專利名稱：潛水式數字化水下濕法焊接電源及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接設備，具體地說是一種耐水壓、密封性能好、可在水下200m環境下穩定輸出并且基于DSP實現對焊接過程控制的潛水式數字化水下濕法焊接電源及其應用。
背景技術：
隨著焊接技術的發展，水下焊接技術已成為當今的熱點話題。大型艦船修復，海底管道連接等都必須采用水下焊接技術。水下環境使得水下焊接過程比陸上焊接過程復雜得多，除焊接技術外，還涉及到潛水作業技術等諸多因素。采用局部干法等水下焊接技術雖然可以得到期望的焊接質量，但是操作環境等受到一定制約。水下濕法焊接與干法及局部干法焊接相比，應用廣泛；但安全性最差，海水中焊接時，如果海水進入焊接設備的電力系統中，不僅造成觸電危險，還會損壞焊接設備，因此密封成為濕法焊接設備的一項安全問題。水下濕法焊接時，所使用的設備容易受到海水的腐蝕，在材料選擇上要考慮耐海水腐蝕問 題。而在深水處濕法焊接時，由于海水所產生的巨大壓力，焊接設備也要具有一定的抗壓能力。大部分水下濕法焊接系統，其焊接電源和控制系統在陸地上，送絲機在水下，這種系統適合于水深較淺的情況下焊接。而對于水深較深時，這種系統已失去可行性，這主要由焊接電弧的特性及電源內部器件耐壓值所決定的。焊接電弧是一種低電壓、大電流的氣體放電現象，當水深較深時，如果焊接電源在陸地上，焊把線及地線也會很長，電阻很大，由于電弧的這種特性，在焊把線及地線上會有很大的壓降，從而造成焊接電源輸出端電壓急劇降低，無法完成水下焊接過程。如何降低輸出端線纜過長帶來的壓降問題，保證焊接電源的可靠輸出便成為解決深水焊接的關鍵問題。同時，隨著我國對海洋能源(潮汐、波浪、海流，溫差)的開發規模越來越大，這也為深海水下焊接的提供了電力來源，未來即時發電即時水下焊接便成為降低水下建造與修復成本、提高大水深焊接與修復可行性的有效途徑。為達到上述深水焊接之目的，本發明研發了可放置于水下的基于DSP控制的潛水式數字化水下濕法焊接電源。
發明內容
本發明針對現有技術存在的缺點和不足，提出一種耐水壓、密封性能好、可在水下200m環境下穩定輸出并且基于DSP實現對焊接過程控制的潛水式數字化水下濕法焊接電源及其應用。本發明可以通過以下措施達到
一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，包括殼體以及位于殼體內的焊機主電路，其特征在于所述殼體的兩端設有法蘭及法蘭端蓋，其中法蘭與殼體采用搭接對焊連接，法蘭端蓋與法蘭采用厚度3mm的聚四氟乙烯法蘭墊密封，殼體上設有氣閥以及分別與焊機主電路相連接的動力輸入電纜接口、控制電纜接口、電源輸出接口，殼體內充有惰性氣體，當深度h在Om-IOOm的范圍內時，殼體內氣壓值Ptl=O. 2MP，當深度h > IOOm時，Ptl=O. 2+0. Olh，殼體上的動力輸入電纜接口、控制電纜接口均采用插接式的水密接頭，該水密接頭主要包括插頭底座、0型密封圈、插頭體以及填料函，其中插頭底座焊接到殼體上的法蘭端蓋上，插頭體與插頭底座采用螺紋加0型圈密封連接，電纜與插頭體采用填料函進行密封，殼體內側設有用于熱量循環的盤管，殼體上設有分別與盤管的輸入端和輸出端相連接的水冷輸入口和水冷輸出口。