湿法水下焊接及水下焊接机器人技术进展

海洋作为能源、食品和原材料的重要来源地,越来越受到世界各国研究人员的重视.大量海洋工程的出现,对水下焊接技术提出了更高的要求.着眼于水下焊接中的湿法焊接技术,介绍了国内外的最新发展,概括了当前研究的两个重要领域,即水下焊接专用焊务的研制和湿法焊接用传感器;指出水下焊接机器人是实现人类从浅水走向深水的必然选择,从水下焊接机器人的机构设计和密封设计、远距离通信及遥控焊接等方面介绍了当前水下焊接机器人的技术进展.     

水下焊接技术的研究与应用现状

随着海洋工程不断向深海推进以及核电站内部构件修复等新问题的提出.对水下焊接技术提出了更高的要求.本文简要介绍了高压干法、局部干法以厦深水结构摩擦叠焊等水下焊接技术研究与应用的最新进展,综述了水下机器人在水下焊接领域的研究现状,并对水下焊接技术的发展趋势提出了一些看法.     

水下焊接机器人视觉传感器设计

为满足水下焊接的要求,提出了一种用于水下焊接机器人视觉传感器的设计方案.首先介绍了水下焊接机器人视觉传感系统的组成.并对传感器内部CCD和激光器的空间布局结构进行了设计,最后对视觉传感系统与焊接装置的总体进行了设计,并着重介绍了传感器的密封设计.给出了设计后传感器实物照片.     

水下机器人局部干法焊接系统的分析

针对核电站优质水下焊接修复需求,研制了一套局部干法水下机器人焊接系统.以DSC微处理器为核心,结合二次逆变主电路,设计了全数字多波形柔性输出的大功率水下焊接电源;采用电枢电压反馈控制、高频斩波脉宽调制及动静密封技术,开发了紧凑型潜水送丝装置;针对焊接局部保护和排渣难题,开发了基于收缩喷管原理的双气帘结构微型排水罩.集成专用水下焊枪、机器人、视觉系统等,搭建水下机器人局部干法焊接试验平台,开展水下焊接试验.结果表明,研制的局部干法焊接系统样机性能可靠,引弧成功率高,焊接过程稳定,焊缝成形美观.     

水下焊接技术研究和应用的进展

水下焊接由于受水的影响,其焊接方法与焊接设备都比陆上的复杂得多,综述了各种水下焊接技术研究与应用的最新进展,介绍了现在的一些新技术在焊接领域的应用现状,并对水下焊接技术的发展趋势提出了一些看法。     

国内外高压干法水下焊接技术研究概述

介绍了目前国内外在高压干法水下焊接技术研究方面所采用的试验设备,归纳了国内外对高压干法水下焊接的电弧特性、冶金特性及接头性能等方面的研究成果。     

大型构件水下焊接机器人系统

针对水下焊接环境要求,设计了一种履带式水下焊接机器人系统,该系统由机器人本体机构、激光视觉传感器、控制系统和焊接系统组成. 机器人本体机构由履带式移动平台和焊枪调节机构构成,运动灵活可靠,满足水下焊接焊缝跟踪要求. 完成了视觉传感器部件选型及光路设计,实现水下环境的焊缝自动识别. 设计了基于PLC机器人控制系统和协调控制方法,实现水下环境的焊缝跟踪控制. 同时在水下焊接试验平台完成焊接跟踪试验. 结果表明,机器人运行稳定,焊缝成形较好,焊接质量满足要求.     

水下焊接技术的研究发展现状

随着海洋工程的发展与深海资源的进一步开发,水下焊接技术的重要性愈显突出.特别是近年来,随着水下焊接技术的不断完善,其在核电、港口、桥梁等其他“涉水”行业也逐渐成为不可或缺的技术,为我国在能源领域长期稳定的发展奠定了牢固的技术基础.但是与欧美等发达国家相比,我国对水下焊接的研究工作起步较晚,仍有许多问题亟待解决.从焊接方法、焊接材料及焊接设备三个方面介绍了水下焊接技术在国内外的发展现状,并指出研制新型焊接材料和发展智能化的焊接设备是水下焊接技术发展的关键.     

水下焊接技术现状及发展

对近年来的水下焊接技术进行了综述,指出了现行水下焊接技术的特点和不足,认为水下焊接接头质量以及可靠性还有待于进一步发展和提高,焊接方法的灵活性、可操作性方面需要加强.详细介绍了水下焊接所用设备,预测了水下焊接技术研究趋势.     

