CN105478959A - 带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置及焊接方法，所述焊接装置包括焊枪、供气设备及控制单元：所述焊枪包括枪管和焊把，枪管上设有进气口，枪管内设有装配焊条的自动夹紧机构，轴向方向上，枪管的一侧管腔通过所述进气口与供气设备的出气端连接，该侧管腔的端口处设有气体喷嘴，并设有可外开翻转的端盖，端盖通过弹性机构自动控制关闭；枪管另一侧管腔中设有推进机构，自动夹紧机构安装在推进机构上，由推进机构带动在枪管轴向方向上运动。本发明设计新颖、操作方便、且易于实现，采用保护气体从焊枪喷嘴内喷出的方式，快速形成一个局部空间干式环境，且能够保证水下焊接时焊条的干燥。

Description

带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及水下焊接技术，具体为一种带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置及焊接方法。

背景技术

目前，水下焊接正成为一个越来越热门和实用的焊接技术，尤其适用于船舶、海洋工程中很多需要对水下部分进行维修的场合，但受工作环境影响，水下焊接还存在很多实施技术的难点，包括焊缝和焊接材料容易进水导致焊缝含氢量增加，水的导电性带来的安全隐患，以及水中焊接时工人看不清电弧和焊缝的位置，对工人的操作技能要求较高等，其中，水中焊接时焊缝和焊接材料的防水问题最为突出。传统的水中干式焊接技术大多数是以利用排水装置形成一个干式的密闭空间，然后再进行焊接的方法进行。例如有前人在头盔上加一个焊接罩，在焊接罩内利用空气排水形成干式空间，这种方法虽然能够最大限度的做到水中焊接和岸上焊接一样的效果，但其成本巨大，装置复杂，而且耗时耗力，往往不适用于水中对焊接结构进行维修尤其是紧急维修的场合。而在现有的焊接方法中，采用水中焊条电弧焊比较焊丝将省去很长的送丝软管和很大的焊丝盘等机构，因此水中焊条电弧焊又是目前最具前景的一种水下焊接方法。所以开发出一套既能够解决水下焊条的防水问题，又能降低水中焊接时对工人操作技能的要求，同时又能保证焊工安全的焊枪装置就显得尤为迫切和重要。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种可改善现有技术不足的的带喷嘴的水下干式电弧焊焊枪装置及焊接方法，利用气体排水，制造适合焊接的干式环境。

为实现上述技术目的，本发明公开的技术方案为：

带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，其特征在于，包括焊枪、供气设备及控制单元：

所述焊枪包括枪管和焊把，枪管上设有进气口，枪管内设有装配焊条的自动夹紧机构，轴向方向上，枪管的一侧管腔通过所述进气口与供气设备的出气端连接，该侧管腔的端口处设有气体喷嘴，并设有封闭端口的端盖，所述端盖可外开翻转，并通过弹性机构自动控制关闭；枪管另一侧管腔中设有推进机构，所述自动夹紧机构安装在所述推进机构上，由推进机构带动在枪管轴向方向上运动，所述供气设备、自动夹紧机构、推进机构分别与所述控制单元连接。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的技术方案还包括：

所述焊接装置还设有焊条保温器，所述焊条保温器设有可套在焊枪枪管上的筒腔，筒腔端口处设有封闭端口的筒腔端盖，所述筒腔端盖可内开翻转，并通过弹性机构自动控制关闭，焊条定位安装在筒腔的中轴位置，一个保温器筒腔内存放一根焊条。

所述焊条保温器在端盖外侧安装有密封圈，所述密封圈的内径与可***筒腔的焊枪枪管段的外径契合，使枪管刚好套入密封圈中，防止置保温器中进水。

考虑到水下环境中，单纯依靠视力判断焊条的使用程度比较困难，推进机构或自动夹紧机构容易烧坏，可在所述推进机构或自动夹紧机构上安装温度传感器，所述温度传感器与所述控制单元连接。利用焊条要焊完时电弧离温度传感器较近温度会急剧上升的原理将电弧自动熄灭，进一步降低水中焊接时的操作难度。

