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水下焊接电源；
PLC；
工控机
DesignofUnderwaterWeldingPowerSupply
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofmarinetechnology,underwaterweldingtechnologyhasbecomeanunderseaoilpipeline,oneofthetechnologiesoffshoreplatformconstruction,shiprepairandotheraspectsindispensable.Whenperformingunderwaterwelding,oftenbyextendingtheweldingwireforwelding,asthedepthincreases,theresistanceweldingwirewillbeincreased,becausetheunderwaterweldingvoltageisgenerallysmall,sowhenweldingindeepwaterwillbenormalweldingparametersimpactwillcausetheweldstrengthandtoughnessdeclineandotherissuesaffectingwelding.Paperdevelopedsubmersibleunderwaterweldingpowersource,theunderwaterwelderAsaclosedcontainer,byextendingthepowerlinetocompletethewelding,tosolvetheaboveproblems.
Underwaterweldingpowermainlybyunderwatersealingdevice,controlsystem,coolingsystemconsistsofthreeparts.Underwatersealselection304stainlesssteelenclosure,andusedtoenhancethestrengthofthecasingreinforcementring,flangesealsusingsealingmanner,andTeflonforhighpressuresealsforpowershellthrougharigorousstrengthcheckcanmeettheunderwaterpressure,corrosionandotherrequirements.ControlsystemconsistsofS7-200224XPandEM232,industrialmachines,solidstaterelays,exchangesandcontacts,currenttransducer,voltagetransducercomponents.PLCcontrolviasolidstaterelaytoachieveaweldingpowersupplycheckgas,crater,wirediameter,coredwelderfourswitchesandthemainsACcontactorandthecoolingsystemcontrolbrushlesssubmersiblepump;
withPLCanalogoutputadjusttheweldingvoltageandcurrent;
weldingvoltageandcurrentthroughthePLCanalogacquisitionandthendisplayedonthetouchscreen;
