雙氣流結構局部干法水下機器人焊接微型排水罩的制作方法

本發明涉及水下機器人焊接設備技術領域，更具體地說，涉及一種雙氣流結構局部干法水下機器人焊接微型排水罩。

背景技術：

隨著國民經濟的高速發展、能源戰略的迫切需求，大量的海洋工程建設和核電站設備維護需要在水下焊接作業。水下焊接作為海洋工程的關鍵技術之一，其發展備受重視。從海上油氣平臺的安裝建造到海底管線的鋪設維修，從大型船艦的應急修理到核電站乏燃料池修補，水下焊接作業應用越來越廣泛。

目前水下焊接方法主要有濕法水下焊接、干法水下焊接和局部干法水下焊接等三種方法；其中，濕法水下焊接的成本低，使用方便，但是質量較差；干法焊接的設備復雜，施工費用高，其適應的接頭形式有限；局部干法采用微型排水設備把待焊部位一小塊區域的水排開從而實現近似干法焊接效果，綜合了干法焊接的高焊縫質量和濕法焊接技術簡便易行的優點。綜合考慮機器人焊接的特點和焊縫質量，局部干法比較適合水下機器人焊接。

局部干法焊接主要是靠排水罩通入氣體把水排開進而達到保護電弧和焊縫的效果，因此排水罩的合理設計是水下局部干法焊接的關鍵所在。在局部干法水下焊接方面，哈爾濱焊接研究所在上世紀70年代末成功開發了排水罩式局部干法焊接系統，簡稱LD-CO2；華南理工大學焊接研究所也在上世紀末開展了局部干法水下焊接的研究，開發了微型排水罩局部干法水下焊接系統，并采用微型排水閘法進行了藥芯焊絲水下焊接的工藝研究。近年來，北京石油化工學院也研制成功了局部干法自動水下焊接系統，取得了一些研究成果；而南昌大學也開展了水下機器人焊接系統的研究。但是，總體而言，國內外局部干法焊接排水罩的尺寸較大，不僅影響焊接機器人水下焊炬的精確定位，而且工程應用局限性很大，對不同位置的工藝適應能力較差，焊接速度較慢，生產效率低。要將局部干法焊接機器人系統成功應用于水下工程作業，需要設計一個排水效果好、結構合理、尺寸小巧、應用靈活的微型排水罩，以便焊接機器人能夠精確定位以完成優質的水下焊接工作。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種結構合理、尺寸小巧、應用靈活、對焊接區域具有良好的排水效果和保護效果、可提高水下焊接質量的雙氣流結構局部干法水下機器人焊接微型排水罩。

為了達到上述目的，本發明通過下述技術方案予以實現：一種雙氣流結構局部干法水下機器人焊接微型排水罩，其特征在于：包括從內到外依次設置的內氣罩、外氣罩和擋水套；所述內氣罩內部形成用于設置焊炬的焊炬安裝孔；外氣罩與內氣罩之間形成呈收斂形的收縮噴管腔體；所述收縮噴管腔體的頂部蓋設有密封蓋；所述外氣罩連接有至少一個進氣管；進氣管的管腔與收縮噴管腔體連通，以實現壓縮氣體輸入；擋水套與外氣罩連接形成排渣腔體；所述焊炬安裝孔的下部和收縮噴管腔體的下部分別與排渣腔體連通。

本發明排水罩結構合理，有利于制成小尺寸小體積產品，應用靈活；通過進氣管輸入壓縮氣體，壓縮氣體在截面積逐漸縮小的收縮噴管腔體內不斷加速，形成高壓氣流，從收縮噴管腔體出口各方向噴射；一方面在焊接區域周圍形成一個高挺度的高壓氣幕，將焊接區域的水排出，另一方面阻止排氣罩外的水進入。此外，內氣罩內流出保護氣體實現對焊接區域的進一步保護。通過這一巧妙設計的雙氣流結構，確保了對焊接區域排水以及保護的效果，有利于提高水下焊接質量。擋水套安裝在外氣罩外側，使收縮噴管腔體與水不直接接觸，進一步增強排水罩的排水性能，提高對焊接區域的保護能力。擋水套與外氣罩之間留有排渣腔體，為從焊接區域排出的各種焊渣、雜質等提供停留空間，進一步提高了水下焊接的質量。