焊枪枪管的中部设有约束推进机构运动方向的导轨，导轨通过电缆与焊接电源电连接，作为电极的组成部分，焊条通过自动夹紧机构与导轨电连接。

所述推进机构优选采用双作用气缸或液压缸，自动夹紧机构的夹头安装在伸出缸体的活塞杆上；焊接回路中设有检测焊接电流的电流传感器，所述气缸或液压缸用于将活塞杆向枪管端口一侧推进的腔体的进气口或进液口通过比例电磁阀控制启闭，所述电流传感器、比例电磁阀分别与控制单元连接，由控制单元根据电流传感器的输出信号控制比例电磁阀的开度。

一种用于如上所述焊接装置的水下干式电弧焊焊接方法，其特征在于，其焊接过程包括以下步骤：

利用电流传感器检测焊接回路的电流信号，并输出检测信号给控制单元；

焊接过程开始后，持续向焊枪的气体喷嘴引入气流，将枪管端盖顶开，将气体喷嘴周围焊接区内的水体排开；

启动焊枪推进机构，将焊条向枪管端口推送，当焊条碰到工件后，焊接回路中产生电流，电流传感器输出相应检测信号给控制单元，控制单元控制推进机构将焊条回抽一段距离，引燃电弧，再控制推进机构向前推送焊条进行焊接；

利用温度传感器判断自动夹紧装置或推进机构与焊接区电弧的位置关系，并输出检测信号给控制单元，当焊条送进到预设停止点或温度超过预设温度时，由控制单元自动控制熄弧。

进一步的技术方案还包括：

在焊接前测定焊接电流与焊条送进速度之间的比例关系，焊接过程中，由控制单元根据所述电流传感器的检测信号调整推进机构的推送速度，使焊条送进速度与熔化速度相适配。

所述推进机构优选采用双作用气缸或液压缸，自动夹紧机构的夹头安装在伸出缸体的活塞杆上，所述气缸或液压缸用于将活塞杆向枪管端口一侧推进的腔体的进气口或进液口通过比例电磁阀控制启闭，控制单元根据电流传感器的输出信号控制比例电磁阀的开度，从而调整气缸或液压缸的推进速度。

一种用于如上所述焊接装置的水下干式电弧焊焊接方法，其特征在于，其装配焊条的过程为:

向焊枪气体喷嘴引入气流，利用气流顶开封闭枪管端盖，将喷嘴周围的水体排开，将枪管喷嘴与焊条保温器端口对准，利用枪管将保温器端盖顶开，将枪管***保温器筒腔内，枪管内的自动夹紧机构碰到焊条后夹住焊条，将枪管从保温器中撤出，使焊条装配在枪管中。

有益效果：

本发明焊接装置及焊接方法设计新颖、操作方便、使用安全且易于实现，采用保护气体从焊枪喷嘴内喷出的方式，快速形成一个局部空间干式环境，且能够保证水下焊接时焊条的干燥，本发明实施成本低，且易于操作，适合推广使用，可实现高质、高效、省时、省力的水下电弧焊焊接过程。

附图说明

图1为焊***构示意图；

图2为保温器的结构示意图；

图3为控制单元的工作原理图；

图4为焊条自动熄弧原理框图；

图5为焊接过程的流程示意图；

图中1：1-焊把，2-电缆，3-焊接按钮，4-暂停按钮，5-送条按钮，6-送气按钮，7-进气口，8-进气口，9-活塞杆，10-焊枪喷嘴，11-活塞杆导轨，12-防水绝缘外套，13-端盖，14-弹性机构，15-电磁夹头，16-温度传感器，17-焊条，18-进气口。

图2中：19-防水保温外套，20-弹性机构，21-密封圈，22-端盖，23-焊条，24-固定支架。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

一种所带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，包括焊枪、供气设备、焊条保温器及电路控制***等。

