水下濕法焊接遠(yuǎn)程遙控裝置設(shè)計(jì)及使用方法

陳曉強(qiáng)，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(jìn)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(shí)及時(shí)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(jìn)行焊接操作[7-10]。由于大多數(shù)用于水下焊接的焊機(jī)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(shí)現(xiàn)。閘刀開關(guān)串聯(lián)在焊接回路當(dāng)中，當(dāng)需要進(jìn)行焊接時(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)現(xiàn)該項(xiàng)操作。但在潮濕環(huán)境下頻繁地通斷三相交流電不僅對(duì)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(jī)內(nèi)部的整流濾波電容內(nèi)仍然儲(chǔ)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(jī)工作至少2 s 以上，對(duì)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(jī)通斷控制方式示意圖

對(duì)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(dòng)控制，根據(jù)需要及時(shí)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(jī)輸出回路的方式，達(dá)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(shí)，閘刀處容易產(chǎn)生電弧。此類電弧不僅會(huì)造成一定的安全隱患，還會(huì)對(duì)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(shí)間，潛水?dāng)嚯娭噶畹捻憫?yīng)速度由此進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)，接觸電阻小，焊接回路增加的阻抗較小，對(duì)焊接過程影響較小。另外，由于交流接觸器獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其能迅速完成切斷焊接回路操作，響應(yīng)時(shí)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(duì)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，也需要對(duì)其進(jìn)行散熱，可靠性差。因此，在實(shí)踐中應(yīng)用較少[14]。

除上述兩種方式之外，對(duì)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(jī)通常利用對(duì)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(jī)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(shí)關(guān)斷IGBT，這樣不僅最大限度地降低了因回路通斷對(duì)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(dòng)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(yuǎn)程遙控裝置。

2 遠(yuǎn)程遙控裝置的設(shè)計(jì)

為實(shí)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(shí)的安全性，設(shè)計(jì)了一種水下濕法焊接遠(yuǎn)程遙控裝置。在實(shí)際工程中可以將遙控裝置放置于潛水電話附近，實(shí)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(shí)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(hào)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(hào)輸出插頭固定于陸上控制組件。信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的控制。當(dāng)潛水員需要停止焊接時(shí)，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)體使永磁鐵遠(yuǎn)離磁控開關(guān)，通過信號(hào)輸出插頭切斷焊接電源輸出，使其恢復(fù)至待機(jī)狀態(tài)，水下照明燈點(diǎn)亮，指示潛水員可以安全進(jìn)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(diǎn)和一組常閉觸點(diǎn)。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(diǎn)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(diǎn)與信號(hào)輸出插頭串聯(lián)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yuǎn)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(dòng)作時(shí)間低于30 ms，僅通過按鈕開關(guān)的通斷即可在極短的時(shí)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(diǎn)處，遠(yuǎn)離操作人員，且處于相對(duì)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(diǎn)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(shí)，觸點(diǎn)處實(shí)測壓降為29 mV，遠(yuǎn)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(yuǎn)程遙控裝置的使用方法

該水下濕法焊接遠(yuǎn)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(hào)輸出插頭與焊接電源控制端連接，之后啟動(dòng)配套的焊接電源，使其處于待機(jī)狀態(tài)，焊機(jī)工作與否受信號(hào)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(shí)水下開關(guān)處于開路狀態(tài)，繼電器沒有動(dòng)作，水下照明燈與常閉觸點(diǎn)構(gòu)成的回路閉合，水下照明燈亮。該燈不但能夠?yàn)闈撍畣T提供水下照明，還能指示焊機(jī)的工作狀態(tài)。

（3）當(dāng)潛水員需要啟動(dòng)焊機(jī)時(shí)，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)體至指定位置 （見圖 4 （a）），此時(shí)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(diǎn)亮； 電磁線圈動(dòng)作后，常閉觸點(diǎn)斷開，水下照明燈熄滅； 常開觸點(diǎn)閉合，通過信號(hào)輸出插頭，啟動(dòng)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(shí)，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)體使永磁鐵遠(yuǎn)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(diǎn)斷開，通過信號(hào)輸出插頭切斷焊接電源輸出，使其恢復(fù)至待機(jī)狀態(tài)； 常閉觸點(diǎn)恢復(fù)閉合狀態(tài)，水下照明燈點(diǎn)亮，指示潛水員可以安全進(jìn)行更換焊條等水下作業(yè)。

4 試驗(yàn)效果

水下濕法焊接遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)潛水員自主操作，最大限度地縮短了響應(yīng)時(shí)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(shí)間由2～4 s 縮短到0.2 s 以內(nèi)。

另外，水下濕法焊接遠(yuǎn)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(jī)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(jì)，避免了潮濕環(huán)境下拉弧現(xiàn)象產(chǎn)生的危險(xiǎn)，減少了回路阻抗，進(jìn)一步改善了焊接過程穩(wěn)定性，提高了焊接質(zhì)量。對(duì)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(shí)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(huì)造成焊接電源輸出功率的損耗，還對(duì)焊接質(zhì)量帶來不良影響。受焊機(jī)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(yàn)，獲得整體焊縫形貌如圖 5 所示?？梢钥闯龊缚p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(shí)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(yuǎn)程遙控方式不僅能減少對(duì)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。