usebetweentouchscreenandPLCModbusprotocolforwirelesscommunications,wirelessWiFimoduleforsignaltransmission,thesuccessfulimplementationofunderwaterweldingpowersourcecommunicationbetweenIPC.Coolingsystemwater-cooled,centrifugalforcegeneratedbyasmall,liquidrefrigerantisthemaincomponentofcycloalkanes,anduseofsmallcombinedheatsinkfancoolingmodeatthetransformer,andtheuseofwirefeederunderwaterweldingexperimentalresultsshow,weldgood,underwaterweldingpowersourceisstable.
KeywordsUnderwaterwetwelding,underwaterweldingpowersource,PLC,IPC
摘要
Abstract
绪论
国内外水下焊接概况
随着海洋技术的不断发展，水下焊接技术已经是水下焊接也不可缺少的技术之一，成为海底石油管道铺设，海洋平台建设，舰船修复的重要工艺技术手段。
只有不断推进，不断优化这一重要的水下焊接技术，才能更好的
水下丰富的石油天然气以及清洁能源。
21世纪国家不断加大对于海洋资源的开发利用，为了实现对于海洋资源的高效开发，国家将海洋工程技术作为优先发展的前沿技术之一。
水下焊接工艺作为海底石油管道铺设、海洋平台的建设、以及海上钢结构施工的重要技术，已经是国家开发海上绿色能源、海上舰船修复及海上人道救援不可缺少的技术手段[1]。
至今为止，全世界的核电运行机组数量不断增长，在建机组数量超过500台以上，其发电量占到用电量的20％以上。
且随着对于海洋资源的不断开发，海上工程对于水下焊接的要求也越来越高[2]。
伴随着科学技术的不断进步，一种成本低廉、操作方便的水下焊接装置开始备受关注，因此，水下焊接技术开始得到人们的认可。
特殊环境中的一种焊接方式，是对水下石油管道、水下接口等部位的焊接。
在进行水下焊接时，焊弧会受外部环境的影响。
水下焊接按照焊接工艺和焊接环境的不同可将其分为三类[3]。
“水下干法焊接”通常是指焊接工人潜入水中在没有任何排水设施的情况下
的方式。
常用的“水下湿法焊接”是使用水下涂料焊条，然后再进行
的方法进行焊接。
这种焊接方式的原理是：
在焊机通电后，
，由于焊接部位接触点的电阻热通常很高，使得焊接部位周围的水瞬间
，从而形成一个气室，当焊条与焊接部位保持
时，电弧会在该气相区中燃烧。
电弧周围所形成的稳定的电弧气相区是大量水汽化产生的蒸汽加上焊条上的涂料产生的气体所形成的[4]。
电弧气相区使得
不会与水相接处，且
条的
从而完成对于目标工件的焊接。
在进行水下湿法焊接时，由于水蒸汽的影响，焊缝中会有较多的氢掺杂进去，焊接所形成的接头组织的强度和韧性都会相对比较差。
国外开始对于水下焊接的研究是从1917年开始的，过去的研究表明水下湿法焊接只适用于对于焊接部位要求质量不高的场合，和一些临时性的修补。
如今，世界各国都将重心放在寻求一种
艺，从而使得
单、
简便、价格低廉的水下湿法焊接工艺重新得到重视[5]，水下湿法焊接示意图如图1-1[6]。
1—焊条，2—气囊，3—熔滴，4—药皮，5—焊接气体
图1-1湿法焊接示意图
“水下干法焊接”通常是指通过技术手段人为的在焊接部位周围形成气相区，焊接工人以及焊接部位均处于气相区内，并在气相区内进行焊接。
水下干法焊接技术是在50年代初期首先提出的，在60年代已经逐步开展了对于水下干法焊接装备的研究，并在60年代末用于生产。
根据水下干法焊接时所处的压力大小，水下干法焊接又包括高压和常压水下干法焊接。
高压水下干法焊接的优点在于其在焊接仓进行焊接，可避免水下湿法焊接是水蒸气对于焊缝的影响，但是高压水下干法焊接相对于水下湿法焊接来说的装备复杂；
而常压水下干法焊接完全消除了水压对于焊接的影响，焊接过程以及焊缝的质量与在陆地焊接基本没有差别，但是装备十分复杂，而且气相区的大小会受到施工环境和工程结构大小的影响。
水下干法焊接由于焊接条件较好，所形成的焊缝的质量也相对较高，但是焊接过程需要在焊接舱室中完成，焊接舱室需要根据焊接工件来进行设计和制造，往往会因为其复杂特殊的结构和设备使得焊接成本昂贵，其装置如图1-2[7]。
