水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置及方法-凯发k8娱乐

本发明涉及水下焊接，特别是涉及一种水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置及方法。

背景技术：

1、随着我国能源需求的日益增长，海洋资源及核电等清洁能源的开发和利用愈发重要。在清洁能源开发利用的过程中，由于水下结构件常年在极端恶劣的环境下服役，极易出现腐蚀、开裂等情况导致核心结构件失效，因此，需要在水环境下对破损的水下结构件进行修复。

2、目前，水下湿法焊接及增材方法，即不采用任何保护措施，将热源、丝材及母材直接暴露在水环境中进行焊接与增材的方法，凭借其设备工艺简单、环境适应性强、作业快速高效等优点，在水下结构件破损修复方面具有广阔前景。

3、然而，在自保护药芯焊丝水下湿法焊接及增材过程中，电弧气泡的周期性变化会导致电弧燃烧稳定性较差，同时，熔滴受力情况复杂，过渡模式多变，造成熔池剧烈波动，导致过渡过程稳定性变差，成形精度较低。

4、现有的水下激光-电弧复合湿法焊接及增材方法，多利用激光束进行旁轴耦合，对焊接及增材方向有所限制，并且，激光束无任何保护措施直接穿透水环境到达电弧气泡，光束传输质量较差且增大了电弧气泡的波动。

5、可见，如何在水下湿法焊接及增材的过程中，保证电弧的稳定燃烧和熔滴的稳定过渡，并且，避免水环境对激光束传输产生的不良影响，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够保证电弧的稳定燃烧和熔滴的稳定过渡，并且，避免水环境对激光束传输产生的不良影响，提高了焊接及增材成形质量。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，包括水平滑轨和激光电弧同轴复合机构，所述水平滑轨设置于水下基材的上方，所述激光电弧同轴复合机构包括第一转盘、第一激光头以及第一伸缩组件，所述第一转盘滑动连接于所述水平滑轨上，所述第一激光头转动连接于所述第一转盘上，所述第一伸缩组件包括第一伸缩管和第一驱动器，所述第一伸缩管同轴设置于所述第一激光头的端部，且所述第一伸缩管和所述第一激光头内同轴设置有导电金属管，所述导电金属管内同轴设置有药芯焊丝，所述药芯焊丝能够在所述水下基材的熔池区域燃烧并产生气泡，且在所述气泡内产生电弧；所述第一驱动器能够驱动所述第一伸缩管伸入所述气泡内，所述第一激光头能够将环形激光束经所述第一伸缩管导入所述气泡内，以使所述环形激光束与所述电弧同轴耦合。

4、优选的，所述第一激光头内同轴设置有中空聚焦镜，所述中空聚焦镜用于将所述环形激光束聚焦于所述水下基材的表面。

5、优选的，所述第一伸缩管包括多个由上至下依次滑动连接的第一套管，相邻的所述第一套管之间通过一第一密封圈密封，且相邻的所述第一套管之间形成一第一空腔；所述第一驱动器能够调节各所述第一空腔内的气压，以使所述第一伸缩管进行伸缩。

6、优选的，所述第一伸缩组件还包括第一密度传感器和第一控制器，所述第一密度传感器设置于最下方的所述第一套管的端部，且所述第一密度传感器和所述第一驱动器均与所述第一控制器电连接，所述第一密度传感器用于检测最下方的所述第一套管的端部周围介质的密度，所述第一控制器用于控制所述第一驱动器，以使最下方的所述第一套管的端部位于所述气泡内。

7、优选的，所述水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置还包括激光去渣机构，所述激光去渣机构包括第二转盘、第二激光头以及第二伸缩组件，所述第二转盘滑动连接于所述水平滑轨上，所述第二激光头转动连接于所述第二转盘上，所述第二伸缩组件包括第二伸缩管和第二驱动器，所述第二伸缩管同轴设置于所述第二激光头的端部；所述第二驱动器能够驱动所述第二伸缩管伸入所述气泡内，所述第二激光头能够将高能激光束经所述第二伸缩管导入所述气泡内，以去除所述水下基材的表面上的熔渣。

