水下濕法焊接遠程遙控裝置設(shè)計及使用方法

陳曉強，馬 震，潘 爽，李曉虹，王 帥

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042）

水下濕法焊接在施工過程中焊槍直接暴露于水環(huán)境中，由潛水員在水中進行焊接作業(yè)，操作過程簡便，成本低，是一種應(yīng)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(fā)生，需要在焊接結(jié)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(shù)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(guān)來實現(xiàn)。閘刀開關(guān)串聯(lián)在焊接回路當(dāng)中，當(dāng)需要進行焊接時，陸上操作人員根據(jù)潛水員的要求，閉合閘刀開關(guān)，焊接回路導(dǎo)通。同樣，也要根據(jù)潛水員的要求切斷焊接回路[11]。

1 水下焊接開關(guān)控制方式

目前焊接開關(guān)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(guān)切斷焊接過程； 另一種就是切斷二次側(cè)電纜的方式，即切斷焊接時的電纜導(dǎo)線，如圖1所示[12-13]。通過三相交流開關(guān)切斷焊接過程時，其最大的優(yōu)勢是無需任何輔助設(shè)備，普通焊接電源即可實現(xiàn)該項操作。但在潮濕環(huán)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(nèi)部的整流濾波電容內(nèi)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(guān)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(cè)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(jù)需要及時切斷焊接回路。常用功率器件主要包括閘刀開關(guān)、大功率接觸器、固態(tài)繼電器和可控硅等。行業(yè)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(shè)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(chǎn)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(zhì)量。更為關(guān)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?dāng)嚯娭噶畹捻憫?yīng)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(yīng)的密封處理，拉弧較小。優(yōu)質(zhì)接觸器多為銀質(zhì)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(jié)構(gòu)，使其能迅速完成切斷焊接回路操作，響應(yīng)時間在0.1 s 之內(nèi)。

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

除上述兩種方式之外，對于行業(yè)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(nèi)置的絕緣柵雙極型晶體管 （IGBT）的通斷控制，將高壓直流電轉(zhuǎn)成高壓交流電，然后經(jīng)降壓整流等環(huán)節(jié)，最后輸出到電弧處。IGBT 通斷速度極快，市場銷售焊機內(nèi)部IGBT 一般在50 μs 內(nèi)通斷一次[15]。如能根據(jù)需要，及時關(guān)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(yīng)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(fā)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(yīng)速度成了制約響應(yīng)速度提升的主要問題，為此，開發(fā)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(shè)計

為實現(xiàn)潛水員自主操作，并減少施工過程中陸上輔助人員的數(shù)量和工作量，增加水下潛水員水下焊接作業(yè)時的安全性，設(shè)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(xiàn)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(yīng)時間，為水下作業(yè)提供安全保障和便利。如圖2所示，該裝置由水下開關(guān)組件、水密通訊電纜、陸上控制組件與信號輸出插頭等構(gòu)成。水下開關(guān)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(jù)用戶需要與焊接電源或者焊接電源控制器連接，實現(xiàn)對焊接過程的控制。當(dāng)潛水員需要停止焊接時，手動轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)體使永磁鐵遠離磁控開關(guān)，通過信號輸出插頭切斷焊接電源輸出，使其恢復(fù)至待機狀態(tài)，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(yè)。

圖2 水下遙控開關(guān)裝置

水下開關(guān)組件根據(jù)需要固定于潛水員便于操作的位置，如圖3 所示。水下開關(guān)組件由防水基體、磁控開關(guān)、水下照明燈、轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)體和永磁鐵構(gòu)成。

圖3 水下開關(guān)組件示意圖

陸上控制組件由低壓直流開關(guān)電源、大功率繼電器和陸上指示燈構(gòu)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(guān)串聯(lián)后，接入開關(guān)電源輸出端，構(gòu)成閉合回路； 陸上指示燈與電磁線圈并聯(lián)； 常閉觸點與水下照明燈串聯(lián)后，接入開關(guān)電源輸出端，構(gòu)成閉合回路； 常開觸點與信號輸出插頭串聯(lián)，用于實現(xiàn)對焊接電源的通斷控制。大功率繼電器技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 大功率繼電器技術(shù)參數(shù)

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(nèi)置的大功率接觸器動作時間低于30 ms，僅通過按鈕開關(guān)的通斷即可在極短的時間內(nèi)輕松完成原有的操作。由于拉弧現(xiàn)象發(fā)生于接觸器觸點處，遠離操作人員，且處于相對干燥的環(huán)境當(dāng)中，安全系數(shù)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(dǎo)電系數(shù)高、抗電磨損性和抗熔焊性良好、接觸電阻低而且穩(wěn)定、以及滅弧作用。據(jù)測算，當(dāng)電流為100 A 時，觸點處實測壓降為29 mV，遠低于傳統(tǒng)閘刀開關(guān)處的壓降值，成功抑制了通斷控制環(huán)節(jié)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(yè)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(tài)，焊機工作與否受信號輸出插頭的通斷狀態(tài)決定。

（2）通過水密電纜將水下開關(guān)組件和陸上控制組件連接，此時水下開關(guān)處于開路狀態(tài)，繼電器沒有動作，水下照明燈與常閉觸點構(gòu)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(tài)。

（3）當(dāng)潛水員需要啟動焊機時，手動轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)體至指定位置 （見圖 4 （a）），此時由于永磁鐵接近磁控開關(guān)使得磁控開關(guān)吸合，磁控開關(guān)與電磁線圈構(gòu)成的回路閉合，與電磁線圈并聯(lián)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(guān)通斷狀態(tài)示意圖

（4）當(dāng)潛水員需要停止焊接時，手動轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)體使永磁鐵遠離磁控開關(guān) （見圖 4 （b）），磁控開關(guān)因此斷開，磁控開關(guān)與電磁線圈構(gòu)成的回路斷開，與電磁線圈并聯(lián)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(fù)至待機狀態(tài)； 常閉觸點恢復(fù)閉合狀態(tài)，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(yè)。

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(yè)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(xiàn)潛水員自主操作，最大限度地縮短了響應(yīng)時間，據(jù)測算，與傳統(tǒng)的大功率閘刀相比，潛水員所發(fā)出指令的響應(yīng)時間由2～4 s 縮短到0.2 s 以內(nèi)。

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(shù)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(xié)助2～3 名潛水員開展水下濕法焊接作業(yè)。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(shè)計，避免了潮濕環(huán)境下拉弧現(xiàn)象產(chǎn)生的危險，減少了回路阻抗，進一步改善了焊接過程穩(wěn)定性，提高了焊接質(zhì)量。對于大功率閘刀等常用器件，由于長期在潮濕環(huán)境下切斷焊接回路時極易發(fā)生拉弧現(xiàn)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(zhì)量帶來不良影響。受焊機輸出功率限制，上述情況極易引發(fā)焊接過程中斷弧現(xiàn)象的發(fā)生。

為考察新裝置的應(yīng)用效果，開展了現(xiàn)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(xiàn)因切斷焊接回路不及時引起的 “麻電” 現(xiàn)象。

圖5 水下濕法焊接焊縫形貌

5 結(jié) 論

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

（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(xiàn)象發(fā)生，改善了焊接過程穩(wěn)定性，提高了焊接質(zhì)量。