本發 明中殼體上的動力輸入電纜接口、控制電纜接口均采用插接式的水密接頭，該水密接頭主要包括插頭底座、0型密封圈、插頭體以及填料函，其中插頭底座焊接到殼體上的法蘭端蓋上，插頭體與插頭底座采用螺紋加0型圈密封連接，電纜與插頭體采用填料函進行密封，即依靠填料函中的壓緊裝置擠壓填料，通過電纜與填料產生的塑性變形來達到密封效果，本發明殼體內側設有用于熱量循環的盤管，使用時可以采用熱量交換性能良好的銅管實現，殼體上設有分別與盤管的輸入端和輸出端相連接的水冷輸入口和水冷輸出口，可通過與外界水環境進行熱量交換(水循環)來保證電源自身工作的穩定性。本發明中位于殼體內的焊機主電路包括用于給整個焊接系統供電的電源電路以及用于根據水下環境智能控制電源電路輸出參數的控制電路，其中控制電路基于DSP控制芯片實現，包括DSP控制芯片以及分別與DSP控制芯片相連接的參數存儲單元、與電源電路相連接的電壓傳感器、與電源電路相連接的電流傳感器、由多路DA單元和多路驅動單元組成的輸出電流電壓波形的優化控制單元、水深測量傳感器；電源電路由依次相連的整流電路、逆變電路、變壓電路、二次整流電路組成，外部的動力電源經動力輸入電纜接口輸入后，進入電源電路，依次經過整流處理、逆變處理、變壓再經二次整流后輸出。本發明焊機主電路中的控制電路內還可以設有送絲機驅動單元，送絲機驅動單元與DSP控制芯片相連接，從而采用藥芯焊絲焊接時，可以配合半自動送絲機使用。本發明焊機主電路中的控制電路還可以設有水下控制與顯示單元，該單元可以采用控制鍵盤等輸入裝置以及液晶屏/數碼管等顯示裝置實現，用于方便使用者獲知裝置的工作參數、工作狀態，并根據現場施工環境的不同進行調節。本發明還設有地面控制盒，地面控制盒內的控制芯片事先內嵌嵌入式操作系統，可通過通信電纜和水下控制系統通信，實時獲取水下焊接參數，并保存，同時運行診斷系統，可實時分析數據或者事后分析該數據，地面控制盒與殼體內的焊機主電路中的控制電路相連接，在使用時地面控制盒位于施工水域外，例如甲板上，可以實現對本裝置電流電壓調節、顯示及電源的啟動、停止等工作狀態的外部控制，因此，焊機主電路中的控制電路內對應設有通信接口，通信接口與DSP控制芯片相連接，用于實現與外部的數據交換。本發明還提出一種應用上述潛水式數字化水下濕法焊接電源實現水下200m環境下穩定輸出焊接電壓電流的方法，其特征在于焊接開始時根據施工環境所處深度的水壓，向焊接電源的殼體內充入惰性氣體，來平衡殼體內外壓力，焊接電源在焊接過程中位于水底，根據水深測量傳感器采集的數據，通過DSP控制芯片實現對焊接過程輸出的電壓電流波形的優化。本發明所述對對焊接過程輸出的電壓電流波形的優化，是指隨著焊接水深的增力口，該電源的輸出空載電壓可以隨水深變化，空載電壓U隨水深h的變化規律如下當Om 彡 h < 50m 時，U=75V ;當 50m 彡 h 彡 IOOm 時，U=85V ；當 IOOm 彡 h < 150m 時，U=95V ；當150m彡h彡200m時，U=IOOV ;以適應水下濕法焊接穩定性的要求，在此基礎上可以根據水深在DSP控制芯片內部設置焊接參數組，從而實現不同水深的水下濕法焊接參數有效選擇，同時結合地面控制系統，根據水下焊接的實際需要，修改參數組，達到靈活控制的目的。本發明在使用時，由于焊接主要分三個部分，起弧過程、焊接過程、收弧過程，起弧過程中起弧電壓也即空載電壓隨水深增加而增加，本發明在使用時主要通過查表的方式，以20cm為間隔，將水深和起弧電壓相對應進行存儲，實際焊接時，直接調用該參數；起弧和焊接之間的過渡，存儲了線性過渡曲線、指數曲線、對數曲線、和可修改的任意過渡曲線四種功能，根據不同焊接工件進行選擇；在焊接過程中，焊接電源外特性為恒壓，這里采用改進PID算法,來控制電壓的穩定性,其中^gSError (n)表示當前的采樣數值與給定值的差，一階后項差分為(I)式，表不相鄰兩次偏差之間的差值
