工作水深各不相同，这些不同的焊接环境对干燥程度要求不同，单个型号的排水罩难以满足所有工况，所以排水气体的可调节性也显得尤为重要。
技术实现要素：4.本发明的目的之一在于提供一种可调气隙的用于水下局部干法焊接的微型开式装置及焊接方法。为达到上述目的,一方面,本发明采用以下技术方案：本发明包括外凸曲线形外壁轮廓、底部收缩的焊枪喷焊枪，还包括具有连接中间层、外侧排水罩气路的焊枪枪体、具有角度的倒立圆锥台外壁轮廓的中间层排水罩、具有一定角度的倒立圆锥台腔体轮廓的外侧排水罩；具体地，焊枪枪体1为主体，焊枪喷嘴与导电杆以及导电嘴通过中间的绝缘层螺纹固定连接在一起，从而与焊枪枪体具有一个相对位置关系，中间层排水罩通过内壁螺纹与焊枪枪体外壁螺纹连接在一起，但是该连接由于图2中外层排水气腔3的存在无法随意拧动，最外层排水罩上部内壁螺纹与中间层排水罩外壁螺纹配合。
5.所述开式排水罩距待焊工件的工作距离大于30mm，所述排水罩通过通入气体产生
的气帘将熔池周边区域一定深度的水排开。
6.所述焊枪与喷嘴和两层排水罩之间均通过螺纹连接，各部分均可独立拆装。独立式结构使得内部曲面加工更加方便。
7.优选地，严格限制中间层排水罩和最外侧排水罩内壁角度为15度，焊枪喷嘴、中间层排水罩外壁角度大于80度以此保证当所述罩体通过螺纹高度变化5mm时，气隙宽度变化1mm。通过这种方式可以方便地定量调节气隙的宽度。气隙的调节宽度范围为0-无穷，优选地应用调节范围为0-5mm。当气隙宽度减小时，气体流速上升。根据伯努利方程，当气流速度升高时其压强会降低，通过这种方式可以调节出口处的流速与压强。
8.优选地，所述装置最大外径为58-60mm，可以保证功能的前提下尽可能体积小。保证了装置水下焊接时的可达性，同时也更加节省气流量。
9.优选地，排水罩内壁设计为曲面，宽度逐渐减小，且内壁粗糙度较小，比较光滑，保证气流动能损耗小。
10.优选地，还包括焊接电源，所述焊接电源分别与所述焊枪和所述工件电连接，所述焊接电源用于给所述焊枪供电,通过控制所述焊接电源控制焊接过程中的焊接参数。
11.优选地,还包括送丝装置,所述送丝装置中储存有焊丝,所述焊丝在所述送丝装置的作用下沿着所述焊枪的轴向从所述焊枪远离所述工件的一端进入到所述焊枪中并从所述焊枪靠近所述工件的一端伸出，同时，保护气通入送丝管中与焊丝一同送进。
12.为达上述目的,另一方面,本发明采用以下技术方案：一种焊接方法,使用如上所述的用于水下局部干法焊接微型开式装置进行焊接,依次包括以下步骤。
13.步骤01、将所述用于水下局部干法焊接微型开式装置安装在距工件一定距离的高度上，使所述排水罩位于至少部分所述待焊接区域上方，调整所述焊枪的端部与所述工件之间的距离,以及所述开式的排水罩与所述工件之间的距离。
14.步骤02、焊枪内通入一定流速的保护气，通入两路排水气体，旋转外最外层排水罩与导电杆，调整气体间隙，调节至此水深下最好排水效果，形成局部稳定的干式环境；步骤03、所述用于水下局部干法焊接的装置沿所述待焊接区域移动；步骤04、焊接完成后,待所述排水罩在焊接完成后持续10~20s，再依次关闭所述焊接电源和气源,将所述排水罩离开工件表面。
15.本技术中的用于可调间隙的水下局部干法焊接微型开式装置及焊接方法,在保证焊接区域局部干燥的前提下避免了排水气体风压的影响，能够有效提高焊接过程中的电弧稳定性,促进熔滴过渡,进而提高焊接接头的质量。另外,本技术中的用于水下局部干法焊接开式的装置结构能够适用于不平整工件表面的焊接以及多种位置的焊接,且由于微型开式装置的体积小，其可达性更好，工程应用范围广泛，装置结构简单、制造成本低。除此之外，通过改变气隙宽度来改变出口处气体状态，以此来提高适用性。气隙宽度改变后，由于气流量不变，排水气体的出口风速也会改变，根据伯努利方程，此时气体的压强也会改变，通过控制这种改变来对排水效果进行调节，以此适应不同水深下不同的排水要求。
附图说明
16.通过以下参照附图对本发明实施例的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和