8、优选的，所述第二激光头内同轴设置有聚焦镜片，所述聚焦镜片用于将所述高能激光束聚焦于所述水下基材的表面。

9、优选的，所述第二伸缩管包括多个由上至下依次滑动连接的第二套管，相邻的所述第二套管之间通过一第二密封圈密封，且相邻的所述第二套管之间形成一第二空腔；所述第二驱动器能够调节各所述第二空腔内的气压，以使所述第二伸缩管进行伸缩。

10、优选的，所述第二伸缩组件还包括第二密度传感器和第二控制器，所述第二密度传感器设置于最下方的所述第二套管的端部，且所述第二密度传感器和所述第二驱动器均与所述第二控制器电连接，所述第二密度传感器用于检测最下方的所述第二套管的端部周围介质的密度，所述第二控制器用于控制所述第二驱动器，以使最下方的所述第二套管的端部位于所述气泡内。

11、优选的，所述水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置还包括在线监测机构，所述在线监测机构包括第三转盘、移动悬臂以及摄像头，所述第三转盘滑动连接于所述水平滑轨上，所述移动悬臂的一端转动连接于所述第三转盘上，另一端与所述摄像头固定连接，所述移动悬臂能够将所述摄像头移动至所述气泡内对所述水下基材的熔池区域进行监测。

12、本发明还提供一种水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材方法，采用上述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，包括以下步骤：

13、步骤一，调节所述第一转盘，使所述药芯焊丝对准所述水下基材的熔池区域；

14、步骤二，使所述药芯焊丝燃烧并产生所述气泡，开始进行焊接与增材；

15、步骤三，待所述气泡稳定后，开启激光热源，通过所述第一激光头将所述环形激光束经所述第一伸缩管导入所述气泡，使所述环形激光束与所述电弧同轴耦合直至焊接与增材结束。

16、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

17、本发明提供的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，包括水平滑轨和激光电弧同轴复合机构，水平滑轨设置于水下基材的上方，激光电弧同轴复合机构包括第一转盘、第一激光头以及第一伸缩组件，第一伸缩组件包括第一伸缩管和第一驱动器，第一伸缩管同轴设置于第一激光头的端部，且第一伸缩管和第一激光头内同轴设置有导电金属管，导电金属管内同轴设置有药芯焊丝，使用时，通过第一转盘使药芯焊丝对准水下基材的熔池区，使药芯焊丝燃烧并产生气泡，且在气泡内产生电弧，通过第一驱动器驱动第一伸缩管伸入气泡内，使得第一激光头能够将环形激光束经第一伸缩管导入气泡内，从而实现环形激光束与电弧同轴耦合。本发明利用环形激光束与电弧进行同轴耦合，既解决了传统的旁轴耦合方式对焊接及增材方向的限制，又促进了电弧的稳定燃烧和熔滴的稳定过渡，并且，利用第一伸缩管将环形激光束引入水下电弧气泡中，有效避免了水下激光-电弧复合湿法焊接及增材过程中，水环境对激光束传输产生的不良影响，保证了激光-电弧耦合质量，提高了焊接及增材成形质量。

技术特征：

1.一种水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：包括水平滑轨和激光电弧同轴复合机构，所述水平滑轨设置于水下基材的上方，所述激光电弧同轴复合机构包括第一转盘、第一激光头以及第一伸缩组件，所述第一转盘滑动连接于所述水平滑轨上，所述第一激光头转动连接于所述第一转盘上，所述第一伸缩组件包括第一伸缩管和第一驱动器，所述第一伸缩管同轴设置于所述第一激光头的端部，且所述第一伸缩管和所述第一激光头内同轴设置有导电金属管，所述导电金属管内同轴设置有药芯焊丝，所述药芯焊丝能够在所述水下基材的熔池区域燃烧并产生气泡，且在所述气泡内产生电弧；所述第一驱动器能够驱动所述第一伸缩管伸入所述气泡内，所述第一激光头能够将环形激光束经所述第一伸缩管导入所述气泡内，以使所述环形激光束与所述电弧同轴耦合。