V Error (n) =Error (n) -Error (n_l)(I)
當Error (n)的絕對值大于某給定值時,認為誤差已經很大,控制器輸出最大，反向控制，最快減小誤差；
當Eiror (n)的絕對值小于某給定值時，認為誤差很小，通過積分環節減小穩態誤差即
可；
當Error (n)大于零,▽ Error (n)也大于零(或者兩者均小于零)則說明誤差在增大，表明原來減小誤差的方法效果不明顯，應該采取更強的控制方法；
當Error (n) 大于零,▽ Error (n) 小于零(或者前者小于零，后者大于零)則說明誤差在減小，說明控制方法有效，可根據VBrroHn)變化率來修改控制參數，保證輸出電壓的穩定；收弧過程和起弧過程類似，同樣
存儲了線性過渡曲線、指數曲線、對數曲線和任意過渡曲線四種模式供不同焊接工件選擇。本發明中通過對起弧電壓也即空載電壓的優化，可以改善起弧的可靠性，同時當焊接過程中發生斷弧時，迅速再次起弧有效保證焊接工作的正常進行。本發明中所述殼體可選用普通低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼或鈦合金制成，用于達到密封性高、抗壓能力好的目標，殼體內的電源電路由輸入整流濾波、IGBT逆變器、變壓器及輸出整流濾波組成，并通過DSP控制芯片實現對輸出電流電壓波形的優化控制及焊接過程的控制，焊接電源可以通過DSP控制芯片實現與外部控制器如地面控制盒的通訊，進而可以根據不同的水深實現焊機輸出電壓的預先設置，使焊接電源可以隨著水深的增加提高輸出空載電壓，提聞焊接的穩定性和引弧的可罪性，減少探索焊接規范的時間，提聞焊接效率。
附圖I是本發明的結構示意圖。附圖2是本發明中水密接頭的結構示意圖。附圖3是本發明中焊機主電路的原理框圖。附圖4是本發明中殼體的左視圖。附圖標記殼體I、法蘭2、法蘭端蓋3、動力輸入電纜接口 4、控制電纜接口 5、電源輸出接口 6、水冷輸入口 7、水冷輸出口 8、地面控制盒9、氣閥10、插頭底座11、0型密封圈 12、插頭體13、填料函14、DSP控制芯片15、參數存儲單元16、電壓傳感器17、電流傳感器18、多路DA單元19、多路驅動單元20、優化控制單元21、水深測量傳感器22、整流電路23、逆變電路23、變壓電路25、二次整流電路26、送絲機驅動單元27、水下控制與顯示單元28、通信接口 29。
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。本發明提出了 一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，如附圖I所示，包括殼體I以及位于殼體I內的焊機主電路，其特征在于所述殼體I的兩端設有法蘭2及法蘭端蓋3，其中法蘭2與殼體I采用搭接對焊連接，法蘭端蓋3與法蘭2采用厚度3_的聚四氟乙烯法蘭墊密封，殼體I上還設有氣閥10以及動力輸入電纜接口 4、控制電纜接口 5以及兩個電源輸出接口 6，在實際使用時，兩個電源輸出接口 6位于殼體I 一側的法蘭端蓋3上，而動力輸入電纜接口 4、控制電纜接口 5及其它接口均位于殼體I另一端的法蘭端蓋3上，本發明所采用的法蘭2與法蘭端蓋3周邊均布20螺栓孔，二者緊密連接，有效提高殼體I的密封性，其中動力輸入電纜接口 4、控制電纜接口 5均采用插接式的水密接頭，如附圖2所示，該水密接頭主要包括插頭底座11、0型密封圈12、插頭體13以及填料函14，其中插頭底座11焊接到殼體I上的法蘭端蓋3上，插頭體13與插頭底座11采用螺紋加0型圈12密封連接，電纜與插頭體13采用填料函14進行密封，即依靠填料函14中的壓緊裝置擠壓填料，通過電纜與填料產生的塑性變形來達到密封效果。