局部水下干法焊接是通过特殊装置将焊接部位周围的小块区域的水排开，形成一个相对于水下干法焊接体积较小的气相区（气室），使得焊条能在气象区内能够较好的燃烧。
这种焊接方式是通过对水下湿法焊接和水下干法焊接进行总结后提出的焊接方法，局部干腔如图1-3[8]。
1—工件，2—电缆，3—干室，4—焊接设备，5—焊枪
图1-2高压干法水下焊接装置
图1-3局部干腔形成示意图
在焊缝质量方面，由于水下湿法焊接无法保证焊缝冷却过程的干燥，所以容易形成脆性组织，使得焊缝质量相对于水下干法焊接来说较低。
因此水下干法焊接焊接仓的存在解决了焊缝成型，进而保证了水下焊缝的质量。
与此同时，水下局部干法焊接不需要设计和制造复杂而昂贵的焊接舱室，随着自动化技术的不断发展，水下局部干法焊接也会不断朝着自动化的方向发展，这将会是水下焊接技术朝着操作更加便捷，成本更加低廉的方向发展。
1—工件，2—电弧，3—保护气，4—排水罩，5—送丝机构，6—软管，7—焊枪
图1-4大型排水罩局部干法水下焊接示意图
水下焊接设备国内外研究现状
水下高压TIG焊接系统
国内外从焊接电弧周围环境以及焊接工艺入手，对于如何提高焊接质量以及焊缝的强度，已经做了比较深入的研究。
如今，越来越多的学者开始深入对于水下焊接电源的研究，通过优化其控制，来提高水下焊接焊缝的质量。
目前活跃的TIG焊接系统主要是AberdeenSubseOffshoreLtd的OTTO系统，Comex公司的THOR-1系统，STAOIL公司的PRS系统；
在学术研究机构中，较有代表性的高压焊接试验装置是英国克利夫兰大学（CranfieldUniversity）的HyperWeld250，挪威科技大学（NTNU）的Simweld。
TIG水下高压焊接系统所应用的电源为一种专用的TIG焊接电源，其主要的应用于深海钻井平台或石油管道的铺设以及舰船的修复。
当代的TIG焊接电源是通过对电流的调节实现短路起弧，相对于高频放电来说是相对安全的[8]。
水下局部排水CO2半自动焊接系统
上世纪90年代末期，由我国焊接工程研究所设计并制造了一种专门的水下焊接电源，该水下焊接电源针对水下焊接所面临的问题，提出了一系列的解决方法：
首先，由于水下焊接随着水深的增加，水压不断升高，焊接时引弧比较困难，且随着压力的增大，电弧也会缩短，所以该研究所通过提高焊接电压来保证焊接质量。
同时由于焊弧的特性，焊接时为大电流小电压，焊把线过长会使得损耗加大，因此需要较宽的空载电压调节范围，该研究所设计了七个档位，各档位之间的调节范围为18~58V，从而满足了水下焊接的需要。
与此同时为了防止焊接过程因焊接电源漏电而导致的危险，水下焊接时操作部分的使用低压控制[9]。
为防止焊接完成以后焊缝遇水形成淬硬组织，该水下焊接电源设计了焊接延时装置，在所焊部位完成焊接以后，焊机不会立即收弧，进而一定程度上提高了焊缝的质量。
而且为保证水下焊接过程中焊机出现过载或者其他异常，该机构设计了报警装置，使得焊接过程中更容易发现并排除故障。
对于水下送丝装置设计了良好的密闭装置，来保证焊机的正常工作[10]。
脉冲平外特性与脉动送丝控制系统
从本世纪初开始，华南理工大学就开始了对于水下焊接的研究。
并取得了一定的成果，实现了通过单片机来控制焊接电源进行水下焊接。
该焊接电源在焊接中分时输出基值U2和峰值U1两种不同的平外特性。
U1和U2分别对应的是电源电压的最大值和最小值，其相对应的T1、T2均是可调的数值，同时为了保证焊缝质量，该机构还配备了水下脉动送丝机构。
电源外特性波形及送丝脉冲电压波形见图1-5[11]。
图1-5脉冲电压与脉动送丝配合形式波形图
利用水下焊接电源对工件焊接时，由于水下脉动送丝机与电源相互配合，焊接电源的峰值电压与脉动送丝机的脉动特性是相对应的，脉动送丝机的电压为0时，电压增大，焊丝熔化，从而实现对于焊接部位的焊接。
在焊接时焊弧特性与送丝机的电压周期时刻表如图1-5所示，在T1周期内电源电压达到最大值，送丝机电压为最小值，在T2时间内，与T1时刻内正好相反。
输出电压为最小值时，送丝机开始工作。
如图1-5可以看出，焊接过程的实现是在水下脉动送丝停止阶段通过焊接电源达到最大值所起的作用，在该过程中，通过短路焊丝吸收了足量的电能，形成熔滴，并随着焊把内焊丝的移动，熔滴不断向熔池过渡进而实现了对于工件的焊接。
