一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法和装置，属于船舶及海洋工程装备制造技术领域。该方法通过利用低能量的双光斑同时诱导的冲击波实施冲击，实现对水下构件焊缝的强化。本发明专利技术能增强焊缝强度，提高构件焊缝抗疲劳性能、耐腐蚀性能；大大降低了焊接件开裂的失效率，延长工件的使用寿命，同时也延长强化装置本身的使用寿命，提高生产效率，大大降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法和装置
：本专利技术属于船舶及海洋工程装备制造
，特指一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法和装置，适用于各种水下金属构件焊缝的强化处理，特别适合于深海构件中高强度、耐腐蚀焊缝的强化处理。
技术介绍
：焊接技术是一种以加热、高温或者高压的方式将不同的金属构件通过原子之间的结合和扩散而连接起来的制造技术。相比与铸造件，焊接件准备时间短，加工的余量少，加工的效率高，节约了时间和资源，特别适合大型中空结构件的制造，因此焊接在制造业中占据着重要的地位。由于焊接件的焊缝采用填充焊接材料并使它们熔合而成，因此焊缝的强度要比母体的强度低，而在焊接的过程中存在的材料熔化和凝固造成焊缝区域存在着较大的拉应力，这种拉应力是有害拉应力，它的存在使焊接变形，使焊缝的抗腐蚀能力降低。因此对于尺寸较小的焊接件，通常采用低温回火的方法去除焊缝的焊接应力，对于大型的构件的焊缝的去应力，常常使用有以下二种方法。振动时效法原理是将工件置于固有频率下，进行数十分钟的振动，借此对工件施加附加应力。当附加应力与残余应力叠加后的大小达到或超过金属材料的屈服强度时，工件内部发生微观和宏观塑性变形，使其残余应力降低和均匀化。振动时效法适用于单件结构件整体处理。具有良好的综合性能，不仅能降低残余应力、减小残余变形，而且还能使应力均匀化，对稳定结构尺寸非常有利。相对于传统的热处理方法还具备投资少、处理周期短、方便、节约能源等优点。缺点是处理工件的大小受设备的输出功率的限制；振动工艺的确定(如激振点的选取、激振力的设定、振动时间和振动介质的选取)，因工件形状、重量而异，尚无规范可循，需要一定的实践经验才可达到较好的效果。低温拉伸法基本原理是在焊缝的两侧用火焰加热并随即在焊缝中间喷水冷却，使焊缝处产生压应力，焊缝外部的火焰加热区产生拉应力。由此得到的热应力场与焊缝的残余应力相互叠加，使残余应力下降，最终达到消除有害应力的目的。该方法的最大优点是操作安全，特别适合于大型结构系统在承载力的情况下，对局部焊缝进行残余应力的消除和调整，这是振动时效法所不及的。但该方法消除残余应力的效果不理想，残余应力消除率一般在30％左右，焊缝处仍然残存着拉应力。近年来，随着焊接材料和焊接技术的不断发展，结构件日趋大型化、复杂化，如高速列车的车厢、铁路公路的桥梁等，特别是随着水下焊接技术的日趋成熟，水下焊接技术越来越得到广泛的应用，如维修船舶、维修钻井平台、修补水下运输的管道等等，然而水下焊接的环境不同于陆地上的焊接环境，操作人员难以看到工作的情况，焊缝的质量变差，而且焊接件在水下使用的环境比陆地的环境苛刻，受到高湿和高盐的作用，存在容易被腐蚀等不足，这就提高了对焊接后的焊缝进行处理的要求，即更彻底地消除焊接过程中在焊缝处产生的残余拉应力以延长焊接件的使用寿命。显然上述的振动时效法和低温拉伸法在水下的环境中难以应用，目前较为常用的水下焊缝强化的方法为爆炸消除法。爆炸消除法是利用贴在焊缝附近的橡胶炸药轰爆，产生瞬间高压冲击波扰动造成塑性变形来消除残余应力。爆炸法消除焊接残余应力的效果好，特别适用于局部处理。其工作效率、处理速度都是上述的振动时效法和低温拉伸法两种方法所不能比拟的，而且不需要任何设备，操作其方便，在陆地和水下皆可使用。但目前爆炸焊缝去应力方法没有较为完善的理论指导，实施过程只能基于已有的经验，不但水下炸药放置的位置十分困难，而且药量及强度难以精确控制，强化区域难以精确控制，特别是炸药属于高危险品，加工安全性很差，存在着对设备的损伤和危害着操作者的生命等安全隐患。
技术实现思路
