专利名称：潜水式数字化水下湿法焊接电源及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接设备，具体地说是一种耐水压、密封性能好、可在水下200m环境下稳定输出并且基于DSP实现对焊接过程控制的潜水式数字化水下湿法焊接电源及其应用。
背景技术：
随着焊接技术的发展，水下焊接技术已成为当今的热点话题。大型舰船修复，海底管道连接等都必须采用水下焊接技术。水下环境使得水下焊接过程比陆上焊接过程复杂得多，除焊接技术外，还涉及到潜水作业技术等诸多因素。采用局部干法等水下焊接技术虽然可以得到期望的焊接质量，但是操作环境等受到一定制约。水下湿法焊接与干法及局部干法焊接相比，应用广泛；但安全性最差，海水中焊接时，如果海水进入焊接设备的电力系统中，不仅造成触电危险，还会损坏焊接设备，因此密封成为湿法焊接设备的一项安全问题。水下湿法焊接时，所使用的设备容易受到海水的腐蚀，在材料选择上要考虑耐海水腐蚀问 题。而在深水处湿法焊接时，由于海水所产生的巨大压力，焊接设备也要具有一定的抗压能力。大部分水下湿法焊接系统，其焊接电源和控制系统在陆地上，送丝机在水下，这种系统适合于水深较浅的情况下焊接。而对于水深较深时，这种系统已失去可行性，这主要由焊接电弧的特性及电源内部器件耐压值所决定的。焊接电弧是一种低电压、大电流的气体放电现象，当水深较深时，如果焊接电源在陆地上，焊把线及地线也会很长，电阻很大，由于电弧的这种特性，在焊把线及地线上会有很大的压降，从而造成焊接电源输出端电压急剧降低，无法完成水下焊接过程。如何降低输出端线缆过长带来的压降问题，保证焊接电源的可靠输出便成为解决深水焊接的关键问题。同时，随着我国对海洋能源(潮汐、波浪、海流，温差)的开发规模越来越大，这也为深海水下焊接的提供了电力来源，未来即时发电即时水下焊接便成为降低水下建造与修复成本、提高大水深焊接与修复可行性的有效途径。为达到上述深水焊接之目的，本发明研发了可放置于水下的基于DSP控制的潜水式数字化水下湿法焊接电源。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺点和不足，提出一种耐水压、密封性能好、可在水下200m环境下稳定输出并且基于DSP实现对焊接过程控制的潜水式数字化水下湿法焊接电源及其应用。本发明可以通过以下措施达到
一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，包括壳体以及位于壳体内的焊机主电路，其特征在于所述壳体的两端设有法兰及法兰端盖，其中法兰与壳体采用搭接对焊连接，法兰端盖与法兰采用厚度3mm的聚四氟乙烯法兰垫密封，壳体上设有气阀以及分别与焊机主电路相连接的动力输入电缆接口、控制电缆接口、电源输出接口，壳体内充有惰性气体，当深度h在Om-IOOm的范围内时，壳体内气压值Ptl=O. 2MP，当深度h > IOOm时，Ptl=O. 2+0. Olh，壳体上的动力输入电缆接口、控制电缆接口均采用插接式的水密接头，该水密接头主要包括插头底座、0型密封圈、插头体以及填料函，其中插头底座焊接到壳体上的法兰端盖上，插头体与插头底座采用螺纹加0型圈密封连接，电缆与插头体采用填料函进行密封，壳体内侧设有用于热量循环的盘管，壳体上设有分别与盘管的输入端和输出端相连接的水冷输入口和水冷输出口。本发 明中壳体上的动力输入电缆接口、控制电缆接口均采用插接式的水密接头，该水密接头主要包括插头底座、0型密封圈、插头体以及填料函，其中插头底座焊接到壳体上的法兰端盖上，插头体与插头底座采用螺纹加0型圈密封连接，电缆与插头体采用填料函进行密封，即依靠填料函中的压紧装置挤压填料，通过电缆与填料产生的塑性变形来达到密封效果，本发明壳体内侧设有用于热量循环的盘管，使用时可以采用热量交换性能良好的铜管实现，壳体上设有分别与盘管的输入端和输出端相连接的水冷输入口和水冷输出口，可通过与外界水环境进行热量交换(水循环)来保证电源自身工作的稳定性。