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水下 焊接 电源 设计 10 cad 说明书 仿单 64 开题 报告 讲演 呈文

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设计说明书.doc[26000字，64页]

任务书.doc

开题报告.doc

水下焊接电源（PLC）.dwg

水下电源最终程序（改）.mwp

组态王工程界面

触屏界面最终版

（填料函及水密件）.dwg

（端盖和壳体）.dwg

（装配）.dwg

摘   要

随着海洋技术的不断发展，水下焊接技术已成为海底石油管道铺设，海洋平台建设，舰船修复等方面不可缺少的技术之一。在进行水下焊接时，传统方法是通过延长焊把线进行焊接，但随着深度的增加，焊把线电阻会随之增大。由于焊接电压一般较低，这样在深水焊接时就会对正常的焊接参数造成影响，会导致焊缝强度和韧性下降等问题，影响正常焊接。本课题研制的潜水式水下焊接电源，是将焊机置于水下密闭容器中，通过延长电源线来完成焊接，解决了上述问题。

水下焊接电源主要由水下密封装置、控制系统、冷却系统三部分组成。水下密封装置采用304不锈钢作外壳，并使用了加强环来加强外壳强度；密封处使用法兰盘密封方式，并采用高压聚四氟乙烯作密封垫；并且对电源外壳进行了严格的强度校核，可满足水下高压，腐蚀性强等使用要求。控制系统主要由PLC S7-200、EM232、工控机、固态继电器、交流接触器、电流变送器、电压变送器组成。PLC通过控制固态继电器来实现对焊机电源上检气、收弧、焊丝直径、药芯四个开关和焊机总电源交流接触器以及冷却系统无刷潜水泵的控制；用PLC模拟量输出来调节焊接电压和电流；焊接电压以及电流通过PLC模拟量采集然后在触摸屏上进行显示；触摸屏与PLC之间通过Modbus协议进行无线通信，并采用无线WiFi模块进行信号传输，成功实现了水下焊接电源与工控机之间的无线通讯。冷却系统采用水冷方式，动力由小型离心泵产生，制冷液主要成分是环烷烃，并在变压器处采用小风扇结合散热片的方式散热。最终进行水下焊接实验，实验结果显示，焊缝成型良好，水下焊接电源工作稳定。

关键词  水下湿法焊接；水下焊接电源；PLC；工控机

Design of Underwater Welding Power Supply

Abstract

With the continuous development of marine technology, underwater welding technology has become an undersea oil pipeline, one of the technologies offshore platform construction, ship repair and other aspects indispensable. When performing underwater welding, often by extending the welding wire for welding, as the depth increases, the resistance welding wire will be increased, because the underwater welding voltage is generally small, so when welding in deep water will be normal welding parameters impact will cause the weld strength and toughness decline and other issues affecting welding. Paper developed submersible underwater welding power source, the underwater welder As a closed container, by extending the power line to complete the welding, to solve the above problems.

Underwater welding power mainly by underwater sealing device, control system, cooling system consists of three parts. Underwater seal selection 304 stainless steel enclosure, and used to enhance the strength of the casing reinforcement ring, flange seals using sealing manner, and Teflon for high pressure seals for power shell through a rigorous strength check can meet the underwater pressure, corrosion and other requirements. Control system consists of S7-200 224XP and EM232, industrial machines, solid state relays, exchanges and contacts, current transducer, voltage transducer components. PLC control via solid state relay to achieve a welding power supply check gas, crater, wire diameter, cored welder four switches and the mains AC contactor and the cooling system control brushless submersible pump; with PLC analog output adjust the welding voltage and current; welding voltage and current through the PLC analog acquisition and then displayed on the touch screen; use between touch screen and PLC Modbus protocol for wireless communications, wireless WiFi module for signal transmission, the successful implementation of underwater welding power source communication between IPC. Cooling system water-cooled, centrifugal force generated by a small, liquid refrigerant is the main component of cycloalkanes, and use of small combined heat sink fan cooling mode at the transformer, and the use of wire feeder underwater welding experimental results show, weld good, underwater welding power source is stable.

