双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩的制作方法

本发明涉及水下机器人焊接设备技术领域，更具体地说，涉及一种双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩。

背景技术：

随着国民经济的高速发展、能源战略的迫切需求，大量的海洋工程建设和核电站设备维护需要在水下焊接作业。水下焊接作为海洋工程的关键技术之一，其发展备受重视。从海上油气平台的安装建造到海底管线的铺设维修，从大型船舰的应急修理到核电站乏燃料池修补，水下焊接作业应用越来越广泛。

目前水下焊接方法主要有湿法水下焊接、干法水下焊接和局部干法水下焊接等三种方法；其中，湿法水下焊接的成本低，使用方便，但是质量较差；干法焊接的设备复杂，施工费用高，其适应的接头形式有限；局部干法采用微型排水设备把待焊部位一小块区域的水排开从而实现近似干法焊接效果，综合了干法焊接的高焊缝质量和湿法焊接技术简便易行的优点。综合考虑机器人焊接的特点和焊缝质量，局部干法比较适合水下机器人焊接。

局部干法焊接主要是靠排水罩通入气体把水排开进而达到保护电弧和焊缝的效果，因此排水罩的合理设计是水下局部干法焊接的关键所在。在局部干法水下焊接方面，哈尔滨焊接研究所在上世纪70年代末成功开发了排水罩式局部干法焊接系统，简称LD-CO2；华南理工大学焊接研究所也在上世纪末开展了局部干法水下焊接的研究，开发了微型排水罩局部干法水下焊接系统，并采用微型排水闸法进行了药芯焊丝水下焊接的工艺研究。近年来，北京石油化工学院也研制成功了局部干法自动水下焊接系统，取得了一些研究成果；而南昌大学也开展了水下机器人焊接系统的研究。但是，总体而言，国内外局部干法焊接排水罩的尺寸较大，不仅影响焊接机器人水下焊炬的精确定位，而且工程应用局限性很大，对不同位置的工艺适应能力较差，焊接速度较慢，生产效率低。要将局部干法焊接机器人系统成功应用于水下工程作业，需要设计一个排水效果好、结构合理、尺寸小巧、应用灵活的微型排水罩，以便焊接机器人能够精确定位以完成优质的水下焊接工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种结构合理、尺寸小巧、应用灵活、对焊接区域具有良好的排水效果和保护效果、可提高水下焊接质量的双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩，其特征在于：包括从内到外依次设置的内气罩、外气罩和挡水套；所述内气罩内部形成用于设置焊炬的焊炬安装孔；外气罩与内气罩之间形成呈收敛形的收缩喷管腔体；所述收缩喷管腔体的顶部盖设有密封盖；所述外气罩连接有至少一个进气管；进气管的管腔与收缩喷管腔体连通，以实现压缩气体输入；挡水套与外气罩连接形成排渣腔体；所述焊炬安装孔的下部和收缩喷管腔体的下部分别与排渣腔体连通。

本发明排水罩结构合理，有利于制成小尺寸小体积产品，应用灵活；通过进气管输入压缩气体，压缩气体在截面积逐渐缩小的收缩喷管腔体内不断加速，形成高压气流，从收缩喷管腔体出口各方向喷射；一方面在焊接区域周围形成一个高挺度的高压气幕，将焊接区域的水排出，另一方面阻止排气罩外的水进入。此外，内气罩内流出保护气体实现对焊接区域的进一步保护。通过这一巧妙设计的双气流结构，确保了对焊接区域排水以及保护的效果，有利于提高水下焊接质量。挡水套安装在外气罩外侧，使收缩喷管腔体与水不直接接触，进一步增强排水罩的排水性能，提高对焊接区域的保护能力。挡水套与外气罩之间留有排渣腔体，为从焊接区域排出的各种焊渣、杂质等提供停留空间，进一步提高了水下焊接的质量。

优选地，所述进气管为两个以上；各个进气管分别与外气罩连接；各个进气管分别与收缩喷管腔体相切，以使压缩气体进入收缩喷管腔体后形成旋转气流。多路进气管输入的压缩气体经汇流后形成螺旋气流；螺旋气流经过收缩喷管腔体之后进一步加速，形成高压旋转气流从收缩喷管腔体出口各方向均匀喷射，可进一步提升排水效果，提升对焊接区域的保护效果。由于螺旋气流的高速旋转，其气流外侧的压力高、内侧的压力变小，使得焊接区域的压力降低，有效改善焊接电弧随焊接现场水深增加而趋于收缩的状况，进一步提高了焊接燃弧的成功率和焊接质量。

优选地，所述收缩喷管腔体的横截面呈圆环状；所述的各个进气管分别与收缩喷管腔体相切是指，各个进气管的进气通道与圆环状收缩喷管腔体的横截面外圆相切。

优选地，所述的外气罩与内气罩之间形成收敛形收缩喷管腔体是指，外气罩从上至下延伸时逐渐向内气罩靠近形成收敛形收缩喷管腔体。

优选地，所述挡水套与外气罩之间通过调节固定结构实现连接；所述调节固定结构包括设置在挡水套外侧的气罩外套头，以及紧固件；所述气罩外套头上开设有长条形的调节槽；紧固件的一端设置在挡水套中，另一端从调节槽中伸出与调节槽槽口边沿相抵实现固定。调节固定结构可调节挡水套的高度和水平状态。