所述电路控制***由基于PLC的控制单元及分别与控制单元连接的电磁阀（包括比例电磁阀）、温度传感器、电流传感器、位移传感器等部分组成。

如图1所示，所述焊枪包括枪管和设置了焊接按钮3、暂停按钮4、送条按钮5、回条按钮、送气按钮6、夹条按钮等控制按钮的焊把1，焊枪外设有防水绝缘外套12。

所述枪管上设有进气口18，枪管内设有装配焊条17的自动夹紧机构，本实施例中采用电磁夹紧机构。枪管轴向方向上，枪管一侧管腔通过所述进气口18与供气设备的出气端连接，该侧管腔的端口处设有气体喷嘴10，并设有封闭端口的端盖13，所述端盖13通过铰链安装在枪管上，可外开翻转，并通过弹性机构14（如扭簧）自动控制关闭；枪管另一侧管腔中设有双作用微型气缸构成的推进机构，所述电磁夹紧机构安装在双作用微型气缸伸出缸体的活塞杆9的端部，在控制单元控制下，由气缸带动在枪管轴向方向上运动，完成对焊条17的推送及回抽动作。

所述温度传感器安装在电磁夹紧机构的夹头上，枪管的中部设有约束双作用微型气缸活塞杆9运动方向的导轨11，所述导轨11通过电缆2与焊接电源电连接，作为电极的组成部分，焊条17通过电磁夹紧机构与导轨11电连接，形成焊接回路。

所述焊接回路中设有检测焊接电流的电流传感器，双作用微型气缸用于将活塞杆9向枪管端口一侧推进的腔体的进气口7通过比例电磁阀1A4控制启闭，另一侧腔体的进气口8通过电磁阀1A2控制。

如图2所示，所述焊条保温器设有防水保温外套19和存放焊条23的筒腔，筒腔端口处设有封闭端口的筒腔端盖22，所述筒腔端盖22通过铰链安装在焊条保温器上，可内开翻转，并通过弹性机构20（如扭簧）自动控制关闭，焊条23通过固定支架24定位安装在筒腔的中轴位置，方便与焊枪中的电磁夹紧机构对准，且一个保温器筒腔内仅存放一根焊条。焊条保温器在端盖外侧安装有密封圈21，所述密封圈21的内径与可***筒腔的焊枪枪管段的外径契合。

焊接时，按下焊把1上的焊接按钮3，比例电磁阀1A4的线圈得电，阀芯位置移动，压缩空气从双作用微型气缸进气口7进入，气缸活塞杆9沿着导轨11导向方向向下运动，焊条17往下送进。焊条17和工件接触后，控制单元输出信号立即关闭比例电磁阀1A4,打开控制活塞杆向上运动的进气口8的电磁阀1A2,焊条17回抽运动0.5s后,引燃电弧。0.5s后由控制单元输出信号,关闭进气口8,而打开比例电磁阀1A4,将焊条17继续往下送进进行焊接。电磁加紧机构的夹头上端装有温度传感器，当焊条17快要焊完时，温度传感器由于此时离电弧位置较近，温度急剧上升。控制单元输出信号，固态继电器SSR输入端失去信号，输出端断开，焊接电弧熄灭，以防烧坏活塞杆9和夹头。焊接时，焊条17往下的送进速度即时活塞9的下移速度，活塞杆9的下移速度通过比例电磁阀1A4的开度进行调节，引弧之前焊条17往下移时比例电磁阀1A4开度始终保持最大；引弧之后，通过焊接电源内部的电流传感器将焊接电流传送给PLC控制单元的AD模块EM235，PLC的数字量模块输出一个PWM信号经放大电路后给比例电磁阀1A4线圈一个与焊接电流成比例的4~20mA的模拟信号。比例电磁阀1A4的开度和该模拟量成比例关系。事先通过工艺试验确定好焊接电流和活塞杆下移速度之间的比例关系，以保证焊条送进速度和熔化速度相等。