2.根据权利要求1所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述第一激光头内同轴设置有中空聚焦镜，所述中空聚焦镜用于将所述环形激光束聚焦于所述水下基材的表面。

3.根据权利要求1所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述第一伸缩管包括多个由上至下依次滑动连接的第一套管，相邻的所述第一套管之间通过一第一密封圈密封，且相邻的所述第一套管之间形成一第一空腔；所述第一驱动器能够调节各所述第一空腔内的气压，以使所述第一伸缩管进行伸缩。

4.根据权利要求3所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述第一伸缩组件还包括第一密度传感器和第一控制器，所述第一密度传感器设置于最下方的所述第一套管的端部，且所述第一密度传感器和所述第一驱动器均与所述第一控制器电连接，所述第一密度传感器用于检测最下方的所述第一套管的端部周围介质的密度，所述第一控制器用于控制所述第一驱动器，以使最下方的所述第一套管的端部位于所述气泡内。

5.根据权利要求1所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置还包括激光去渣机构，所述激光去渣机构包括第二转盘、第二激光头以及第二伸缩组件，所述第二转盘滑动连接于所述水平滑轨上，所述第二激光头转动连接于所述第二转盘上，所述第二伸缩组件包括第二伸缩管和第二驱动器，所述第二伸缩管同轴设置于所述第二激光头的端部；所述第二驱动器能够驱动所述第二伸缩管伸入所述气泡内，所述第二激光头能够将高能激光束经所述第二伸缩管导入所述气泡内，以去除所述水下基材的表面上的熔渣。

6.根据权利要求5所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述第二激光头内同轴设置有聚焦镜片，所述聚焦镜片用于将所述高能激光束聚焦于所述水下基材的表面。

7.根据权利要求5所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述第二伸缩管包括多个由上至下依次滑动连接的第二套管，相邻的所述第二套管之间通过一第二密封圈密封，且相邻的所述第二套管之间形成一第二空腔；所述第二驱动器能够调节各所述第二空腔内的气压，以使所述第二伸缩管进行伸缩。

8.根据权利要求7所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述第二伸缩组件还包括第二密度传感器和第二控制器，所述第二密度传感器设置于最下方的所述第二套管的端部，且所述第二密度传感器和所述第二驱动器均与所述第二控制器电连接，所述第二密度传感器用于检测最下方的所述第二套管的端部周围介质的密度，所述第二控制器用于控制所述第二驱动器，以使最下方的所述第二套管的端部位于所述气泡内。

9.根据权利要求1所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：所述水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置还包括在线监测机构，所述在线监测机构包括第三转盘、移动悬臂以及摄像头，所述第三转盘滑动连接于所述水平滑轨上，所述移动悬臂的一端转动连接于所述第三转盘上，另一端与所述摄像头固定连接，所述移动悬臂能够将所述摄像头移动至所述气泡内对所述水下基材的熔池区域进行监测。

10.一种水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材方法，采用如权利要求1-9中任意一项所述的水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种水下激光电弧同轴复合湿法焊接与增材装置及方法，涉及水下焊接技术领域，包括水平滑轨和激光电弧同轴复合机构，水平滑轨设置于水下基材的上方，激光电弧同轴复合机构包括第一转盘、第一激光头以及第一伸缩组件，第一转盘滑动连接于水平滑轨上，第一激光头转动连接于第一转盘上，第一伸缩组件包括第一伸缩管和第一驱动器，第一伸缩管同轴设置于第一激光头的端部，且第一伸缩管和第一激光头内同轴设置有导电金属管，导电金属管内同轴设置有药芯焊丝，药芯焊丝能够在水下基材的熔池区域燃烧并产生气泡；第一驱动器能够驱动第一伸缩管伸入气泡内，第一激光头能够将环形激光束经第一伸缩管导入气泡内，以使环形激光束与电弧同轴耦合。

技术研发人员：付云龙,吴笛,郭宁,王德欣,童俊珲,于梦秋,黄昊
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17