優選地，所述進氣管為兩個以上；各個進氣管分別與外氣罩連接；各個進氣管分別與收縮噴管腔體相切，以使壓縮氣體進入收縮噴管腔體后形成旋轉氣流。多路進氣管輸入的壓縮氣體經匯流后形成螺旋氣流；螺旋氣流經過收縮噴管腔體之后進一步加速，形成高壓旋轉氣流從收縮噴管腔體出口各方向均勻噴射，可進一步提升排水效果，提升對焊接區域的保護效果。由于螺旋氣流的高速旋轉，其氣流外側的壓力高、內側的壓力變小，使得焊接區域的壓力降低，有效改善焊接電弧隨焊接現場水深增加而趨于收縮的狀況，進一步提高了焊接燃弧的成功率和焊接質量。

優選地，所述收縮噴管腔體的橫截面呈圓環狀；所述的各個進氣管分別與收縮噴管腔體相切是指，各個進氣管的進氣通道與圓環狀收縮噴管腔體的橫截面外圓相切。

優選地，所述的外氣罩與內氣罩之間形成收斂形收縮噴管腔體是指，外氣罩從上至下延伸時逐漸向內氣罩靠近形成收斂形收縮噴管腔體。

優選地，所述擋水套與外氣罩之間通過調節固定結構實現連接；所述調節固定結構包括設置在擋水套外側的氣罩外套頭，以及緊固件；所述氣罩外套頭上開設有長條形的調節槽；緊固件的一端設置在擋水套中，另一端從調節槽中伸出與調節槽槽口邊沿相抵實現固定。調節固定結構可調節擋水套的高度和水平狀態。

優選地，所述內氣罩包括內氣罩本體和頂設部；所述頂設部連接在內氣罩本體的頂端，且頂設部凸出于內氣罩本體的外側；所述密封蓋包括中部帶有通孔的蓋板，以及分別設置在蓋板內沿和外沿的內側邊和外側邊；所述外側邊設置在外氣罩的外側；所述蓋板內沿與頂設部的下端面相貼合；所述內側邊貼合在內氣罩本體的外側。該設計的好處是，密封蓋可穩固地設置在收縮噴管腔體的頂部，防止壓縮氣體形成的高壓使密封蓋松脫而導致密封失效。

優選地，所述密封蓋與外氣罩之間設有密封墊圈一；所述密封蓋與內氣罩之間設有密封墊圈二；可加強排水罩的氣密性，防止氣體從頂部排出而影響排水效果。

優選地，所述焊炬安裝孔孔壁設有用于安裝焊炬的內螺紋。

優選地，所述擋水套是指由柔性耐高溫復合材料制成的擋水套。

與現有技術相比，本發明具有如下優點與有益效果：

1、更好的排水與保護效果：本發明采用獨立可調的雙氣流保護與排水方式，在雙層氣流的內氣罩和外氣罩之間形成收縮噴管腔體，利用這一結構巧妙的同時實現了旋轉進氣及螺旋噴射氣流；每層氣流均可獨立調節，極大地增強了雙氣流排水的靈活性；旋轉氣流經收縮噴管腔體壓縮之后加速，沿著內氣罩的外圈高速噴射出去而形成高壓氣簾，有效的將水從焊接區域排開和隔離，顯著提高了排水能力和焊縫保護效果；

2、水下焊接電弧更易穩定：外層旋轉氣流經過收縮噴管腔體之后形成高速高壓的旋轉氣流從內氣罩的外圈噴射出去；由于旋轉氣流的外側壓力高、內側的壓力低，使得處于外層氣流內側的焊接區域的壓力降低，從而減弱了水深對電弧的壓縮作用，使得水下焊接電弧更易于自由擴展，電弧更為穩定；