如果在焊丝融化以后，电压值过小，会造成焊弧过细，在焊缝处容易形成崩裂状焊缝，使得焊缝厚度和强度无法达到预期效果，焊缝质量过低[12]。
如图1-6[13]所示的焊接系统包括三个部分，分别是单片机控制系统，阶梯型外特性电路以及脉动送丝机构。
其中阶梯型外特性电路是通过单片机来进行控制的，根据外部输入来控制焊接电源的输出电压值。
而脉动送丝机构由内部的脉冲发生电路来进行驱动，实现脉动送丝。
两外部机构是通过单片机的内部中断来实现焊接时的协调配合的，在送丝机构工作时输出电压最小值，送丝机停止工作时输出为电压的最大值[14]。
图1-6水下焊接控制系统
水下焊接电源的研究意义和主要研究目标
研究意义
如图1-7[15]所示，绝大多数水下焊接系统，其焊接电源和控制系统在陆地上，需潜水焊工完成水下焊接，由于人的自身以及焊弧的影响，这种系统适合于水深较浅的情况下焊接。
而对于水深达到一定程度以后，受焊接电弧的特性、电源内部器件耐压值以及人的承受极限的影响，在进行水下焊接时焊接系统就不具备可行性了。
当水深较深时，如果焊接电源在陆地上，需延长焊把线来进行焊接。
由于电弧的自身特性，焊接时的焊接电流值过大，焊接电压比较小，在焊把线及地线上会有比较大的能量损失，从而造成焊接电流急剧下降，无法进行起弧收弧，使得焊缝质量过低，无法达到预期要求。
在分析焊把线的阻值与焊接电流焊接电压之间关系时，通过表1-1可以看出在横截面积一定的情况下，电阻也会是定值，随着电流值的增大，焊把线上的耗能也会不断地增大，进而影响焊接时电弧的电压值。
根据第一节所述，在水下焊接中水下湿法焊接是较其他焊接方法操作最为简便的一种。
再进行水下湿法焊接是，无需将工件抬出水面，可以在水中直接进行焊接，大大缩短了焊接过程，而电弧与水之间无需加装特定的隔离设备，只需通过焊丝熔化产生的气相区（气室），气相区为焊弧的产生提供了空间。
图1-7水下焊接系统
由于焊接时产生的气体的体积大小会受浮力的影响，随着气相区不断有气泡产生，导致气相区体积周期性的不断变化，使得焊弧的长度也会周期性的变化，若气相区体积变化剧烈，会造成起弧收弧相对比较困难，特别是水深过大，压力会造成焊弧过细，容易造成虚焊。
焊缝形成以后，若与水接触造成迅速冷却，或由于水压使得焊弧过细，会形成阴极斑点和等离子流，导致焊丝的熔滴堆积，使得焊接表面凹凸不平，致使焊缝质量下降[16]。
根据水下焊接的特点可知，焊把线进行水下焊接时的长度过长会导致焊机焊接特性无法体现，这也是使得焊丝熔滴不能很好地过渡和焊弧过细的主要原因。
基于上述思想，水下焊接对焊接电源提出的要求是：
第一是所设计的水下焊接电源在焊接过程中应该能够保持电弧燃烧稳定，熄弧后起弧容易。
第二是要保证焊接电压和焊接电流尽量稳定，使得焊缝达到预期要求。
表1-1焊接电缆技术参数
导体标称截面/mm2
20oC导体最大电阻/（Ω/km）
16
1.190
25
0.780
35
0.552
50
0.390
70
0.276
95
0.204
主要研究目标
本课题是以“焊机水下焊接电弧的控制”为水下焊接电源设计的设计基础，利用其控制原理来对水下焊接电源在水下焊接时的焊接电流和焊接电压来进行控制，并对如何提高焊缝的质量作进一步研究。
具体研究目标如下：
1、以通用逆变弧焊电源NB--4001GBT为基础，设计控制系统，可以对焊机焊接时的相关参数进行远距离的调控，并对起弧和收弧进行控制。
2、设计出水下焊接电源专用的保护壳体，确保深水焊接过程中焊接电源的能够正常工作。
3、为了方便在陆地检测水下焊接各部分工作状态，设计工控机界面来对各焊接进行实时显示，并可通过界面实现对于各参数的调节。
本章小结
本章阐述了国内外水下焊接的进展和发展现状，介绍了国内外在水下焊接装备工艺方面的一些成就。
并简单阐述了针对水下焊接的一些问题对本课题所研制的水下焊接电源提出的要求，并在前人研究的基础上，确定了以远程调控相关焊接参数的研究内容。
水下焊接电源整体方案设计
密封方式设计
密封方式简介
密封装置是机械装备的重要组成部分之一，在使用过程中，是最容易受损的，密封结构是否合理是确保装备能够可靠工作的重要因素之一。