如附圖3所示，本發明中位于殼體I內的焊機主電路包括用于給整個焊接系統供電的電源電路以及用于根據水下環境智能控制電源電路輸出參數的控制電路，其中控制電路基于DSP控制芯片實現，包括DSP控制芯片15以及分別與DSP控制芯片15相連接的參數存儲單元16、與電源電路相連接的電壓傳感器17、與電源電路相連接的電流傳感器18、由多路DA單元19和多路驅動單元20組成的輸出電流電壓波形的優化控制單元21、水深測量傳感器22 ;電源電路由依次相連的整流電路23、逆變電路23、變壓電路25、二次整流電路26組成，外部的動力電源經動力輸入電纜接口輸入后，進入電源電路，依次經過整流處理、逆變處理、變壓再經二次整流后輸出。本發明焊機主電路中的控制電路內還可以設有送絲機驅動單元27，送絲機驅動單元27與DSP控制芯片15相連接，從而采用藥芯焊絲焊接時，可以配合半自動送絲機使用。本發明焊機主電路中的控制電路還可以設有與DSP控制芯片15相連接的水下控制與顯示單元28，該單元可以采用控制鍵盤等輸入裝置以及液晶屏/數碼管等顯示裝置實現，用于方便使用者獲知裝置的工作參數、工作狀態，并根據現場施工環境的不同進行調節。本發明殼體I內側設有用于熱量循環的盤管，殼體I上設有分別與盤管的輸入端和輸出端相連接的水冷輸入口 7和水冷輸出口 8，可通過與外界水環境進行熱量交換(水循環)來保證電源自身工作的穩定性。本發明還設有地面控制盒9，地面控制盒9與殼體I內的焊機主電路中的控制電路相連接，在使用時地面控制盒位于施工水域外，例如甲板上，可以實現對本裝置電流電壓調節、顯示及電源的啟動、停止等工作狀態的外部控制，因此，焊機主電路中的控制電路內對應設有通信接口 29，通信接口與DSP控制芯片15相連接，用于實現與外部的數據交換。本發明使用時，施工環境為水深60m以內，電源可放置在陸上，由潛水焊工在水下進行焊接，當水深超過60m以后，潛水電源可以放置在水下，通過動力輸入電纜對焊接電源進行動力輸入，可實現最大200m水深的水下焊接過程。在進行水下焊接前，通過安置在殼體I上的氣閥對設備進行壓力試驗，并將其內部的壓力保持在下潛后相應水環境的壓力，以平衡殼體I與施工外界環境的壓力，保證殼體I的穩定性，之后采用吊裝的形式將焊接電源送至相應施工位置，焊接開始，焊接電源內的電源電路在控制電路的控制下，將外部輸入的三相380v的高壓電轉換為焊接所需電源，并通過殼體一端的兩個電源輸出接口為焊接裝置供電；當采用焊條電弧焊進行水下焊接時，焊接電源殼體I上的兩個電源輸出接口 6可直接用于焊接的正負極進行焊接；當采用藥芯焊絲焊接時，半自動水下焊接送絲機除需連接正負輸出(即電源輸出接口 6)外，還需連接電源的控制插座即控制電纜接口 5，以實現焊接電源與送絲機的協調工作；本發明配備的水冷系統即安裝在殼體內側的盤管，可通過與外界循環泵等裝置的配合，實現熱量交換(水循環)來保證電源自身工作的穩定性；地面控制盒9與殼體I內控制電路中的DSP控制芯片15可以以有線或無線的方式實現通信，進而完成數據交換，也即焊接電源殼體I內的電流傳感器、電壓傳感器、水深測量傳感器所采集的數據以及其他裝置工作狀態有關的信息可以送出水面，水面外的地面控制盒9可以根據接收的上述信息向潛水焊接電源發送控制指令，該指令由焊接電源殼體I內的DSP控制芯片15接收后分析處理并作出相應的執行動作，進而實現焊接電源的電流電壓調節、顯示及 電源的啟動、停止均可由甲板上的地面控制盒9控制實現。