水下濕法焊接遠程遙控裝置設計及使用方法

陳曉強,馬 震,潘 爽,李曉虹,王 帥

(海軍潛艇學院,山東 青島 266042)

摘 要:為保護水下焊接人員的人身安全,提高焊接電源通斷相應時間,設計開發了一種水下濕法焊接遠程遙控裝置,該裝置由水下開關組件、水密通訊電纜、陸上控制組件與信號輸出插頭等構成,可以實現由潛水員在水下自主操作焊接電源的通斷,最大限度地縮短響應時間。實際應用結果表明,與傳統的大功率閘刀相比,水下濕法焊接遠程遙控裝置的指令響應速度由2~4 s 縮短到0.2 s以內,焊接過程中沒有出現麻電現象和拉弧現象,為水下作業提供安全保障和便利。

關鍵詞: 水下濕法焊接; 遠程遙控; 響應時間

水下濕法焊接在施工過程中焊槍直接暴露于水環境中,由潛水員在水中進行焊接作業,操作過程簡便,成本低,是一種應用廣泛的水下焊接方法[1-6]。在水下施工過程中,為保證潛水員的安全,防止觸電事故的發生,需要在焊接結束時及時切斷焊接電源,只有得到潛水員允許后,才可接通焊接電源,進行焊接操作[7-10]。由于大多數用于水下焊接的焊機不具備遙控功能,焊接回路的通斷是由大型閘刀開關來實現。閘刀開關串聯在焊接回路當中,當需要進行焊接時,陸上操作人員根據潛水員的要求,閉合閘刀開關,焊接回路導通。同樣,也要根據潛水員的要求切斷焊接回路[11]

1 水下焊接開關控制方式

目前焊接開關控制方式主要有兩種形式:一是直接切斷380 V 交流電,即通過三相交流開關切斷焊接過程; 另一種就是切斷二次側電纜的方式,即切斷焊接時的電纜導線,如圖1所示[12-13]。通過三相交流開關切斷焊接過程時,其最大的優勢是無需任何輔助設備,普通焊接電源即可實現該項操作。但在潮濕環境下頻繁地通斷三相交流電不僅對操作人員人身安全帶來不良影響,更為重要的是,盡管交流電輸入回路被操作人員切斷,但焊機內部的整流濾波電容內仍然儲存一定的電能,通常該電容值至少4 700 μF,電壓500 V 以上,該電能仍能使焊機工作至少2 s 以上,對潛水員的人身安全帶來隱患。因此,不宜采用三相交流開關切斷焊接過程。

圖1 焊機通斷控制方式示意圖

對于切斷二次側電纜的方式,通常利用功率器件由岸上操作人員手動控制,根據需要及時切斷焊接回路。常用功率器件主要包括閘刀開關、大功率接觸器、固態繼電器和可控硅等。行業中最為常見的是在利用大功率閘刀切割焊機輸出回路的方式,達到終止焊接過程的目的。該方法設備簡單,操作簡便。但也存在一些不良影響:焊接電流通常在200 A 左右,切斷較大電流時,閘刀處容易產生電弧。此類電弧不僅會造成一定的安全隱患,還會對閘刀造成損傷,增加閘刀的接觸電阻,最終影響焊接質量。更為關鍵的是,由于閘刀體積較大,通斷過程閘刀手柄行程長,因此完成一次通斷操作,至少需要1 s 的時間,潛水斷電指令的響應速度由此進一步減緩。

利用大功率接觸器替代大功率閘刀可以避免上述問題。首先,大功率接觸器觸點做了相應的密封處理,拉弧較小。優質接觸器多為銀質觸點,接觸電阻小,焊接回路增加的阻抗較小,對焊接過程影響較小。另外,由于交流接觸器獨特的機械結構,使其能迅速完成切斷焊接回路操作,響應時間在0.1 s 之內。

使用固態繼電器和可控硅雖然響應速度快,但需要相對復雜的驅動電路,也需要對其進行散熱,可靠性差。因此,在實踐中應用較少[14]

除上述兩種方式之外,對于行業中常見的逆變焊接電源而言,可以考慮從逆變器處切斷焊接過程。逆變焊機通常利用對內置的絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)的通斷控制,將高壓直流電轉成高壓交流電,然后經降壓整流等環節,最后輸出到電弧處。IGBT 通斷速度極快,市場銷售焊機內部IGBT 一般在50 μs 內通斷一次[15]。如能根據需要,及時關斷IGBT,這樣不僅最大限度地降低了因回路通斷對元器件的損傷,更為重要的是,切斷焊接回路的相應速度將大幅提升。

上述焊接回路通斷控制方式存在的最大問題是全部操作由潛水員發出指令后,由陸上操作人員手動完成。陸上輔助操作人員的反應速度成了制約響應速度提升的主要問題,為此,開發了一套由潛水員自主操作的遠程遙控裝置。