优点将更为清楚，在附图中：图1为本发明具体实施方式提供的用于水下局部干法焊接的开式排水装置与送丝送气装置和电源连接示意图；图中，1、焊枪枪体;2、焊枪喷嘴;3、中间层排水罩;4、最外层排水罩;5、导电嘴;6、绝缘层;7、导电杆;8、送丝管;9、送丝机;10、工件。图2为本发明使用过程中保护气体及排水气体流向示意图，图中，1、中心保护气腔;2、中间层排水气腔;3、外层排水气腔。
具体实施方式
17.以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，再次提供的附图都是为了说明目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
18.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他活穷举的含义：也就是说，是“包括但不限于”的含义。
19.说明：本技术中,将上下方向定义为：将图1中焊枪轴向方向上，靠近工件的方向为下，远离工件的方向为上。并且，将图中焊枪径向外侧定义为外，将焊枪的径向内侧定义为内。
20.如图1、2所示，本发明包括外凸曲线形外壁轮廓、底部收缩的焊枪喷嘴2，还包括具有连接中间层、外侧排水罩气路的焊枪枪体1、具有角度的倒立圆锥台外壁轮廓的中间层排水罩3、具有一定角度的倒立圆锥台腔体轮廓的外侧排水罩4。具体地，焊枪枪体1为主体，焊枪喷嘴2与导电杆7以及导电嘴5通过中间的绝缘层螺纹连接在一起，从而与焊枪枪体具有一个相对位置关系，中间层排水罩3通过螺纹与焊枪枪体1螺纹连接在一起，但是该连接由于图2中外层排水气腔3的存在无法随意拧动，最外层排水罩4与中间层排水罩3通过螺纹连接。
21.本发明中的开式装置，中间层排水罩与焊枪喷嘴外壁的配合可形成0-2mm范围的超窄间隙气隙，本发明中的开式装置外侧排水罩与中间层排水罩外壁的配合可形成为0-2mm范围的超窄间隙气隙；本发明的开式装置可实现中间层排水罩和外侧排水罩气隙的高精度可调节性，范围为0~无穷大；优选地，外侧排水罩上内壁与具有80
°
以上的倾斜角度中间层排水罩外壁通过螺纹配合可实现两者的相对移动，通过相对移动距离完成外侧气隙大小的精确调节。上下移动距离与气隙变化比例大于5，所述外侧排水罩下端面存在5—10mm的平台，对排水气体和保护气体的流动具有机械约束的作用。
22.优选地，装置可以通过调整导电杆高度来调节焊枪喷嘴2与焊枪枪体1的相对位置，从而改变图2中中间层排水气腔2的气隙宽度。通过螺纹调整所述最外层排水罩4调节图2中最外层排水气腔3的气隙宽度。通入空气，通过上述方法调节气隙宽度达某水深下最好的排水效果。
23.优选地，将保护气通入送丝管内进行同轴送气，同轴送气、送丝装置与导电杆连接，所述导电杆与焊枪同轴连接，气体、焊丝同轴送入焊枪内；且所述导电杆末端设有分流器对保护气进行分流。
24.所述中间层排水罩3上内壁与焊枪枪体1的外壁通过螺纹紧固连接；所述焊枪枪体设有竖直通孔进气并流入中间层气隙，所述焊枪枪体设有另一路竖直盲孔和横向通孔与中
间层排水罩横向通孔连通，排水气体气体流入外侧气隙中。
25.工件放置在排水罩的下方,排水罩优选为微型排水罩,在安装装置时,排水罩1要罩住至少部分待焊接区域,与工件15保持不少于20mm的工作距离。排水罩采用聚四氟乙烯或铝等轻质金属材料制成，便于轻便安装和拆卸。
26.装置还包括焊接电源，焊接电源同时通过导线与焊丝和工件11电连接，通过调节焊接电源对焊接电压、焊接电流等焊接参数进行调整。还包括送丝装置10，送丝装置10中储存有焊丝，导电嘴5中具有用于供焊丝通过的送丝孔图中未示出，焊丝在送丝装置的作用下沿着由上向下的方向依次进入导电嘴5中、并从导电嘴的下端伸出至导电嘴的外部。优选地，焊丝为药芯焊丝，由于焊丝燃烧过程中具有造气功能,产生的气体将电弧周围的水排开，降低了水对焊接环境的影响。焊枪2内通入的保护气体在电弧周围营造了气体环境，提高了电弧稳定性。可以理解的是，为满足具体焊接工艺的需要，所述电源可以提供直流电、也可提供交流电，所述焊丝除药芯焊丝外也可采用实芯陆上焊丝。
27.本技术还提供了一种焊接方法，使用如上所述的水下局部干法焊接的可调气隙的微型开式装置进行焊接，结合图1中示出的装置，焊接方法包括以下步骤。
