水下电弧增材制造设备的制作方法

本发明涉及水下焊接技术领域，具体涉及一种水下电弧增材制造设备。

背景技术：

为了开发利用海洋资源，大型海洋结构件的制造成为重中之重，而且，大型海洋结构件在长期使用中，会不断受到海水的侵蚀，造成不同程度的损害，因此大型海洋结构件的制造和维修具有重要意义。其中，水下增材制造技术已成为大型海洋结构件制造和维修的关键。

目前，水下增材制造技术主要包括水下激光束焊接、水下搅拌摩擦焊和水下电弧焊。

水下搅拌摩擦焊属于固相连接，在使用过程中不受水深的影响，但是由于搅拌摩擦焊的设备复杂，在深海中考虑设备的防水性会加大设备生产的成本。

水下激光束焊接由于表面成形质量高，材料适应性强，具有广泛的应用。中国专利申请号201610855857.0公开了一种水下设施激光增材修复的方法与装置，这种装置的特点是在待修复区域形成局部干燥区，并且对激光器进行防水设计，这种水下设施激光增材修复装置虽然能够提高增材修复的质量，但该设备复杂，成本较高。

相比水下激光束焊接、水下搅拌摩擦焊，水下电弧焊具有设备成本低廉、操作简单、熔敷效率高、结构件尺寸不受限制，能够实现多位置的增材制造的优点。

利用水下电弧增材制造技术生产结构件，一方面，在逐层堆积的过程中，先熔覆层的热积累量不断增加，焊缝熔池流动性加快，容易造成结构件边缘塌陷，结构件成形质量较低；另一方面，由于水的存在，电弧稳定性降低，从而使得先熔覆层的表面成形质量恶化，先熔覆层的表面成形质量恶化使得后一熔覆层的成型质量也恶化；此外，焊缝熔池在水的作用下，冷却速度过快，致使结构件内部的氢气孔、裂纹等焊接缺陷增多，降低了结构件的力学性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种水下电弧增材制造设备，用以解决水下电弧焊焊接得到的金属结构件的性能低下的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水下电弧增材制造设备，包括电源、焊丝、焊枪、导电嘴及约束件，所述电源用于提供焊丝熔化的电流，所述焊枪与所述导电嘴连接，所述焊枪和所述导电嘴上设置有通孔，所述焊丝穿过所述通孔并且所述焊丝的端部伸出所述焊枪，所述约束件与所述焊枪连接，所述约束件用于对焊接过程形成的熔融金属进行约束。

进一步地，所述水下电弧增材制造设备还包括防水组件及送气装置，所述防水组件用于将所述送气装置输出的保护气密封在焊接区。

进一步地，所述防水组件包括防水罩、防水件和柔性件，所述防水罩包括第一开口结构和第二开口结构，所述防水罩套设在所述焊枪的外壁上，所述防水罩的第一开口结构与所述焊枪密封连接，所述柔性件通过所述防水件、所述约束件与所述防水罩的第二开口结构连接，所述防水罩上还设置有送气孔，所述送气孔与所述送气装置密封连通。

进一步地，所述防水组件还包括箍形件，所述防水罩的第一开口结构通过所述箍形件与所述焊枪密封连接。

进一步地，所述密封罩的第二开口结构的横截面为框型结构，所述约束件包括两个约束板，两个所述约束板分别连接在所述密封罩的相对两侧面，所述防水件包括两个防水板，两个所述防水板分别连接在所述防水罩的另外两侧面。

进一步地，所述约束件包括多个第一连接结构，所述防水罩可选择地与所述约束件的不同第一连接结构密封连接；和/或，

所述防水件包括多个第二连接结构，所述防水罩可选择地与所述防水件的不同第二连接结构密封连接。

进一步地，所述防水组件还包括紧固件，所述第一连接结构和/或第二连接结构为安装槽，所述防水罩可选择地与所述约束件的不同安装槽和/或所述防水件的不同安装槽通过所述紧固件密封连接。

进一步地，所述柔性件包括排水毛毡。

进一步地，所述约束件与所述熔融金属接触的壁面包括平面和/或曲面。

进一步地，所述水下电弧增材制造设备还包括送丝装置，所述送丝装置用于输送所述焊丝。

本发明提供的水下电弧增材制造设备中，采用约束件对熔融金属进行约束，从而使得熔融金属的流动受阻，结构件边缘不易塌陷，提高了结构件的成型质量。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。