2 遠程遙控裝置的設計

為實現潛水員自主操作,并減少施工過程中陸上輔助人員的數量和工作量,增加水下潛水員水下焊接作業時的安全性,設計了一種水下濕法焊接遠程遙控裝置。在實際工程中可以將遙控裝置放置于潛水電話附近,實現由潛水員在水下自主操作焊接電源的通斷,最大限度地縮短了響應時間,為水下作業提供安全保障和便利。如圖2所示,該裝置由水下開關組件、水密通訊電纜、陸上控制組件與信號輸出插頭等構成。水下開關組件和陸上控制組件通過水密通訊電纜連接,信號輸出插頭固定于陸上控制組件。信號輸出插頭可以根據用戶需要與焊接電源或者焊接電源控制器連接,實現對焊接過程的控制。當潛水員需要停止焊接時,手動轉動旋轉體使永磁鐵遠離磁控開關,通過信號輸出插頭切斷焊接電源輸出,使其恢復至待機狀態,水下照明燈點亮,指示潛水員可以安全進行更換焊條等水下作業。

圖2 水下遙控開關裝置

水下開關組件根據需要固定于潛水員便于操作的位置,如圖3 所示。水下開關組件由防水基體、磁控開關、水下照明燈、轉軸、旋轉體和永磁鐵構成。

圖3 水下開關組件示意圖

陸上控制組件由低壓直流開關電源、大功率繼電器和陸上指示燈構成,大功率繼電器除包含電磁線圈外,還至少包含一組常開觸點和一組常閉觸點。各元件連接方式為:電磁線圈與磁控開關串聯后,接入開關電源輸出端,構成閉合回路; 陸上指示燈與電磁線圈并聯; 常閉觸點與水下照明燈串聯后,接入開關電源輸出端,構成閉合回路; 常開觸點與信號輸出插頭串聯,用于實現對焊接電源的通斷控制。大功率繼電器技術參數見表1。

表1 大功率繼電器技術參數

images/BZ_60_405_1786_682_1851.png images/BZ_60_682_1786_938_1851.png images/BZ_60_938_1786_1287_1851.png images/BZ_60_1287_1786_1553_1851.pngimages/BZ_60_1553_1786_1781_1851.png images/BZ_60_1781_1786_2082_1851.pngimages/BZ_60_405_1851_682_1916.pngimages/BZ_60_682_1851_938_1916.pngimages/BZ_60_938_1851_1287_1916.pngimages/BZ_60_1287_1851_1553_1916.pngimages/BZ_60_1553_1851_1781_1916.pngimages/BZ_60_1781_1851_2082_1916.png

水下遠程遙控裝置操作簡單,安全可靠,遙控盒控制電壓為直流24 V,屬于安全電壓; 鑒于內置的大功率接觸器動作時間低于30 ms,僅通過按鈕開關的通斷即可在極短的時間內輕松完成原有的操作。由于拉弧現象發生于接觸器觸點處,遠離操作人員,且處于相對干燥的環境當中,安全系數高,使用壽命較長。

不僅如此,接觸器觸點采用銀基含氧化鎘的合金,具有導電系數高、抗電磨損性和抗熔焊性良好、接觸電阻低而且穩定、以及滅弧作用。據測算,當電流為100 A 時,觸點處實測壓降為29 mV,遠低于傳統閘刀開關處的壓降值,成功抑制了通斷控制環節的功率損耗。

3 遠程遙控裝置的使用方法

該水下濕法焊接遠程遙控裝置的使用方法包含以下步驟:

(1)潛水員水下作業前,開啟陸上控制組件,并將信號輸出插頭與焊接電源控制端連接,之后啟動配套的焊接電源,使其處于待機狀態,焊機工作與否受信號輸出插頭的通斷狀態決定。

(2)通過水密電纜將水下開關組件和陸上控制組件連接,此時水下開關處于開路狀態,繼電器沒有動作,水下照明燈與常閉觸點構成的回路閉合,水下照明燈亮。該燈不但能夠為潛水員提供水下照明,還能指示焊機的工作狀態。

(3)當潛水員需要啟動焊機時,手動轉動旋轉體至指定位置 (見圖 4 (a)),此時由于永磁鐵接近磁控開關使得磁控開關吸合,磁控開關與電磁線圈構成的回路閉合,與電磁線圈并聯的指示燈點亮; 電磁線圈動作后,常閉觸點斷開,水下照明燈熄滅; 常開觸點閉合,通過信號輸出插頭,啟動焊接電源。

圖4 水下開關通斷狀態示意圖

(4)當潛水員需要停止焊接時,手動轉動旋轉體使永磁鐵遠離磁控開關 (見圖 4 (b)),磁控開關因此斷開,磁控開關與電磁線圈構成的回路斷開,與電磁線圈并聯的指示燈熄滅; 常開觸點斷開,通過信號輸出插頭切斷焊接電源輸出,使其恢復至待機狀態; 常閉觸點恢復閉合狀態,水下照明燈點亮,指示潛水員可以安全進行更換焊條等水下作業。

4 試驗效果

水下濕法焊接遠程遙控裝置及其使用方法,為水下作業潛水員提供了一種靈活便捷、安全可靠的水下焊接電源控制方法。該方法能實現潛水員自主操作,最大限度地縮短了響應時間,據測算,與傳統的大功率閘刀相比,潛水員所發出指令的響應時間由2~4 s 縮短到0.2 s 以內。