北京石油化工学院能源工程先进连接技术研究中心成果简介(1)——先进水下连接技术

0前言从2000年以来,北京石油化工学院能源工程先进连接技术研究中心(以下简称研究中心)在国家高技术研究发展计划(863计划)等的支持下,开发了一系列高新焊接技术,尤其是在水下焊接和焊接自动化领域取得了重要突破。研究中心建立了水下干式高压焊接装置,研制成功了遥操作海底管道维修焊接机器人,开发了海底管道高压焊接工艺,并进行了海上试验。除了水下干式高压焊接,研究中心还建立了用于核电厂检修的水下焊接实验系统,能够模拟30m水深工程环     

遥操作干式高压海底管道维修焊接机器人系统

干式高压焊接是既能保证焊接质量又易于实施的海底管道维修方法.基于目前的自动化技术水平和海管坡口制备难度大的现实,提出了基于高级焊工焊接知识和潜水员水下工作技能的遥控海底管道维修焊接策略.研制了一套干式高压环境管道全位置焊接机器人及其分置于水面母船甲板和水下干式舱的机器人焊接控制系统,研制了分别用于场景、坡口和焊缝的视觉监视系统,以及计算机远程信息采集监控系统,它们与水下干式舱系统一道构成了水下干式管道维修系统.还研究了干式舱充气气体种类、焊接电源特殊性和舱内引弧问题.利用先期在干式高压焊接实验室获得的海管焊接工艺完成了海上焊接维修试验,焊缝质量良好.

Abstract：

Among the available underwater pipeline repair methods, hyperbaric TIG welding technology may be the easier one to obtain better joint quality. Due to the low automation level and the bevel preparation difficulty, the repair welding should be conducted based on both the welding knowledge of the welder on deck and the operation skill of the diver. A tele-operated robot for all position hypetharic pipe welding was developed. In the specified case of underwater welding, the process was controlled by a surface based operator, a clear and real time image of the arc as well as the image of groove location were required. An observation system of three cameras for chamber, groove and weld was also developed respectively. All the necessary message of vision, welding current and arc voltage were collected and transferred to the surface by the developed computerized information system. The underwater pipeline maintanence system consists of the welding robot, observation system, the informarion system, together with the habitation. The chamber gas type, the welding power source and arc striking were also studied. With the welding proceedure developed in the hyperbaric welding laboratory, a good weld was obtained in a underwater pipe repair welding test at Bohai sea.     

局部干法自动水下焊接系统的研究

为进行远程控制水下焊接,研制了一套局部干法自动水下焊接系统,进行了15 m水深局部干法自动水下焊接工艺试验.结果表明,该水下焊接系统稳定可靠,焊缝成形良好,能够用于特殊环境的远程控制自动水下焊接作业.     

不同水下环境介质对水下焊接电弧等离子体成分及温度的影响分析

文中通过对水下焊接电弧光谱的采集和分析,研究了清水、硼酸溶液、LiOH溶液、硼酸+LiOH混合溶液等不同介质的水环境对水下焊接电弧等离子体成分以及温度的影响,并对陆上焊接和水下焊接的电弧等离子体成分和温度进行对比分析.结果表明;不同的水下环境介质对水下焊接电弧等离子体成分以及温度几乎无影响.但水下焊接与陆上焊接相比,其电弧等离子体成分比陆上焊接明显增加了H和O元素.此外水下焊接过程中,由于水环境的影响,使水下焊接电弧温度低于陆上焊接.     

Study of gas shielding stability for underwater local dry welding based on FLUENT

The research of gas shielding stability technology, playing a key role in underwater local dry welding, was introduced in this paper. The study includes shielding cup design, gas flow simulation, draining and welding experiments. The commercial computational fluid dynamics(CFD) software FLUENT was applied to get and compare the speed and pressure contour images of gas in the three kinds of cup with different intake mode. The computed results show that the cup with stilling chamber on the top has the best shielding performance. The underwater welding experiment of 15 meters proves that the shielding cup with stilling chamber can offer a good dry space, the welding arc can burn stably in it and the weld quality is perfect. The research will facilitate the application of underwater local dry welding technology in the maintenance of nuclear power station widely.     