图1是本发明具体实施方式中提供的水下电弧增材制造设备的一个视角的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中提供的水下电弧增材制造设备的另一视角的结构示意图。

图中：

1、电源；

2、焊丝；

3、焊枪；

4、导电嘴；41、通孔；

5、约束件；51、第一连接结构；

6、防水组件；61、防水罩；611、第一开口结构；6111、中间开口的板件；612、第二开口结构；6121、第一侧板；6122、第二侧板；6123、第三侧板；6124、第四侧板；613、送气孔；62、防水件；621、第二连接结构；63、柔性件；64、箍形件；65、防水管；66、紧固件；67、锁紧套；

7、送气装置；

8、送丝装置；

9、焊接母材。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

参照图1和图2所示，本发明提供一种水下电弧增材制造设备，用于水下焊接。

水下电弧增材制造设备包括电源1、焊丝2、焊枪3、导电嘴4及约束件5，所述电源1用于提供焊丝2熔化的电流，所述焊枪3与所述导电嘴4连接，所述焊枪3例如可以为水下湿法焊接焊枪3，所述焊枪3和所述导电嘴4上设置有通孔41，所述焊丝2穿过所述通孔41并且所述焊丝2的端部伸出所述焊枪3。

所述约束件5与所述焊枪3连接，所述约束件5对焊接过程的熔融金属进行约束，以防止焊缝熔池流动加快造成的结构件边缘塌陷。

为了避免水对电弧稳定性的影响，所述水下电弧增材制造设备还包括防水组件6及送气装置7，所述防水组件6用于将所述送气装置7输出的保护气密封在焊接区。优选地，当焊丝2为药芯焊丝时，所述送气装置7提供的保护气为空气，当所述焊丝2为实芯焊丝时，所述送气装置7提供的保护气为二氧化碳、氩气、二氧化碳和氩气混合气、二氧化碳和氧气混合气、二氧化碳和氩气及氧气混合气。

所述防水组件6的一种基体实施方式为，所述防水组件6包括防水罩61、防水件62和柔性件63。所述防水罩61包括第一开口结构611和第二开口结构612，所述防水罩61套设在所述焊枪3的外壁上，所述防水罩61的第一开口结构611与所述焊枪3密封连接，优选地，所述防水组件6还包括箍形件64，所述防水罩61的第一开口结构611通过所述箍形件64与所述焊枪3密封连接。

所述柔性件63通过所述防水件62、所述约束件5与所述防水罩61的第二开口结构612连接，优选地，所述柔性件63包括排水毛毡，所述防水组件包括锁紧套67，所述排水毛毡通过所述锁紧套67连接在所述防水件62和所述约束件5上，在焊接的过程中，所述排水毛毡与所述熔融金属贴合，从而使得所述送气装置7中的气体从所述排水毛毡与所述熔融金属的贴合处排入水中，而水无法从所述排水毛毡与所述熔融金属的贴合处进入焊接区。当然，在没有进行焊接的时候，所述排水毛毡与焊接母材9贴合。

优选地，所述密封罩的第二开口结构612的横截面为框型结构，所述约束件5包括两个约束板，两个所述约束板分别连接在所述密封罩61的相对两侧面，所述防水件62包括两个防水板，两个所述防水板分别连接在所述防水罩61的另外两侧面。可以理解，相对设置的所述约束件5的内壁之间的距离要小于熔融金属的宽度，这样可以实现对熔融金属侧壁的机械约束。优选地，所述防水罩61包括第一侧板6121、第二侧板6122、第三侧板6123及第四侧板6124(图中未示出)，所述第一侧板6121、第二侧板6122、第三侧板6123及第四侧板6124形成框型结构，所述框型结构构成第二开口结构612，所述防水罩61还包括中间开口的板件6111，所述中间开口的板件6111设置在所述第二开口结构612的一端，所述中间开口的板件6111构成第一开口结构611。

所述防水罩61上还设置有送气孔613，所述送气孔613与所述送气装置7密封连通。优选地，所述防水组件6还包括防水管65，所述防水罩61上的送气孔613通过所述防水管65与所述送气装置7密封连通。