28.步骤01、将所述可调气隙式水下局部干法微型开式焊接的装置安装在工件11的待焊接区域一定高度处，优选地，所述高度为3~6mm，通过送丝机10调整焊丝伸出导电嘴5的长度，将所述微型开式排水罩罩住至少部分所述待焊接区域，并与焊枪枪体1的外壁螺纹连接，通过调整导电杆高度来调节焊枪喷嘴2与焊枪枪体1的相对位置，从而改变图2中中间层排水气腔2的气隙宽度。通过螺纹调整所述最外层排水罩4调节图2中最外层排水气腔3的气隙宽度。实验性地通入空气，调节这两处气隙宽度达到此水深下最好的排水效果。
29.步骤02、向送丝管9中通入所需保护气，向图2中
①
和
②
处通入空气。优选地，所述不同的流速分别为
①
处2.5m/s-3m/s和
②
处2m/s-2.5m/s。气流流出所述装置后形成图2所示的多层气帘，排开焊接区域一定范围的水，维持稳定的干燥空间。将焊接电源与对应的部件电连接。
30.步骤03、确定焊接参数，其中,焊接参数比如焊接时的电弧电压、焊接电流、焊接速度,以及送丝装置10的送丝速度等。焊丝开始燃烧过程中具有造气功能,产生的气体保护焊接熔池外还起到一部分维持焊接区域稳定干燥的作用。
31.步骤04、打开焊接电源，所述气帘式水下局部干法焊接开式的装置沿所述待焊接区域移动由于焊接区域比较大,因此需要移动装置,以对全部焊接区域进行焊接。
32.步骤05、焊接完成后，依次关闭所述焊接电源、空气和保护气。待所述排水罩在焊接完成后持续预定时长通入气体再将所述排水罩离开工件表面。每次持续预定的时长优选为10-20s,以阻止水过快进入到排水罩中,减缓焊缝冷却速度。
33.本技术中的用于水下局部干法焊接开式的装置及焊接方法,与待焊工件的工作距离30mm以上且非封闭式,在满足不平整工件水下全位置焊接的基本要求下还能保持更好局部干燥的环境，形成40mm以上的干区半径，且结构简单、制造成本低,工程应用范围广泛。
34.本领域的技术人员容易理解的是,在不冲突的前提下,上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
35.以上所述仅为本发明的优选实施例,并不用于限制本发明,对于本领域技术人员而言,本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等
同、替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种用于水下局部干法的可调气隙的开式装置及焊接方法，开式装置的结构设计基于流体力学理论；包括同轴送气、送丝装置，导电杆，外凸曲线形外壁轮廓、底部收缩的焊枪喷嘴，还包括具有连接中间层、外侧排水罩气路的焊枪枪体、具有角度的倒立圆锥台外壁轮廓的中间层排水罩、具有一定角度的倒立圆锥台腔体轮廓的外侧排水罩。2.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接开式的装置，其特征在于所述焊枪包括外凸曲线形外壁轮廓、底部收缩的焊枪喷嘴，还包括具有连接中间层、外侧排水罩气路的焊枪枪体；所述焊枪喷嘴外壁具有80
°
以上的倾斜角度，与所述中间层排水罩内壁形成变截面超窄气隙。3.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接开式的装置，其特征在于所述同轴送气、送丝装置与导电杆连接，所述导电杆与焊枪同轴连接，气体、焊丝同轴送入焊枪内；所述导电杆末端设有分流器对保护气进行分流。4.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接开式的装置，其特征在于所述导电杆与焊枪喷嘴上内壁通过螺纹紧固连接；所述导电杆的上下移动实现中间层气隙大小的调节，上下移动距离与气隙变化比例大于5。5.根据权利要求1所述的本发明中的开式装置，中间层排水罩与焊枪喷嘴外壁的配合可形成0-2mm范围的超窄间隙气隙，本发明中的开式装置外侧排水罩与中间层排水罩外壁的配合可形成为0-2mm范围的超窄间隙气隙；本发明的开式装置可实现中间层排水罩和外侧排水罩气隙的高精度可调节性，范围为0~无穷大。6.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接开式的装置，其特征在还于所述外侧排水罩上内壁与具有80