本发明中位于壳体内的焊机主电路包括用于给整个焊接系统供电的电源电路以及用于根据水下环境智能控制电源电路输出参数的控制电路，其中控制电路基于DSP控制芯片实现，包括DSP控制芯片以及分别与DSP控制芯片相连接的参数存储单元、与电源电路相连接的电压传感器、与电源电路相连接的电流传感器、由多路DA单元和多路驱动单元组成的输出电流电压波形的优化控制单元、水深测量传感器；电源电路由依次相连的整流电路、逆变电路、变压电路、二次整流电路组成，外部的动力电源经动力输入电缆接口输入后，进入电源电路，依次经过整流处理、逆变处理、变压再经二次整流后输出。本发明焊机主电路中的控制电路内还可以设有送丝机驱动单元，送丝机驱动单元与DSP控制芯片相连接，从而采用药芯焊丝焊接时，可以配合半自动送丝机使用。本发明焊机主电路中的控制电路还可以设有水下控制与显示单元，该单元可以采用控制键盘等输入装置以及液晶屏/数码管等显示装置实现，用于方便使用者获知装置的工作参数、工作状态，并根据现场施工环境的不同进行调节。本发明还设有地面控制盒，地面控制盒内的控制芯片事先内嵌嵌入式操作系统，可通过通信电缆和水下控制系统通信，实时获取水下焊接参数，并保存，同时运行诊断系统，可实时分析数据或者事后分析该数据，地面控制盒与壳体内的焊机主电路中的控制电路相连接，在使用时地面控制盒位于施工水域外，例如甲板上，可以实现对本装置电流电压调节、显示及电源的启动、停止等工作状态的外部控制，因此，焊机主电路中的控制电路内对应设有通信接口，通信接口与DSP控制芯片相连接，用于实现与外部的数据交换。本发明还提出一种应用上述潜水式数字化水下湿法焊接电源实现水下200m环境下稳定输出焊接电压电流的方法，其特征在于焊接开始时根据施工环境所处深度的水压，向焊接电源的壳体内充入惰性气体，来平衡壳体内外压力，焊接电源在焊接过程中位于水底，根据水深测量传感器采集的数据，通过DSP控制芯片实现对焊接过程输出的电压电流波形的优化。本发明所述对对焊接过程输出的电压电流波形的优化，是指随着焊接水深的增力口，该电源的输出空载电压可以随水深变化，空载电压U随水深h的变化规律如下当Om 彡 h < 50m 时，U=75V ;当 50m 彡 h 彡 IOOm 时，U=85V ；当 IOOm 彡 h < 150m 时，U=95V ；当150m彡h彡200m时，U=IOOV ;以适应水下湿法焊接稳定性的要求，在此基础上可以根据水深在DSP控制芯片内部设置焊接参数组，从而实现不同水深的水下湿法焊接参数有效选择，同时结合地面控制系统，根据水下焊接的实际需要，修改参数组，达到灵活控制的目的。本发明在使用时，由于焊接主要分三个部分，起弧过程、焊接过程、收弧过程，起弧过程中起弧电压也即空载电压随水深增加而增加，本发明在使用时主要通过查表的方式，以20cm为间隔，将水深和起弧电压相对应进行存储，实际焊接时，直接调用该参数；起弧和焊接之间的过渡，存储了线性过渡曲线、指数曲线、对数曲线、和可修改的任意过渡曲线四种功能，根据不同焊接工件进行选择；在焊接过程中，焊接电源外特性为恒压，这里采用改进PID算法,来控制电压的稳定性,其中^gSError (n)表示当前的采样数值与给定值的差，一阶后项差分为(I)式，表不相邻两次偏差之间的差值
V Error (n) =Error (n) -Error (n_l)(I)
当Error (n)的绝对值大于某给定值时,认为误差已经很大,控制器输出最大，反向控制，最快减小误差；
当Eiror (n)的绝对值小于某给定值时，认为误差很小，通过积分环节减小稳态误差即
可；
当Error (n)大于零,▽ Error (n)也大于零(或者两者均小于零)则说明误差在增大，表明原来减小误差的方法效果不明显，应该采取更强的控制方法；
当Error (n) 大于零,▽ Error (n) 小于零(或者前者小于零，后者大于零)则说明误差在减小，说明控制方法有效，可根据VBrroHn)变化率来修改控制参数，保证输出电压的稳定；收弧过程和起弧过程类似，同样