为了使得本发明的水下电弧增材制造设备在使用过程中，约束件5和防水件62距离熔覆层的距离可以调节，从而使得约束件5对熔覆层的约束作用以及防水组件6对焊接区的防水作用可以随逐层堆积的焊缝的高度变化，所述约束件5包括多个第一连接结构51，所述防水罩61可选择地与所述约束件5的不同第一连接结构51密封连接，所述防水件62包括多个第二连接结构621，所述防水罩61可选择地与所述防水件62的不同第二连接结构621密封连接。优选地，所述防水组件6还包括紧固件66，所述第一连接结构51和第二连接结构621为安装槽，所述防水罩61可选择地与所述约束件5的不同安装槽、所述防水件62的不同安装槽通过所述紧固件66密封连接。

可以理解，在水下电弧增材制造生产结构件的过程中，为了防止焊条更换造成的不便，所述水下电弧增材制造设备还包括送丝装置8，所述送丝装置8用于输送所述焊丝2，以使得生产的时候，连续作业，节约时间。

为了能够生成不同形状的结构件，所述约束件5与所述熔融金属接触的壁面包括平面、曲面、平面和曲面的结合，以完成不同形状结构件的实体制造。

进一步优选地，所述约束件5、防水件62、防水罩61的材料为紫铜，紫铜的热导率较高，熔融金属凝固时不易连接在紫铜上。

本发明的水下电弧增材制造设备的使用方法包括如下步骤：

步骤一：设置两个约束件5内壁间的距离，使其小于熔融金属的宽度，设置所述导电嘴4到焊接母材9的距离，并移动到待焊接位置；

步骤二：将所述防水罩61的第一开口结构611密封连接到所述焊枪3的外壁上，所述防水罩61的第二开口结构612上密封连接所述防水件62和所述约束件5；

步骤三：将所述排水毛毡分别密封连接到所述约束件5和所述防水件62的下端，调整所述约束件5和所述防水件62上的安装槽，使所述排水毛毡的下端与焊接母材9紧密贴合，再将焊枪3固定在焊接机器人上；

步骤四：启动送气装置7，预先通入保护气，观察排水毛毡与所述焊接母材9的贴合处是否有气泡逸出；

步骤五：待排水毛毡和焊接母材9的贴合处有气泡逸出时，接通焊接电源1，同时移动焊枪3，在焊接母材9上进行第一熔覆层的焊接，完成后关闭焊接电源1，待一段时间后关闭送气装置7，以防止水过快进入到焊接区内，进而降低焊缝熔池的冷却速度；

步骤六：通过焊接机器人将焊枪3向上提升，保证所述导电嘴4底端到第一熔敷层表面的距离等于步骤一中导电嘴4到焊接母材9的距离，调整与所述密封罩连接的所述约束件5、所述防水件62的安装槽，使连接在约束件5上的所述排水毛毡与焊接母材9紧密贴合，连接在所述防水件62上的所述排水毛毡与第一熔覆层紧密贴合；

步骤七：继续启动送气装置7通入保护气，待排水毛毡处有气泡逸出时在第一熔覆层的表面进行第二熔覆层的焊接，完成后关闭焊接电源1，待一段时间后关闭送气装置7；

步骤八：重复进行第三层、第四层至第N层的熔敷，直至实现结构件的实体制造。

优选地，两个约束件5内壁间的距离为4-10mm，所述导电嘴4端部到焊接母材9的距离为10-20mm，所述送气装置7的气流量为20-50L/min，所述送气装置7延后时间为10-30s。

本发明提供的水下电弧增材制造设备中，首先，在电弧熔敷过程中，利用两个约束件5的内壁距离小于实际熔融金属的宽度，实现约束件5对熔融金属的强制成形，提高了结构件的精度，减少了沉积层的疏松和塌陷，进而使得结构件的组织致密；其次，约束件5采用紫铜材料，使得熔融金属凝固时不会与约束件5相连接，保证了熔敷率；再者，利用保护气营造焊接区的气体环境，从而提高了电弧稳定性，进而提高了焊接质量；最后，本发明的水下电弧增材制造设备成本低廉，操作方便，具有很广泛的应用价值。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。