由于水下焊接电源是将焊机装在密闭的容器中来进行水下焊接的，因此必须保证密闭容器的密封性能，才能使得焊机在水下能够正常工作，若出现渗漏，就会使得水下焊接无法进行，进而对焊机和操控人员产生威胁，所以在证明密封性能可行性之后才能将其应用到实践中[17]。
在工程实践装备的密封分类中，按密封内部的材料不同将密封分为液体密封和气体密封；
根据密封所承受的压力值不同又可将其分为高压、中低压和真空密封；
按照密封两接触面的运动方式不同又将其分为静密封和动密封。
在所有的密封方式中，按照密封的特性可将其分为两大类，分类如图2-1[18]所示。
静密封是指两接触面之间没有相对运动，通过预紧力来进行的密封方式；
动密封是指密封面之间存在相对运动，如气缸的密封等。
静密封又可按照图2-2[19]进行分类。
图2-1密封分类
图2-2静密封分类
端盖处水下密封方式选择
在端盖密封的方式中，一般是通过在端盖处加O型密封圈或者垫片来实现端盖的密封。
针对类似于电动机的伸出轴处的动密封，密封方式要复杂得多。
在密封方式上，根据密封件内外压力值可将所有的密封方式分为：
封闭式和压力平衡式。
对于采用压力平衡式密封装置的水下焊接装置，是将焊机置于保护壳体内部，通过调节内部的不导电介质体积来进行壳体内外压力补偿，使得保护装置内外压差在合理范围内，此种方式对于材料要求较高，尚处于理论阶段[20]。
水下焊接电源结构三维图如图2-3所示，封闭式结构是将电气设备置于完全密封的刚性耐压壳体中，这种结构可以使用标准规格的电气设备，通过壳体端盖处施加预紧力，采用合理的密封方式使其在水下工作时承受外部压力，来保证密封的效果[21]。
由于静密封相对于动密封来说结构简单，成本低，所以在密封结构中占主要地位。
不同的工作要求对于密封的要求程度也不一样，为提高密封可靠性，通常以减少泄漏量作为系统可靠性的重要评定标准。
静密封分为O形圈密封、垫片密封、密封胶密封、填料密封和波纹管密封等。
在保证密封装备可靠性的同时要求设计的工作压力小于密封材料的最大接触压力。
在密封方面，工程实践中使用比较多的静密封方式主要有O形圈密封、O形密封圈与聚四氟乙烯垫圈的组合密封、机械密封等。
随着水下装备工作深度的不断增加，对于密封的要求也会不断提高，如果密封处内外压差增大，容易导致密封失效，从而发生泄漏。
图2-3水下焊接电源结构示意图
在海洋装备中如果应用的是静密封，金属密封方式应用比较少，经常会采用O形橡胶圈来保证装备的密封。
如下图2-4所示，O形橡胶圈的预紧作用和自密封作用是通过对其施加预紧力来实现的，O形圈安装槽与端盖之间会使密封圈产生压缩形变，在密封圈外侧收到流体压力作用时，预紧力与液体压力的合力是密封圈变形更大，保证端盖与连接件之间的缝隙无法使液体进入，进而完成密封。
O形密封圈的形变也会随着外部流体压力值的变化而变化，力的相互作用会使接触面受力也发生变化，若受力大于壳体内部压力值时，形成自密封。
为了保证自密封的效果，要尽量提高接触面两端的粗糙度，并根据工程实际工作要求选用具有合理压缩变形量的O形圈[22]。
（a）沟槽（b）预密封（c）自密封
图2-4O形橡胶圈的预紧作用和自密封作用
由于水下焊接电源是将焊接电源放置在密闭的容器中，为了保证焊接电源在水下的密闭性，使其在有限工作水深内确保水下焊接电源能够正常工作，本课题采取O形密封圈与聚四氟乙烯垫圈的组合密封。
因为O形密封圈具有良好的耐压性能，在设计合理的情况下，其耐压值可以满足水深400米的气舱密封，所以对于本课题所设计的200m工作深度可以满足[23]。
与此同时，由于聚四氟乙烯具有很好的密封性能，其在适当预紧力下可以提高端盖的密封性能，并且具有良好的抗腐蚀性能，可应对海水较高的腐蚀性对于密封的影响。
控制系统方案设计
在控制系统设计中，对于PLC和单片机的使用频率相对较高，作为控制部分的重要组成部分，其在控制方便各有自己独特的一面，需根据设计要求的不同进行选择。
对于可编程控制器来说，它是伴随着工业自动化的不断发展起来的一种应用于工业控制的控制器，其控制方式是通过内部程序控制继电器闭合的先后顺序，进
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