本發明中所述殼體I可選用普通低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼或鈦合金制成，具體可以采用內徑400mm-600mm，壁厚15_25mm，長度600-900mm的無縫鋼管或者鈦合金管，用于達到密封性高、抗壓能力好的目標，殼體I內的電源電路由輸入整流濾波電路、IGBT逆變器、變壓器及輸出整流濾波電路組成，并通過DSP控制芯片15實現對輸出電流電壓波形的優化控制及焊接過程的控制，焊接電源可以通過DSP控制芯片15實現與外部控制器如地面控制盒9的通訊，進而可以根據不同的水深實現焊機輸出電壓的預先設置，使焊接電源可以隨著水深的增加提聞輸出空載電壓，提聞焊接的穩定性和引弧的可罪性，減少探索焊接規范的時間，提聞焊接效率。本發明基于DSP的焊接主電路，主要由DSP控制芯片實現對電源的脈寬調制、恒溫控制以及波形優化，實現對水下焊接電壓及焊接電流的實時輸出與調整，以水深作為重要參數的焊接專家系統是指基于焊接水深的變化對焊接電源的輸出空載電壓進行有效調整，從而可以改善水下濕法焊接的引弧可靠性及電弧穩定性，該潛水式電源最大輸出電流500A，輸出電壓10疒50V，空載電壓50-110V可調，電纜的輸入輸出采用填料函等進行密封，電源的冷卻采用可與外界水環境進行熱量交換的水冷系統，既可以進行水下焊條電弧焊的焊接，又可搭載水下機器人進行全自動化水下焊接，具有耐水壓、密封性能好、可靠性高、可在水下200m環境下穩定輸出等顯著的優點。
權利要求
1.一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，包括殼體以及位于殼體內的焊機主電路,其特征在于所述殼體的兩端設有法蘭及法蘭端蓋，其中法蘭與殼體采用搭接對焊連接，法蘭端蓋與法蘭采用厚度3mm的聚四氟乙烯法蘭墊密封，殼體上設有氣閥以及分別與焊機主電路相連接的動力輸入電纜接口、控制電纜接口、電源輸出接口，殼體內充有惰性氣體，當深度h在Om-IOOm的范圍內時，殼體內氣壓值Ptl=O. 2MP，當深度h > IOOm時，Ptl=O. 2+0. Olh,殼體上的動力輸入電纜接口、控制電纜接口均采用插接式的水密接頭，該水密接頭主要包括插頭底座、O型密封圈、插頭體以及填料函，其中插頭底座焊接到殼體上的法蘭端蓋上，插頭體與插頭底座采用螺紋加O型圈密封連接，電纜與插頭體采用填料函進行密封，殼體內側設有用于熱量循環的盤管，殼體上設有分別與盤管的輸入端和輸出端相連接的水冷輸入口和水冷輸出口。
2.根據權利要求I所述的一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，其特征在于位于殼體內的焊機主電路包括用于給整個焊接系統供電的電源電路以及用于根據水下環境智能控制電源電路輸出參數的控制電路，其中控制電路基于DSP控制芯片實現，包括DSP控制芯片以及分別與DSP控制芯片相連接的參數存儲單元、與電源電路相連接的電壓傳感器、與電源電路相連接的電流傳感器、由多路DA單元和多路驅動單元組成的輸出電流電壓波形的優化控制單元、水深測量傳感器；電源電路由依次相連的整流電路、逆變電路、變壓電路、二次整流電路組成。
3.根據權利要求2所述的一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，其特征在于焊機主電路中的控制電路內還設有送絲機驅動單元，送絲機驅動單元與DSP控制芯片相連接。