3、工藝適應性更好：本發明首次在收縮噴管腔體氣簾外加套柔性耐高溫復合材料擋水套；該擋水套與外氣罩柔性接觸，形成相對密閉的空間，更易于實現焊接區域與水的有效隔離，進一步加強了排水保護效果；擋水套與外氣罩之間形成了相對封閉的區域，為水下焊接過程產生的焊渣、雜質等提供了排放空間，從而提高了焊縫成形質量；擋水套可能根據實際焊接位置需求靈活剪裁，可以適應水下平焊、立焊、角焊、坡口焊等多位置水下焊接工藝需求，適用范圍更寬；

4、更適合機器人焊接：本發明排水罩整體為空腔結構，重量小，有標準焊炬安裝接口，可直接安裝在機器人焊炬端部；排水罩的體積非常小巧，具有良好的工藝可達性，易于定位，非常適合機器人焊接。

附圖說明

圖1是本發明排水罩的結構示意圖；

圖2是本發明排水罩的縱向剖面圖；

圖3是本發明排水罩的橫向剖面圖；

圖4是實施例二排水罩的結構示意圖；

其中，1為密封墊圈一、2為密封墊圈二、3為焊炬安裝孔、4為焊炬與內氣罩之間的密封墊圈、5為內氣罩、5.1為頂設部、5.2為內氣罩本體、6為密封蓋、6.1為外側邊、6.2為蓋板、6.3為內側邊、7為進氣管、8為緊固件、9為調節槽、10為氣罩外套頭、11為外氣罩、12為擋水套、13為收縮噴管腔體。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細的描述。

實施例一

如圖1～圖3所示，本實施例雙氣流結構局部干法水下機器人焊接微型排水罩，包括從內到外依次設置的內氣罩5、外氣罩11和擋水套12。內氣罩5內部形成用于設置焊炬的焊炬安裝孔3；焊炬安裝孔3孔壁設有用于安裝焊炬的內螺紋。外氣罩11與內氣罩5之間形成呈收斂形的收縮噴管腔體13；收縮噴管腔體13的頂部蓋設有密封蓋6；外氣罩11連接有四個進氣管7；各個進氣管7的管腔分別與收縮噴管腔體13連通，以實現壓縮氣體輸入。擋水套12由柔性耐高溫復合材料制成。擋水套12與外氣罩11連接形成排渣腔體；焊炬安裝孔3的下部和收縮噴管腔體13的下部分別與排渣腔體連通。

本發明排水罩結構合理，有利于制成小尺寸小體積產品，應用靈活；通過進氣管7輸入壓縮氣體，壓縮氣體在截面積逐漸縮小的收縮噴管腔體13內不斷加速，形成高壓氣流，從收縮噴管腔體13出口各方向噴射；一方面在焊接區域周圍形成一個高挺度的高壓氣幕，將焊接區域的水排出，另一方面阻止排氣罩外的水進入。此外，內氣罩5內流出保護氣體實現對焊接區域的進一步保護。通過這一巧妙設計的雙氣流結構，確保了對焊接區域排水以及保護的效果，有利于提高水下焊接質量。擋水套12安裝在外氣罩11外側，使收縮噴管腔體13與水不直接接觸，進一步增強排水罩的排水性能，提高對焊接區域的保護能力。擋水套12與外氣罩11之間留有排渣腔體，為從焊接區域排出的各種焊渣、雜質等提供停留空間，進一步提高了水下焊接的質量。

本實施例中，進氣管為四個；實際應用中，進氣管可以為一個，也可以為兩個以上。優選的方案是，進氣管為兩個以上，各個進氣管7分別與收縮噴管腔體13相切，以使壓縮氣體進入收縮噴管腔體13后形成旋轉氣流。具體地說，收縮噴管腔體13的橫截面呈圓環狀；各個進氣管7的進氣通道與圓環狀收縮噴管腔體13的橫截面外圓相切。多路進氣管7輸入的壓縮氣體經匯流后形成螺旋氣流；隨著收縮噴管腔體13的內徑逐漸縮小，螺旋氣流逐漸加速，在收縮噴管腔體13出口處速度達到最大，之后高壓旋轉氣流從收縮噴管腔體13出口各方向均勻噴射形成一層穩定的氣幕，可進一步提升排水效果，提升對焊接區域的保護效果。由于螺旋氣流的高速旋轉，其氣流外側的壓力高、內側的壓力變小，使得焊接區域的壓力降低，有效改善焊接電弧隨焊接現場水深增加而趨于收縮的狀況，進一步提高了焊接燃弧的成功率和焊接質量。