：本专利技术针对目前还难以有效消除水下焊缝残余拉应力的不足，提出一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法和装置。该方法是利用激光发生器产生的强脉冲激光，作用于水下焊缝表面进行强化的一种工艺手段，具有方便快捷、加工柔性大、压力大小精确可控、操作安全可靠、强化成本低等优点；同时，能够显著精确消除焊接残余拉应力，细化焊接区域晶粒，改善焊接区材料的微观组织，提高其屈服强度，而且在其表面产生残余压应力，改善了焊缝抗应力腐蚀的能力，提高焊接结构件的可靠性和安全性，延长其使用寿命。本专利技术提供的基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法，该方法具体步骤如下：(1)将位于水下构件9上的焊缝及用于强化的激光脉冲束的参数信息输入计算机6；计算机6向控制器5发出指令，使水泵8开启形成一定压力和流量的清澈流水，流水通过水管7和强化冲击头10后，推开防反冲瓣膜20后喷出，并排开其它水体，在强化冲击头10与所述焊缝之间形成稳定清澈的水体。(2)操作计算机6，向控制器5发出指令使测距仪11发出红外线，测量所述强化冲击头10到所述构件9上待强化焊缝区域的距离，测得的距离由显示器4显示。(3)读取距离信息并输入到所述计算机6，所述计算机6自动与原先设定的数据信息比较，随后向所述控制器5发出指令，使机械手1运动以调整所述强化冲击头10的位置，使光斑的大小符合要求，且使两光斑中心的连线与焊缝垂直。(4)激光发生器2得到所述控制器5指令后发出激光脉冲束，激光脉冲束由导光纤维3传导至所述强化冲击头10后，被分光镜25分成两束激光脉冲束；一束直接经过第二会聚透镜23射出，另一束经全反镜14反射后再经过第一会聚透镜16射出；两脉冲激光束同时辐照诱导产生高压冲击波，对焊缝实施强化，在强化过程中，高压冲击波能够在水体中诱导空泡产生，随后空泡自行破灭，从而在水体中形成多次冲击波对焊缝实施多次强化，从而去除焊接形成的拉应力，并有残余压应力的产生。(5)所述焊缝的某一位置强化完成后，所述机械手1得到所述控制器5发出的指令沿着所述焊缝方向移动，改变所述强化冲击头10的位置，对所述焊缝实施下一位置强化，直至完成整条焊缝的强化；强化完成后，操作所述计算机6向所述控制器5发送信号，关闭所述水泵8，切断所述激光发生器2电源，收起所述机械手1。本专利技术提供的基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的装置包括激光发生器2、导光系统、距离调节系统、供水系统及控制系统；所述导光系统包括导光纤维3、强化冲击头10、分光室壳体13、全反镜14、第一压边圈15、第一会聚透镜16、第一软垫片17、内锥孔圆套19、防反冲瓣膜20、混合体21、第二压边圈24、第二会聚透镜23、第二软质垫片22、分光镜25、第三压边圈26、第三软质垫片27及透明玻璃片28；所述导光纤维3的一端连接所述激光发生器2，所述导光纤维3的另一端连接所述强化冲击头10，所述强化冲击头10是含有多个零件和多个通道的多用途集成件，所述强化冲击头10的左端是密闭的分光室，所述分光镜25和所述全反镜14安装在所述分光室中，所述混合体21设置在所述强化冲击头10中端，所述混合体21与所述分光室壳体13通过螺纹连接，所述混合体21包含多个光路通道和水流通道；所述第一软质垫片17和第一会聚透镜16依次放入所述混合体21的第一孔道中，所述第一压边圈15通过螺纹连接将所述第一会聚透镜16和所述第一软质垫片17压紧固定在所述混合体21的第一孔道中，所述第二软质垫片22和所述第二会聚透镜23依次放入所述混合体21第二孔道中，所述第二压边圈24通过螺纹将所述第二会聚透镜23和所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：(1)将位于水下构件(9)上的焊缝及用于强化的激光脉冲束的参数信息输入计算机(6)；所述计算机(6)向控制器(5)发出指令，使水泵(8)开启形成一定压力和流量的清澈流水，流水通过水管(7)和强化冲击头(10)后，推开防反冲瓣膜(20)后喷出，并排开其它水体，在所述强化冲击头(10)与所述焊缝之间形成稳定清澈的水体；(2)操作所述计算机(6)，向所述控制器(5)发出指令使测距仪(11)发出红外线，测量所述强化冲击头(10)到所述构件(9)上待强化焊缝区域的距离，测得的距离由显示器(4)显示；(3)读取距离信息并输入到所述计算机(6)，所述计算机(6)自动与原先设定的数据信息比较，随后向所述控制器(5)发出指令，使机械手(1)运动以调整所述强化冲击头(10