4.根據權利要求2所述的一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，其特征在于焊機主電路中的控制電路還設有與DSP控制芯片相連接的水下控制與顯示單元。
5.根據權利要求3所述的一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，其特征在于還設有地面控制盒，地面控制盒與殼體內的焊機主電路中的控制電路經纜線相連接。
6.根據權利要求2所述的一種潛水式數字化水下濕法焊接電源，其特征在于殼體采用采用內徑400mm-600mm，壁厚15_25mm，長度600-900mm的無縫鋼管或者鈦合金管。
7.一種應用權利要求I至6中任意一項所述的潛水式數字化水下濕法焊接電源實現水下200m環境下穩定輸出焊接電壓電流的方法，其特征在于焊接開始時根據施工環境所處深度的水壓，向焊接電源的殼體內充入惰性氣體，來平衡殼體內外壓力，焊接電源在焊接過程中位于水底，根據水深測量傳感器采集的數據，通過DSP控制芯片實現對焊接過程輸出的電壓電流波形的優化，其中對焊接過程輸出的電壓電流波形的優化，是指隨著焊接水深h的增加，該電源的輸出空載電壓U有如下變化規律當Om彡h < 50m時，U=75V ;當50m 彡 h 彡 IOOm 時，U=85V ;當 IOOm 彡 h < 150m 時，U=95V ;當 150m 彡 h ( 200m 時，U=100V。
8.根據權利要求7所述的一種實現水下200m環境下穩定輸出焊接電壓電流的方法，其特征在于在焊接過程中采用改進PID算法來控制輸出電壓的穩定性，其中JiSEiror (n)表示當前的采樣數值與給定值的差，一階后項差分為(I)式，表示相鄰兩次偏差之間的差值， V Error (n) =Error (n) -Error (n_l)(I) 當Error (n)的絕對值大于某給定值時,認為誤差已經很大,控制器輸出最大,反向控制，最快減小誤差；當Eiror (n)的絕對值小于某給定值時，認為誤差很小，通過積分環節減小穩態誤差即可； 當Error (n)大于零,▽ Error (n)也大于零或者兩者均小于零則說明誤差在增大,表明原來減小誤差的方法效果不明顯，應該采取更強的控制方法； 當Error (n)大于零,▽ Error (n)小于零或者前者小于零,后者大于零,則說明誤差在減小，說明控制方法有效，根據VEiror (n)變化率來修改控制參數，保證輸出電壓的穩定。
全文摘要
本發明涉及一種焊接設備，具體地說是一種耐水壓、密封性能好、可在水下200m環境下穩定輸出并且基于DSP實現對焊接過程控制的潛水式數字化水下濕法焊接電源，包括殼體以及位于殼體內的焊機主電路，其特征在于所述殼體的兩端設有法蘭及法蘭端蓋，其中法蘭與殼體采用搭接對焊連接，法蘭端蓋與法蘭采用厚度3mm的聚四氟乙烯法蘭墊密封，殼體上還設有氣閥以及動力輸入電纜接口、控制電纜接口、電源輸出接口，本發明具有耐水壓、密封性能好、可在水下200m環境下穩定輸出等顯著地優點。
文檔編號B23K9/10GK102773582SQ201210289768
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月15日 優先權日2012年8月15日
發明者代翔宇, 馮吉才, 張洪濤, 袁新, 趙占峰 申請人:哈爾濱工業大學(威海)