水下湿法手工自蔓延焊接技术

基于自蔓延高温合成技术（SHS技术）和湿法电弧焊原理,研究了一种用于水下金属结构应急维修的新型焊接方法—水下湿法手工自蔓延焊接技术.通过焊条结构设计、焊药设计等,研制了水下燃烧型焊条,进行了焊接试验,对接头组织和性能进行了分析.结果表明,该技术可在无电、无气、无其它设备的条件下实现水下金属构件的湿法焊接,单面焊双面成形,接头抗拉强度达267 MPa,冲击吸收能量13.8 J;SEM和EDS分析表明,焊缝金属为以α-Cu固溶体为基体、有大量块状富铁第二相析出的高铁铜合金,熔合区的成分和组织与焊缝第二相基本相同,焊缝合金与熔融母材交互结晶,形成了梯度熔焊连接;拉伸断裂发生在焊缝或熔合区,断口有大量韧窝,属韧性断裂.     

水下局部干法焊接预热技术及专用排水罩的研制

研制开发了一种带有预热功能的水下局部干法焊接专用排水罩. 该排水罩具有水下预热功能,适用于水下局部干法药芯焊丝半自动焊工艺,预热温度可达60～80℃. 排水罩内设计有一块覆盖于坡口周围的预热钢板,正式焊接前首先在该板上进行预热焊接,通过热传导来实现对焊接坡口的预热作用. 使用该排水罩在水池中进行了模拟焊接试验. 结果表明,焊接接头质量达到AWS D3.6M:2010规定的A级焊缝的各项性能要求. 与其它水下焊接方法的试验结果对比发现,采用所研制的带预热功能的固定式排水罩进行水下局部干法焊接时接头的最大硬度显著降低,韧性也有明显提高.     

Development of maintenance technology with underwater TIG welding for spent fuel storage pool

The core technology of an underwater TIG welding process has been developed and a welding equipment system has been manufactured for application to the maintenance of the spent fuel storage pool of Rokkasho reprocessing plant. Basic experiments for understanding the conditions of the dry area and the range of welding conditions was performed, and mock examination for simulation of the real environment by using the developed welding equipment was also carried out to judge the applicability of the system.

For the purpose of selecting a water removing method for different spatial conditions of the parts to be maintained underwater, two kinds of welding equipment systems of Chamber type and Partition type were developed and manufactured.

On the basis of fundamental experiments, the conditions of dry area formation and welding parameter range for high-reliability weld are discussed. Thus the proper condition of this process was able to be established.

With the welding equipment systems of the Chamber type and Partition type, the practical use examination of underwater TIG welding process was executed by mock examination for simulating the real environment. As a result, it was confirmed that the underwater TIG welding could obtain the same reliability as a usual in-air TIG welding, and the operation and the control at remote distance were also possible. And the reliability of the patch-plate fillet weld could be evaluated by remote inspection with the expansion visual test.     

水下湿法药芯焊丝焊接电弧稳定性

利用焊接电弧电压信号的标准差和差异系数的倒数作为评价电弧稳定性的指标,通过试验研究了不同工艺条件下水下湿法药芯焊丝焊接的电弧稳定性．建立了湿法焊接电弧稳定性的敏感度模型,分析了各工艺参数如焊接电流、电弧电压、焊接速度和水深对湿法药芯焊丝焊接电弧稳定性的影响．结果表明,水深增大时,焊接电弧稳定性变差,特别是在浅水区域,增大水深可显著降低电弧稳定性;焊接速度增大,电弧稳定性变差;焊接电压对电弧稳定性影响很大,适当提高焊接电压可提高电弧的稳定性．     

超声辅助水下湿法焊接工艺

水下湿法焊接过程电弧不稳定,常存在熄弧、焊缝成形不均匀等问题.针对这一问题,提出了超声辅助水下湿法焊接方法,其原理是将功率超声振动与常规水下湿法焊接相结合,通过超声振动作用改善焊接电弧稳定性、焊缝成形,进而提高水下焊接接头质量.超声辅助水下湿法焊接堆焊对比试验结果表明,超声辅助水下湿法焊接显著改善了焊缝成形,能够获得尺寸均一连续的焊缝;焊接过程稳定性提高,熄弧率明显减小,熔深增大,余高减小,焊缝中心区域的显微硬度减小.     

水下管道焊接技术的研究现状及发展趋势

水下管道的焊接由于受水下环境韵影响,焊接方法与焊接设备都较陆地上的复杂得多,它具有可见度差、焊缝舍氢量高、冷却速度快、电弧电压高和连续作业困难等特点。综述了水下管道焊接技术研究与应用的最新进展,并就水下．焊接技术的发展趋势提出了看法。