°
以上的倾斜角度中间层排水罩外壁通过螺纹配合可实现两者的相对移动，通过相对移动距离完成外侧气隙大小的精确调节，上下移动距离与气隙变化比例大于5，所述外侧排水罩下端面存在5—10mm的平台，对排水气体和保护气体的流动具有机械约束的作用。7.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接开式的装置，其特征在还于所述中间层排水罩上内壁与焊枪枪体的外壁通过螺纹紧固连接；所述焊枪枪体设有竖直通孔进气并流入中间层气隙，所述焊枪枪体设有另一路竖直盲孔和横向通孔与中间层排水罩横向通孔连通，排水气体气体流入外侧气隙中。8.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接的装置，其特征在于所述导电杆通入入口流量为15l/min-60l/min的保护气，并将距焊枪喷嘴下端5mm-10mm工作距离处待焊区域水排开，同时保护熔池区域；所述焊枪枪体上端面入口处通入40-60l/min两路排水气体；上述三路气体的共同作用可实现30mm以上工作距离下形成大于40mm的干区半径。9.根据权利要求1所述的用于水下局部干法开式的焊接装置，其特征在于，还包括所述所述开式排水罩的中间、外侧气隙截面形状为变化为宽-窄-宽；所述的最小气隙截面局装置底端距离为5-10mm；所诉焊接装置最大直径为58mm，高为70mm。10.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接的装置，其特征在于，还包括焊接电源，所述焊接电源分别与所述焊枪和所述工件电连接，所述焊接电源用于给所述焊枪供电,通过控制所述焊接电源控制焊接过程中的焊接参数。11.根据权利要求1所述的用于水下局部干法焊接的装置,其特征在于，还包括送丝装置,所述送丝装置中储存有焊丝，所述焊丝在所述送丝装置的作用下沿着所述焊枪的轴向
从所述焊枪远离所述工件的一端进入到所述焊枪中并从所述焊枪靠近所述工件的一端伸出。12.一种焊接方法，使用如权利要求1至7任一项所述的用于水下局部干法焊接开式的装置进行焊接，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤01、将所述用于水下局部干法焊接开式的装置安装在距工件一定的高度上,使所述排水罩位于至少部分所述待焊接区域上方，调整所述焊枪的端部与所述工件之间的距离，以及所述开式的排水罩与所述工件之间工作距离为20-70mm；步骤02、依次打开中心保护气、所述开式的排水罩的两路进气阀，将待焊区域的水排开，形成局部稳定的干式环境；步骤03、所述用于水下局部干法焊接的装置沿所述待焊接区域移动；步骤04、焊接完成后，依次关闭所述焊接电源，排水气体进气阀，中心保护气体，待所述排水罩在焊接完成后持续10~20s再将所述排水罩离开工件表面。
技术总结本发明公开了一种用于水下局部干法的可调气隙的微型开式装置及焊接方法，开式装置的结构设计基于流体力学理论；包括同轴送气、送丝装置，导电杆，外凸曲线形外壁轮廓、底部收缩的焊枪喷嘴，还包括具有连接中间层、外侧排水罩气路的焊枪枪体、具有角度的倒立圆锥台外壁轮廓的中间层排水罩、具有一定角度的倒立圆锥台腔体轮廓的外侧排水罩；本发明中的开式装置，中间层排水罩与焊枪外壁的配合可形成0-2mm范围的超窄间隙气隙，本发明中的开式装置外侧排水罩与中间层排水罩外壁的配合可形成为0-2mm范围的超窄间隙气隙；本发明的开式装置可实现中间层排水罩和外侧排水罩气隙的高精度可调节性，范围为0~5mm；本申请中的用于水下局部干法焊接开式的装置及焊接方法,与待焊工件的工作距离30mm以上且非封闭式,在满足不平整工件水下全位置焊接的基本要求下还能保持更好局部干燥的环境，形成40mm以上的干区半径，且体积小、重量轻、制造成本低,工程应用范围广泛。围广泛。
技术研发人员：孙清洁 朱孝玲 刘一搏 杨东旭 赵梓豪
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2022.01.10
技术公布日：2022/7/5