本实施例依靠双作用微型气缸活塞杆9的上下移动来实现焊条1的自动送进和回抽功能，这样做主要是避免水中焊接手工送条，降低操作难度。气体喷嘴10的尺寸设计应大小适中，若做得太大焊枪操作不便，太小则保护范围过小，电弧过后焊缝容易浸水。焊条的夹持靠电磁夹紧机构来实现，焊接过程中的防水主要靠从气体喷嘴10中喷出高速的保护气体来保证。

采用本发明带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置进行焊接时，可按如下步骤实施：

步骤1：下水前，在岸上先打开电焊机和PLC控制柜并设定好焊接电流。

步骤2：下水后，先送保护气和安装第一根焊条。

按下焊把1上的送气按钮6，PLC控制单元输出信号控制保护气的电磁阀1A1线圈得电，电磁阀1A1打开。岸上供气设备输出气体从喷嘴进气口18送入，顶开喷嘴下方的端盖13，并将焊接区周围的水体排开。此时，活塞杆9和电磁夹头均处于上止点处的初始位置，将焊枪枪管***保温器筒腔，待焊条保温器筒腔的底部触到焊枪端口时，焊条上端刚好和电磁夹头接触。此时按一下焊把上的夹条按钮，电磁夹头的线圈得电，将焊条23夹注。待焊条23端部被夹紧后，将枪管从防水保温器筒腔中撤出。焊条保温器的端盖22上端装有橡胶密封圈，在弹性机构20作用下，焊条保温器与焊枪分离后端盖11会很快合上，不致浸水。

步骤3：将焊枪的位置调整好后，按下焊接按钮3。PLC控制单元输出信号控制比例电磁阀1A4的线圈得电，双作用微型气缸的活塞杆9顺着导轨11下移，焊条17快速向下送进。焊条17与工件接触后，PLC控制单元检测到焊接电流，输出控制信号,使比例电磁阀1A4的线圈失电,电磁阀1A2得电,活塞杆向上运动0.5s,焊条回抽,引燃电弧。0.5s后比例电磁阀1A4的线圈再次得电，电磁阀1A2失电，焊条继续送进进行焊接。活塞杆9的下移速度通过水下焊接工艺试验和焊接电流相匹配。

步骤4：焊条将近焊完时，由电磁夹头上部的温度传感器感受温度，PLC控制单元输出信号将焊接电弧自动熄灭，以防烧坏活塞杆9和电磁夹头。操作人员发现电弧熄灭后应立即松开焊接按钮3。此时，双作用微型气缸的活塞杆9连着电磁夹头应在下止点。此时按下焊把上的回条按钮，电磁阀1A2的线圈得电，活塞杆9上移，上移到上止点时触发位移传感器，电磁阀1A2的线圈失电，活塞杆9停在上止点位置。此时再按一下焊把上的夹条按钮，将夹条按钮复位。电磁夹头线圈KA3失电，未烧完的焊条残头从枪管端口自动脱落。

步骤4：重复步骤2中安装焊条的动作。待焊条夹紧后再重复步骤3的动作进行焊接。如果焊接过程中需要暂停对工件进行处理的话，按一下焊把上的暂停按钮4，此时PLC控制单元输出信号，控制比例电磁阀1A4线圈和电磁阀1A2线圈都失电，焊条不再往下送，电弧熄灭。活塞杆9停在原地不动。若要再次焊接，再按下暂停按钮4，按纽复位，比例电磁阀1A4线圈再次得电，焊条往下送，焊条回抽引弧的动作如步骤3中所述。

步骤5：焊接过程结束时，先按一下焊把上的夹条按钮，将焊条残头脱落。然后按一下送气按钮6，将送气按钮6复位。此时保护气的电磁阀阀芯复位，将保护气关掉。喷嘴处的端盖13在弹性机构14作用下合上，以防枪管端口(喷嘴)内浸水。最后按一下焊把1上的回条按钮,活塞杆9回到上止点位置为下一次焊接做准备。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (10)