存储了线性过渡曲线、指数曲线、对数曲线和任意过渡曲线四种模式供不同焊接工件选择。本发明中通过对起弧电压也即空载电压的优化，可以改善起弧的可靠性，同时当焊接过程中发生断弧时，迅速再次起弧有效保证焊接工作的正常进行。本发明中所述壳体可选用普通低碳钢、低合金钢、不锈钢或钛合金制成，用于达到密封性高、抗压能力好的目标，壳体内的电源电路由输入整流滤波、IGBT逆变器、变压器及输出整流滤波组成，并通过DSP控制芯片实现对输出电流电压波形的优化控制及焊接过程的控制，焊接电源可以通过DSP控制芯片实现与外部控制器如地面控制盒的通讯，进而可以根据不同的水深实现焊机输出电压的预先设置，使焊接电源可以随着水深的增加提高输出空载电压，提闻焊接的稳定性和引弧的可罪性，减少探索焊接规范的时间，提闻焊接效率。
附图I是本发明的结构示意图。附图2是本发明中水密接头的结构示意图。附图3是本发明中焊机主电路的原理框图。附图4是本发明中壳体的左视图。附图标记壳体I、法兰2、法兰端盖3、动力输入电缆接口 4、控制电缆接口 5、电源输出接口 6、水冷输入口 7、水冷输出口 8、地面控制盒9、气阀10、插头底座11、0型密封圈 12、插头体13、填料函14、DSP控制芯片15、参数存储单元16、电压传感器17、电流传感器18、多路DA单元19、多路驱动单元20、优化控制单元21、水深测量传感器22、整流电路23、逆变电路23、变压电路25、二次整流电路26、送丝机驱动单元27、水下控制与显示单元28、通信接口 29。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。本发明提出了 一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，如附图I所示，包括壳体I以及位于壳体I内的焊机主电路，其特征在于所述壳体I的两端设有法兰2及法兰端盖3，其中法兰2与壳体I采用搭接对焊连接，法兰端盖3与法兰2采用厚度3_的聚四氟乙烯法兰垫密封，壳体I上还设有气阀10以及动力输入电缆接口 4、控制电缆接口 5以及两个电源输出接口 6，在实际使用时，两个电源输出接口 6位于壳体I 一侧的法兰端盖3上，而动力输入电缆接口 4、控制电缆接口 5及其它接口均位于壳体I另一端的法兰端盖3上，本发明所采用的法兰2与法兰端盖3周边均布20螺栓孔，二者紧密连接，有效提高壳体I的密封性，其中动力输入电缆接口 4、控制电缆接口 5均采用插接式的水密接头，如附图2所示，该水密接头主要包括插头底座11、0型密封圈12、插头体13以及填料函14，其中插头底座11焊接到壳体I上的法兰端盖3上，插头体13与插头底座11采用螺纹加0型圈12密封连接，电缆与插头体13采用填料函14进行密封，即依靠填料函14中的压紧装置挤压填料，通过电缆与填料产生的塑性变形来达到密封效果。如附图3所示，本发明中位于壳体I内的焊机主电路包括用于给整个焊接系统供电的电源电路以及用于根据水下环境智能控制电源电路输出参数的控制电路，其中控制电路基于DSP控制芯片实现，包括DSP控制芯片15以及分别与DSP控制芯片15相连接的参数存储单元16、与电源电路相连接的电压传感器17、与电源电路相连接的电流传感器18、由多路DA单元19和多路驱动单元20组成的输出电流电压波形的优化控制单元21、水深测量传感器22 ;电源电路由依次相连的整流电路23、逆变电路23、变压电路25、二次整流电路26组成，外部的动力电源经动力输入电缆接口输入后，进入电源电路，依次经过整流处理、逆变处理、变压再经二次整流后输出。本发明焊机主电路中的控制电路内还可以设有送丝机驱动单元27，送丝机驱动单元27与DSP控制芯片15相连接，从而采用药芯焊丝焊接时，可以配合半自动送丝机使用。本发明焊机主电路中的控制电路还可以设有与DSP控制芯片15相连接的水下控制与显示单元28，该单元可以采用控制键盘等输入装置以及液晶屏/数码管等显示装置实现，用于方便使用者获知装置的工作参数、工作状态，并根据现场施工环境的不同进行调节。本发明壳体I内侧设有用于热量循环的盘管，壳体I上设有分别与盘管的输入端和输出端相连接的水冷输入口 7和水冷输出口 8，可通过与外界水环境进行热量交换(水循环)来保证电源自身工作的稳定性。本发明还设有地面控制盒9，地面控制盒9与壳体I内的焊机主电路中的控制电路相连接，在使用时地面控制盒位于施工水域外，例如甲板上，可以实现对本装置电流电压调节、显示及电源的启动、停止等工作状态的外部控制，因此，焊机主电路中的控制电路内对应设有通信接口 29，通信接口与DSP控制芯片15相连接，用于实现与外部的数据交换。