优选地，所述内气罩包括内气罩本体和顶设部；所述顶设部连接在内气罩本体的顶端，且顶设部凸出于内气罩本体的外侧；所述密封盖包括中部带有通孔的盖板，以及分别设置在盖板内沿和外沿的内侧边和外侧边；所述外侧边设置在外气罩的外侧；所述盖板内沿与顶设部的下端面相贴合；所述内侧边贴合在内气罩本体的外侧。该设计的好处是，密封盖可稳固地设置在收缩喷管腔体的顶部，防止压缩气体形成的高压使密封盖松脱而导致密封失效。

优选地，所述密封盖与外气罩之间设有密封垫圈一；所述密封盖与内气罩之间设有密封垫圈二；可加强排水罩的气密性，防止气体从顶部排出而影响排水效果。

优选地，所述焊炬安装孔孔壁设有用于安装焊炬的内螺纹。

优选地，所述挡水套是指由柔性耐高温复合材料制成的挡水套。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、更好的排水与保护效果：本发明采用独立可调的双气流保护与排水方式，在双层气流的内气罩和外气罩之间形成收缩喷管腔体，利用这一结构巧妙的同时实现了旋转进气及螺旋喷射气流；每层气流均可独立调节，极大地增强了双气流排水的灵活性；旋转气流经收缩喷管腔体压缩之后加速，沿着内气罩的外圈高速喷射出去而形成高压气帘，有效的将水从焊接区域排开和隔离，显著提高了排水能力和焊缝保护效果；

2、水下焊接电弧更易稳定：外层旋转气流经过收缩喷管腔体之后形成高速高压的旋转气流从内气罩的外圈喷射出去；由于旋转气流的外侧压力高、内侧的压力低，使得处于外层气流内侧的焊接区域的压力降低，从而减弱了水深对电弧的压缩作用，使得水下焊接电弧更易于自由扩展，电弧更为稳定；

3、工艺适应性更好：本发明首次在收缩喷管腔体气帘外加套柔性耐高温复合材料挡水套；该挡水套与外气罩柔性接触，形成相对密闭的空间，更易于实现焊接区域与水的有效隔离，进一步加强了排水保护效果；挡水套与外气罩之间形成了相对封闭的区域，为水下焊接过程产生的焊渣、杂质等提供了排放空间，从而提高了焊缝成形质量；挡水套可能根据实际焊接位置需求灵活剪裁，可以适应水下平焊、立焊、角焊、坡口焊等多位置水下焊接工艺需求，适用范围更宽；

4、更适合机器人焊接：本发明排水罩整体为空腔结构，重量小，有标准焊炬安装接口，可直接安装在机器人焊炬端部；排水罩的体积非常小巧，具有良好的工艺可达性，易于定位，非常适合机器人焊接。

附图说明

图1是本发明排水罩的结构示意图；

图2是本发明排水罩的纵向剖面图；

图3是本发明排水罩的横向剖面图；

图4是实施例二排水罩的结构示意图；

其中，1为密封垫圈一、2为密封垫圈二、3为焊炬安装孔、4为焊炬与内气罩之间的密封垫圈、5为内气罩、5.1为顶设部、5.2为内气罩本体、6为密封盖、6.1为外侧边、6.2为盖板、6.3为内侧边、7为进气管、8为紧固件、9为调节槽、10为气罩外套头、11为外气罩、12为挡水套、13为收缩喷管腔体。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

如图1～图3所示，本实施例双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩，包括从内到外依次设置的内气罩5、外气罩11和挡水套12。内气罩5内部形成用于设置焊炬的焊炬安装孔3；焊炬安装孔3孔壁设有用于安装焊炬的内螺纹。外气罩11与内气罩5之间形成呈收敛形的收缩喷管腔体13；收缩喷管腔体13的顶部盖设有密封盖6；外气罩11连接有四个进气管7；各个进气管7的管腔分别与收缩喷管腔体13连通，以实现压缩气体输入。挡水套12由柔性耐高温复合材料制成。挡水套12与外气罩11连接形成排渣腔体；焊炬安装孔3的下部和收缩喷管腔体13的下部分别与排渣腔体连通。

本发明排水罩结构合理，有利于制成小尺寸小体积产品，应用灵活；通过进气管7输入压缩气体，压缩气体在截面积逐渐缩小的收缩喷管腔体13内不断加速，形成高压气流，从收缩喷管腔体13出口各方向喷射；一方面在焊接区域周围形成一个高挺度的高压气幕，将焊接区域的水排出，另一方面阻止排气罩外的水进入。此外，内气罩5内流出保护气体实现对焊接区域的进一步保护。通过这一巧妙设计的双气流结构，确保了对焊接区域排水以及保护的效果，有利于提高水下焊接质量。挡水套12安装在外气罩11外侧，使收缩喷管腔体13与水不直接接触，进一步增强排水罩的排水性能，提高对焊接区域的保护能力。挡水套12与外气罩11之间留有排渣腔体，为从焊接区域排出的各种焊渣、杂质等提供停留空间，进一步提高了水下焊接的质量。