1.带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，其特征在于，包括焊枪、供气设备及控制单元：

所述焊枪包括枪管和焊把，枪管上设有进气口，枪管内设有装配焊条的自动夹紧机构，轴向方向上，枪管的一侧管腔通过所述进气口与供气设备的出气端连接，该侧管腔的端口处设有气体喷嘴，并设有封闭端口的端盖，所述端盖可外开翻转，并通过弹性机构自动控制关闭；枪管另一侧管腔中设有推进机构，所述自动夹紧机构安装在所述推进机构上，由推进机构带动在枪管轴向方向上运动，所述供气设备、自动夹紧机构、推进机构分别与所述控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，其特征在于，设有焊条保温器：

所述焊条保温器设有可套在焊枪枪管上的筒腔，筒腔端口处设有封闭端口的筒腔端盖，所述筒腔端盖可内开翻转，并通过弹性机构自动控制关闭，焊条定位安装在筒腔的中轴位置，一个保温器筒腔内存放一根焊条。

3.根据权利要求2所述的带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，其特征在于，所述焊条保温器在端盖外侧安装有密封圈，所述密封圈的内径与可***筒腔的焊枪枪管段的外径契合。

4.根据权利要求1、2或3所述的带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，其特征在于，所述推进机构或自动夹紧机构上安装有温度传感器，所述温度传感器与所述控制单元连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，其特征在于，焊枪枪管的中部设有约束推进机构运动方向的导轨，导轨通过电缆与焊接电源电连接，作为电极的组成部分，焊条通过自动夹紧机构与导轨电连接。

6.根据权利要求1、2或3所述的带喷嘴的水下干式电弧焊焊接装置，其特征在于：

所述推进机构为双作用气缸或液压缸，自动夹紧机构的夹头安装在伸出缸体的活塞杆上；

焊接回路中设有检测焊接电流的电流传感器，所述气缸或液压缸用于将活塞杆向枪管端口一侧推进的腔体的进气口或进液口通过比例电磁阀控制启闭，所述电流传感器、比例电磁阀分别与控制单元连接，由控制单元根据电流传感器的输出信号控制比例电磁阀的开度。

7.一种用于如权利要求1所述焊接装置的水下干式电弧焊焊接方法，其特征在于，其焊接过程包括以下步骤：

利用电流传感器检测焊接回路的电流信号，并输出检测信号给控制单元；

焊接过程开始后，持续向焊枪的气体喷嘴引入气流，将枪管端盖顶开，将气体喷嘴周围焊接区内的水体排开；

启动焊枪推进机构，将焊条向枪管端口推送，当焊条碰到工件后，焊接回路中产生电流，电流传感器输出相应检测信号给控制单元，控制单元控制推进机构将焊条回抽一段距离，引燃电弧，再控制推进机构向前推送焊条进行焊接；

利用温度传感器判断自动夹紧装置或推进机构与焊接区电弧的位置关系，并输出检测信号给控制单元，当焊条送进到预设停止点或温度超过预设温度时，由控制单元自动控制熄弧。

8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，在焊接前测定焊接电流与焊条送进速度之间的比例关系，焊接过程中，由控制单元根据所述电流传感器的检测信号调整推进机构的推送速度，使焊条送进速度与熔化速度相适配。

9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，所述推进机构为双作用气缸或液压缸，自动夹紧机构的夹头安装在伸出缸体的活塞杆上，所述气缸或液压缸用于将活塞杆向枪管端口一侧推进的腔体的进气口或进液口通过比例电磁阀控制启闭，控制单元根据电流传感器的输出信号控制比例电磁阀的开度，从而调整气缸或液压缸的推进速度。

10.一种用于如权利要求2或3所述焊接装置的水下干式电弧焊焊接方法，其特征在于，其装配焊条的过程为:

向焊枪气体喷嘴引入气流，利用气流顶开封闭枪管端盖，将喷嘴周围的水体排开，将枪管喷嘴与焊条保温器端口对准，利用枪管将保温器端盖顶开，将枪管***保温器筒腔内，枪管内的自动夹紧机构碰到焊条后夹住焊条，将枪管从保温器中撤出，使焊条装配在枪管中。