本发明使用时，施工环境为水深60m以内，电源可放置在陆上，由潜水焊工在水下进行焊接，当水深超过60m以后，潜水电源可以放置在水下，通过动力输入电缆对焊接电源进行动力输入，可实现最大200m水深的水下焊接过程。在进行水下焊接前，通过安置在壳体I上的气阀对设备进行压力试验，并将其内部的压力保持在下潜后相应水环境的压力，以平衡壳体I与施工外界环境的压力，保证壳体I的稳定性，之后采用吊装的形式将焊接电源送至相应施工位置，焊接开始，焊接电源内的电源电路在控制电路的控制下，将外部输入的三相380v的高压电转换为焊接所需电源，并通过壳体一端的两个电源输出接口为焊接装置供电；当采用焊条电弧焊进行水下焊接时，焊接电源壳体I上的两个电源输出接口 6可直接用于焊接的正负极进行焊接；当采用药芯焊丝焊接时，半自动水下焊接送丝机除需连接正负输出(即电源输出接口 6)外，还需连接电源的控制插座即控制电缆接口 5，以实现焊接电源与送丝机的协调工作；本发明配备的水冷系统即安装在壳体内侧的盘管，可通过与外界循环泵等装置的配合，实现热量交换(水循环)来保证电源自身工作的稳定性；地面控制盒9与壳体I内控制电路中的DSP控制芯片15可以以有线或无线的方式实现通信，进而完成数据交换，也即焊接电源壳体I内的电流传感器、电压传感器、水深测量传感器所采集的数据以及其他装置工作状态有关的信息可以送出水面，水面外的地面控制盒9可以根据接收的上述信息向潜水焊接电源发送控制指令，该指令由焊接电源壳体I内的DSP控制芯片15接收后分析处理并作出相应的执行动作，进而实现焊接电源的电流电压调节、显示及 电源的启动、停止均可由甲板上的地面控制盒9控制实现。本发明中所述壳体I可选用普通低碳钢、低合金钢、不锈钢或钛合金制成，具体可以采用内径400mm-600mm，壁厚15_25mm，长度600-900mm的无缝钢管或者钛合金管，用于达到密封性高、抗压能力好的目标，壳体I内的电源电路由输入整流滤波电路、IGBT逆变器、变压器及输出整流滤波电路组成，并通过DSP控制芯片15实现对输出电流电压波形的优化控制及焊接过程的控制，焊接电源可以通过DSP控制芯片15实现与外部控制器如地面控制盒9的通讯，进而可以根据不同的水深实现焊机输出电压的预先设置，使焊接电源可以随着水深的增加提闻输出空载电压，提闻焊接的稳定性和引弧的可罪性，减少探索焊接规范的时间，提闻焊接效率。本发明基于DSP的焊接主电路，主要由DSP控制芯片实现对电源的脉宽调制、恒温控制以及波形优化，实现对水下焊接电压及焊接电流的实时输出与调整，以水深作为重要参数的焊接专家系统是指基于焊接水深的变化对焊接电源的输出空载电压进行有效调整，从而可以改善水下湿法焊接的引弧可靠性及电弧稳定性，该潜水式电源最大输出电流500A，输出电压10疒50V，空载电压50-110V可调，电缆的输入输出采用填料函等进行密封，电源的冷却采用可与外界水环境进行热量交换的水冷系统，既可以进行水下焊条电弧焊的焊接，又可搭载水下机器人进行全自动化水下焊接，具有耐水压、密封性能好、可靠性高、可在水下200m环境下稳定输出等显著的优点。
权利要求
1.一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，包括壳体以及位于壳体内的焊机主电路,其特征在于所述壳体的两端设有法兰及法兰端盖，其中法兰与壳体采用搭接对焊连接，法兰端盖与法兰采用厚度3mm的聚四氟乙烯法兰垫密封，壳体上设有气阀以及分别与焊机主电路相连接的动力输入电缆接口、控制电缆接口、电源输出接口，壳体内充有惰性气体，当深度h在Om-IOOm的范围内时，壳体内气压值Ptl=O. 2MP，当深度h > IOOm时，Ptl=O. 2+0. Olh,壳体上的动力输入电缆接口、控制电缆接口均采用插接式的水密接头，该水密接头主要包括插头底座、O型密封圈、插头体以及填料函，其中插头底座焊接到壳体上的法兰端盖上，插头体与插头底座采用螺纹加O型圈密封连接，电缆与插头体采用填料函进行密封，壳体内侧设有用于热量循环的盘管，壳体上设有分别与盘管的输入端和输出端相连接的水冷输入口和水冷输出口。