外氣罩11從上至下延伸時逐漸向內氣罩5靠近形成收斂形收縮噴管腔體13。外氣罩11內壁面的曲線可由維氏公式計算得到。

擋水套12與外氣罩11之間通過調節固定結構實現連接；調節固定結構包括設置在擋水套12外側的氣罩外套頭10，以及緊固件8；氣罩外套頭10上開設有長條形的調節槽9；緊固件8的一端設置在擋水套12中，另一端從調節槽9中伸出與調節槽9槽口邊沿相抵實現固定。調節固定結構可調節擋水套12的高度和水平狀態。

內氣罩5包括內氣罩本體5.2和頂設部5.1；頂設部5.1連接在內氣罩本體5.2的頂端，且頂設部5.1凸出于內氣罩本體5.2的外側；密封蓋6包括中部帶有通孔的蓋板6.2，以及分別設置在蓋板6.2內沿和外沿的內側邊6.3和外側邊6.1；外側邊6.1設置在外氣罩11的外側；蓋板6.2內沿與頂設部5.1的下端面相貼合；內側邊6.3貼合在內氣罩本體5.2的外側。該設計的好處是，密封蓋6可穩固地設置在收縮噴管腔體13的頂部，防止壓縮氣體形成的高壓使密封蓋6松脫而導致密封失效。

密封蓋6與外氣罩11之間設有密封墊圈一1；密封蓋6與內氣罩5之間設有密封墊圈二2；可加強排水罩的氣密性，防止氣體從頂部排出而影響排水效果。

本發明具有如下好處：

1、更好的排水與保護效果：本發明采用獨立可調的雙氣流保護與排水方式，在雙層氣流的內氣罩和外氣罩之間形成收縮噴管腔體，利用這一結構巧妙的同時實現了旋轉進氣及螺旋噴射氣流；每層氣流均可獨立調節，極大地增強了雙氣流排水的靈活性；旋轉氣流經收縮噴管腔體壓縮之后加速，沿著內氣罩的外圈高速噴射出去而形成高壓氣簾，有效的將水從焊接區域排開和隔離，顯著提高了排水能力和焊縫保護效果；

2、水下焊接電弧更易穩定：外層旋轉氣流經過收縮噴管腔體之后形成高速高壓的旋轉氣流從內氣罩的外圈噴射出去；由于旋轉氣流的外側壓力高、內側的壓力低，使得處于外層氣流內側的焊接區域的壓力降低，從而減弱了水深對電弧的壓縮作用，使得水下焊接電弧更易于自由擴展，電弧更為穩定；

3、工藝適應性更好：本發明首次在收縮噴管腔體氣簾外加套柔性耐高溫復合材料擋水套；該擋水套與外氣罩柔性接觸，形成相對密閉的空間，更易于實現焊接區域與水的有效隔離，進一步加強了排水保護效果；擋水套與外氣罩之間形成了相對封閉的區域，為水下焊接過程產生的焊渣、雜質等提供了排放空間，從而提高了焊縫成形質量；擋水套可能根據實際焊接位置需求靈活剪裁，可以適應水下平焊、立焊、角焊、坡口焊等多位置水下焊接工藝需求，適用范圍更寬；

4、更適合機器人焊接：本發明排水罩整體為空腔結構，重量小，有標準焊炬安裝接口，可直接安裝在機器人焊炬端部；排水罩的體積非常小巧，具有良好的工藝可達性，易于定位，非常適合機器人焊接。

實施例二

本實施例雙氣流結構局部干法水下機器人焊接微型排水罩，如圖4所示，應用于水下角焊。水下角焊時，工件相互垂直，擋水套12根據實際要求裁剪成V字形以適應實際工程應用。本實施例的其余結構與實施例一相同。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。