)的位置，使光斑的大小符合要求，且使两光斑中心的连线与所述焊缝垂直；(4)激光发生器(2)得到所述控制器(5)指令后发出激光脉冲束，激光脉冲束由导光纤维(3)传导至所述强化冲击头(10)后，被分光镜(25)分成两束激光脉冲束；一束直接经过第二会聚透镜(23)射出，另一束经全反镜(14)反射后再经过第一会聚透镜(16)射出；所述两束激光脉冲束同时辐照诱导产生高压冲击波，对所述焊缝实施强化，在强化过程中，高压冲击波能够在水体中诱导空泡产生，随后空泡自行破灭，从而在水体中形成多次冲击波对焊缝实施多次强化，从而去除焊接形成的拉应力，并有残余压应力的产生；(5)所述焊缝的某一位置强化完成后，所述机械手(1)得到所述控制器(5)发出的指令，沿着所述焊缝方向移动，改变所述强化冲击头(10)的位置，对所述焊缝实施下一位置强化，直至完成整条焊缝的强化；强化完成后，操作所述计算机(6)向所述控制器(5)发送信号，关闭所述水泵(8)，切断所述激光发生器(2)的电源，收起所述机械手(1)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：(1)将位于水下构件(9)上的焊缝及用于强化的激光脉冲束的参数信息输入计算机(6)；所述计算机(6)向控制器(5)发出指令，使水泵(8)开启形成一定压力和流量的清澈流水，流水通过水管(7)和强化冲击头(10)后，推开防反冲瓣膜(20)后喷出，并排开其它水体，在所述强化冲击头(10)与所述焊缝之间形成稳定清澈的水体；(2)操作所述计算机(6)，向所述控制器(5)发出指令使测距仪(11)发出红外线，测量所述强化冲击头(10)到所述构件(9)上待强化焊缝区域的距离，测得的距离由显示器(4)显示；(3)读取距离信息并输入到所述计算机(6)，所述计算机(6)自动与原先设定的数据信息比较，随后向所述控制器(5)发出指令，使机械手(1)运动以调整所述强化冲击头(10)的位置，使光斑的大小符合要求，且使两光斑中心的连线与所述焊缝垂直；(4)激光发生器(2)得到所述控制器(5)指令后发出激光脉冲束，激光脉冲束由导光纤维(3)传导至所述强化冲击头(10)后，被分光镜(25)分成两束激光脉冲束；一束直接经过第二会聚透镜(23)射出，另一束经全反镜(14)反射后再经过第一会聚透镜(16)射出；所述两束激光脉冲束同时辐照诱导产生高压冲击波，对所述焊缝实施强化，在强化过程中，高压冲击波能够在水体中诱导空泡产生，随后空泡自行破灭，从而在水体中形成多次冲击波对焊缝实施多次强化，从而去除焊接形成的拉应力，并有残余压应力的产生；(5)所述焊缝的某一位置强化完成后，所述机械手(1)得到所述控制器(5)发出的指令，沿着所述焊缝方向移动，改变所述强化冲击头(10)的位置，对所述焊缝实施下一位置强化，直至完成整条焊缝的强化；强化完成后，操作所述计算机(6)向所述控制器(5)发送信号，关闭所述水泵(8)，切断所述激光发生器(2)的电源，收起所述机械手(1)。2.一种基于激光冲击波技术实现水下焊缝强化的装置，其特征在于该装置包括激光发生器(2)、导光系统、距离调节系统、供水系统及控制系统；所述导光系统包括导光纤维(3)、强化冲击头(10)、分光室壳体(13)、全反镜(14)、第一压边圈(15)、第一会聚透镜(16)、第一软垫片(17)、内锥孔圆套(19)、防反冲瓣膜(20)、混合体(21)、第二压边圈(24)、第二会聚透镜(23)、第二软质垫片(22)、分光镜(25)、第三压边圈(26)、第三软质垫片(27)及透明玻璃片(28)；所述导光纤维(3)的一端连接所述激光发生器(2)，所述导光纤维(3)的另一端连接所述强化冲击头(10)，所述强化冲击头(10)是含有多个零件和多个通道的多用途集成件，所述强化冲击头(10)的左端是密闭的分光室，所述分光镜(25)和所述全反镜(14)安装在所述分光室中，所述混合体(21)设置在所述强化冲击头(10)中端，所述混合体(21)与所述分光室壳体(13)通过螺纹连接，所述混合体(21)包含多个光路通道和水流通道；所述第一软质垫片(17)和第一会聚透镜(16)依次放...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴权，纪啸天，黄志伟，陈彬，裴善报，童靳于，杨恒基，方光龙，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34