2.根据权利要求I所述的一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，其特征在于位于壳体内的焊机主电路包括用于给整个焊接系统供电的电源电路以及用于根据水下环境智能控制电源电路输出参数的控制电路，其中控制电路基于DSP控制芯片实现，包括DSP控制芯片以及分别与DSP控制芯片相连接的参数存储单元、与电源电路相连接的电压传感器、与电源电路相连接的电流传感器、由多路DA单元和多路驱动单元组成的输出电流电压波形的优化控制单元、水深测量传感器；电源电路由依次相连的整流电路、逆变电路、变压电路、二次整流电路组成。
3.根据权利要求2所述的一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，其特征在于焊机主电路中的控制电路内还设有送丝机驱动单元，送丝机驱动单元与DSP控制芯片相连接。
4.根据权利要求2所述的一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，其特征在于焊机主电路中的控制电路还设有与DSP控制芯片相连接的水下控制与显示单元。
5.根据权利要求3所述的一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，其特征在于还设有地面控制盒，地面控制盒与壳体内的焊机主电路中的控制电路经缆线相连接。
6.根据权利要求2所述的一种潜水式数字化水下湿法焊接电源，其特征在于壳体采用采用内径400mm-600mm，壁厚15_25mm，长度600-900mm的无缝钢管或者钛合金管。
7.一种应用权利要求I至6中任意一项所述的潜水式数字化水下湿法焊接电源实现水下200m环境下稳定输出焊接电压电流的方法，其特征在于焊接开始时根据施工环境所处深度的水压，向焊接电源的壳体内充入惰性气体，来平衡壳体内外压力，焊接电源在焊接过程中位于水底，根据水深测量传感器采集的数据，通过DSP控制芯片实现对焊接过程输出的电压电流波形的优化，其中对焊接过程输出的电压电流波形的优化，是指随着焊接水深h的增加，该电源的输出空载电压U有如下变化规律当Om彡h < 50m时，U=75V ;当50m 彡 h 彡 IOOm 时，U=85V ;当 IOOm 彡 h < 150m 时，U=95V ;当 150m 彡 h ( 200m 时，U=100V。
8.根据权利要求7所述的一种实现水下200m环境下稳定输出焊接电压电流的方法，其特征在于在焊接过程中采用改进PID算法来控制输出电压的稳定性，其中JiSEiror (n)表示当前的采样数值与给定值的差，一阶后项差分为(I)式，表示相邻两次偏差之间的差值， V Error (n) =Error (n) -Error (n_l)(I) 当Error (n)的绝对值大于某给定值时,认为误差已经很大,控制器输出最大,反向控制，最快减小误差；当Eiror (n)的绝对值小于某给定值时，认为误差很小，通过积分环节减小稳态误差即可； 当Error (n)大于零,▽ Error (n)也大于零或者两者均小于零则说明误差在增大,表明原来减小误差的方法效果不明显，应该采取更强的控制方法； 当Error (n)大于零,▽ Error (n)小于零或者前者小于零,后者大于零,则说明误差在减小，说明控制方法有效，根据VEiror (n)变化率来修改控制参数，保证输出电压的稳定。
全文摘要
本发明涉及一种焊接设备，具体地说是一种耐水压、密封性能好、可在水下200m环境下稳定输出并且基于DSP实现对焊接过程控制的潜水式数字化水下湿法焊接电源，包括壳体以及位于壳体内的焊机主电路，其特征在于所述壳体的两端设有法兰及法兰端盖，其中法兰与壳体采用搭接对焊连接，法兰端盖与法兰采用厚度3mm的聚四氟乙烯法兰垫密封，壳体上还设有气阀以及动力输入电缆接口、控制电缆接口、电源输出接口，本发明具有耐水压、密封性能好、可在水下200m环境下稳定输出等显著地优点。
文档编号B23K9/10GK102773582SQ201210289768
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者代翔宇, 冯吉才, 张洪涛, 袁新, 赵占峰 申请人:哈尔滨工业大学(威海)