另外,水下濕法焊接遠程遙控裝置還能有效地減少施工過程中陸上輔助人員的數量和工作量,鑒于陸上輔助人員無需頻繁地為潛水員控制焊機的通斷,理論上一名陸上輔助人員可以協助2~3 名潛水員開展水下濕法焊接作業。工作效率提高50%以上。

除此之外,水下濕法焊接電源遙控裝置的設計,避免了潮濕環境下拉弧現象產生的危險,減少了回路阻抗,進一步改善了焊接過程穩定性,提高了焊接質量。對于大功率閘刀等常用器件,由于長期在潮濕環境下切斷焊接回路時極易發生拉弧現象,接觸面處的電阻值隨之上升。這不僅會造成焊接電源輸出功率的損耗,還對焊接質量帶來不良影響。受焊機輸出功率限制,上述情況極易引發焊接過程中斷弧現象的發生。

為考察新裝置的應用效果,開展了現場焊接試驗,獲得整體焊縫形貌如圖 5 所示。可以看出焊縫成形良好,無明顯的咬邊、焊瘤等缺陷。在焊接過程中,潛水員操作便利,沒有出現因切斷焊接回路不及時引起的 “麻電” 現象。

圖5 水下濕法焊接焊縫形貌

5 結 論

(1)水下濕法焊接遙控裝置能夠迅速地導通或閉合焊接回路,與傳統的大功率閘刀相比,響應周期縮短至10%以內。

(2)遠程遙控方式不僅能減少對陸上輔助人員的需求,還能避免水下濕法焊接過程中的麻電現象發生,改善了焊接過程穩定性,提高了焊接質量。

參考文獻:

[1]周利, 劉一搏, 郭寧,等.水下焊接技術的研究發展現狀[J].電焊機, 2012, 42(11): 6-10.

[2]ROWE M, LIU S.Recent developments in underwater wet welding[J].Science and Technology of Welding & Joining, 2001, 6(6): 387-396.

[3]LIZUNKOVA Y, HASSEL T, KLOTZ J, et al.Development of filler wire for underwater welding as a repair tool for adaptation on AUV[C]//Oceans 2009 IEEE Bremen.Bremen, Germany: [s.n.], 2009: 1-6.

[4]朱加雷, 俞建榮, 焦向東, 等.水下焊接技術研究和應用的進展[J].焊接技術, 2005, 34(4): 1-3.

[5]陳英,許威,馬洪偉, 等.水下焊接技術研究現狀和發展趨勢[J].焊管,2014(5):29-34.

[6]焦向東, 朱加雷.海洋工程水下焊接自動化技術應用現狀及展望[J].金屬加工(熱加工), 2013(2): 24-26.

[7]段宇,唐耀,陳曉強.水下焊割作業中觸電原因與防護方法[J].焊接技術, 2013(8): 76-79.

[8]GB 16636—2008,潛水員水下用電安全規程[S].

[9]GB 4208—2004,外殼防護等級[S].

[10]劉海濱, 陳曉強.水下焊接與切割技術應用及發展研究[J].大壩與安全, 2008(1): 68-71.

[11]杜永鵬,袁新,賈傳寶, 等.水下濕法手工電弧焊焊接設備特性研究[J].焊管,2012(5):40-43.

[12]王春芳, 王兆安, 王開艷.弧焊逆變器主電路的改進和實驗驗證[J].電力電子技術, 2010, 44(7): 51-52.

[13]陳樹君, 盧振洋, 殷樹言, 等.弧焊逆變電源的輸入性能分析與濾波電路參數優化[J].電焊機, 2004, 34(6):36-40.

[14]胡群榮.大功率電力電子開關用于配電變壓器無弧有載調壓方案[J].電子世界, 2013, 30(24): 46-46.

[15]畢耀宗.納米晶在逆變焊機上的應用[J].現代焊接,2003(6): 57-58.

Design and Operational Using Method of Romote Control Device in Underwater Welding

CHEN Xiaoqiang, MA Zhen, PAN Shuang, LI Xiaohong, WANG Shuai
(Naval Submarine Academy of PLA, Qingdao 266042, Shandong, China)

Abstract: In order to protect the personal safety of underwater welders, high-power knife switch is usually used to cut off the welding circuit in the underwater wet welding process to realize on-off control of the welding process.This method has some disadvantages such as slow response speed and poor security.Due to lack of the technique on controlling power supply and break, the equipment composition and operational using method of romote control device for underwater welding are introduced in the paper.The diver can control the power supply and break himself with the help of this romote control device under water.The response time can be shortened, electrical safety and convenience for underwater operating can be provided.

Key words: underwater wet welding; romote control device; response time

中圖分類號: TG456.5

文獻標識碼: B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.9.010

作者簡介: 陳曉強 (1976—),男,碩士,副教授,主要從事水下焊接與切割技術方面的研究及教學工作,已發表論文20 余篇。

收稿日期:2019-05-03

編輯:李 超

排列五50期走势图