本实施例中，进气管为四个；实际应用中，进气管可以为一个，也可以为两个以上。优选的方案是，进气管为两个以上，各个进气管7分别与收缩喷管腔体13相切，以使压缩气体进入收缩喷管腔体13后形成旋转气流。具体地说，收缩喷管腔体13的横截面呈圆环状；各个进气管7的进气通道与圆环状收缩喷管腔体13的横截面外圆相切。多路进气管7输入的压缩气体经汇流后形成螺旋气流；随着收缩喷管腔体13的内径逐渐缩小，螺旋气流逐渐加速，在收缩喷管腔体13出口处速度达到最大，之后高压旋转气流从收缩喷管腔体13出口各方向均匀喷射形成一层稳定的气幕，可进一步提升排水效果，提升对焊接区域的保护效果。由于螺旋气流的高速旋转，其气流外侧的压力高、内侧的压力变小，使得焊接区域的压力降低，有效改善焊接电弧随焊接现场水深增加而趋于收缩的状况，进一步提高了焊接燃弧的成功率和焊接质量。

外气罩11从上至下延伸时逐渐向内气罩5靠近形成收敛形收缩喷管腔体13。外气罩11内壁面的曲线可由维氏公式计算得到。

挡水套12与外气罩11之间通过调节固定结构实现连接；调节固定结构包括设置在挡水套12外侧的气罩外套头10，以及紧固件8；气罩外套头10上开设有长条形的调节槽9；紧固件8的一端设置在挡水套12中，另一端从调节槽9中伸出与调节槽9槽口边沿相抵实现固定。调节固定结构可调节挡水套12的高度和水平状态。

内气罩5包括内气罩本体5.2和顶设部5.1；顶设部5.1连接在内气罩本体5.2的顶端，且顶设部5.1凸出于内气罩本体5.2的外侧；密封盖6包括中部带有通孔的盖板6.2，以及分别设置在盖板6.2内沿和外沿的内侧边6.3和外侧边6.1；外侧边6.1设置在外气罩11的外侧；盖板6.2内沿与顶设部5.1的下端面相贴合；内侧边6.3贴合在内气罩本体5.2的外侧。该设计的好处是，密封盖6可稳固地设置在收缩喷管腔体13的顶部，防止压缩气体形成的高压使密封盖6松脱而导致密封失效。

密封盖6与外气罩11之间设有密封垫圈一1；密封盖6与内气罩5之间设有密封垫圈二2；可加强排水罩的气密性，防止气体从顶部排出而影响排水效果。

本发明具有如下好处：

1、更好的排水与保护效果：本发明采用独立可调的双气流保护与排水方式，在双层气流的内气罩和外气罩之间形成收缩喷管腔体，利用这一结构巧妙的同时实现了旋转进气及螺旋喷射气流；每层气流均可独立调节，极大地增强了双气流排水的灵活性；旋转气流经收缩喷管腔体压缩之后加速，沿着内气罩的外圈高速喷射出去而形成高压气帘，有效的将水从焊接区域排开和隔离，显著提高了排水能力和焊缝保护效果；

2、水下焊接电弧更易稳定：外层旋转气流经过收缩喷管腔体之后形成高速高压的旋转气流从内气罩的外圈喷射出去；由于旋转气流的外侧压力高、内侧的压力低，使得处于外层气流内侧的焊接区域的压力降低，从而减弱了水深对电弧的压缩作用，使得水下焊接电弧更易于自由扩展，电弧更为稳定；

3、工艺适应性更好：本发明首次在收缩喷管腔体气帘外加套柔性耐高温复合材料挡水套；该挡水套与外气罩柔性接触，形成相对密闭的空间，更易于实现焊接区域与水的有效隔离，进一步加强了排水保护效果；挡水套与外气罩之间形成了相对封闭的区域，为水下焊接过程产生的焊渣、杂质等提供了排放空间，从而提高了焊缝成形质量；挡水套可能根据实际焊接位置需求灵活剪裁，可以适应水下平焊、立焊、角焊、坡口焊等多位置水下焊接工艺需求，适用范围更宽；

4、更适合机器人焊接：本发明排水罩整体为空腔结构，重量小，有标准焊炬安装接口，可直接安装在机器人焊炬端部；排水罩的体积非常小巧，具有良好的工艺可达性，易于定位，非常适合机器人焊接。

实施例二

本实施例双气流结构局部干法水下机器人焊接微型排水罩，如图4所示，应用于水下角焊。水下角焊时，工件相互垂直，挡水套12根据实际要求裁剪成V字形以适应实际工程应用。本实施例的其余结构与实施例一相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。