Keywords Underwater wet welding, underwater welding power source, PLC, IPC

目   录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 国内外水下焊接概况 1

1.2 水下焊接设备国内外研究现状 4

1.2.1 水下高压TIG焊接系统 4

1.2.2 水下局部排水CO2半自动焊接系统 4

1.2.3 脉冲平外特性与脉动送丝控制系统 5

1.3 水下焊接电源的研究意义和主要研究目标 6

1.3.1 研究意义 6

1.3.2 主要研究目标 8

1.4 本章小结 8

第2章 水下焊接电源整体方案设计 9

2.1 密封方式设计 9

2.1.1 密封方式简介 9

2.1.2 端盖处水下密封方式选择 10

2.2 控制系统方案设计 12

2.3 散热方式方案设计 13

2.3.1 液冷散热与风冷散热 13

2.3.2 驱动模块的选择 15

2.4 本章小结 16

第3章 水下焊接电源保护壳体结构设计 17

3.1 壳体结构设计 17

3.2 保护壳体耐压性能分析 22

3.2.1 圆筒耐压性能分析 22

3.2.2 环肋加强圆柱壳体耐压性能分析 23

3.2.3 端盖耐压性能分析 25

3.3 本章小结 26

第4章 控制系统设计 27

4.1 控制系统整体结构设计 27

4.2 上位机操作系统设计 30

4.2.1 上位机与PLC通讯协议选择 30

4.2.2 上位机操作界面设计 31

4.2.3 按钮功能地址分配 32

4.3 下位机控制程序设计 34

4.3.1 通讯程序设计 34

4.3.2 控制程序设计 35

4.4 本章小结 39

结论 40

致谢 41

参考文献 42

附录 45

内容简介：

哈尔滨理工大学 毕业设计 (论文 ) 开 题 报 告 学生姓名 刘士伟 学 号 1230120114 专 业 机械电子工程 班 级 机电 12 指导教师 张中然 2016 年 2 月 29 日 课题题目及来源： 题目： 水下焊接电源设计 题目来源： 新型水下焊接电源及送丝机构的研究 课题研究的意义和国内外研究现状： 课题研究的意义： 21世纪是海洋世纪，国家中长 期科学和技术发展规划纲要 （ 2006年 ） 已明确将海洋资源高效开发利用、大型海洋工程技术与装备等列为优先发展领域的主题，在提出的八个前沿技术中，单独把海洋技术列为其中之一。水下焊接作为海洋钢结构重要施工技术，已经成为海洋能源开发工程、舰船维修、水上救助和海洋工程建设、维护与修理不可缺少的工艺手段，为此水下焊接技术已成为一项重要的发展目标。为了大力发展水下焊接技术， “海洋焊接关键技术研究 ”已列入国家 863重点项目。 开发海洋资源离不开海洋构筑物的建造和安装，包括石油平台、导管架、海底管线、大型舰船等 。由于海水条件的特性，这些海洋构筑物必须具有一定的特殊性能。海水是一种非常复杂的多组分水溶液，它与金属能形成强络合物，海洋构筑物必定要受到海水的腐蚀。此外还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷以及地震或寒冷地区冰流的侵袭。因此，海洋石油平台、海底管线等海上设施尽管在设计制造、材料选择以及焊接施工等方面都提出了严格的质量要求，但在安装和运行过程中也难免会出现损坏，这种损坏不但会造成经济损失，同时可能会造成严重的环境灾难，一般都要求尽快实施修复。然而，其损坏部分移出海面维修 ,几乎是不可能的。为缩短维修周期，降低 维修作业成本，减少国家和企业的损失，采用水下焊接技术进行修复将是一种必然的选择。 大型舰船修复，海底管道连接等都必须采用水下焊接技术。 大部分水下湿法焊接系统，其焊接电源和控制系统在陆地上，送丝机在水下，这种系统适合于水深较浅的情况下焊接。而对于水深较深时，这种系统已失去可行性，这主要由焊接电弧的特性及电源内部器件耐压值所决定的。焊接电弧是一种低电压、高电流的气体放电现象，当水深较深时，如果焊接电源在路地上，焊把线及地线也会很长，电阻很大，由于电弧的这种特性，在焊把线及底线上会分的很高的电压，从而造成焊接电源 输出端电压很高，而电源内部 流二极管等电子元器件都有一定的耐压值，当超过电子元器件的耐压值，整个焊接系统便会失效 。 水下环境使得水下焊接过程比陆上焊接过程复杂得多，除焊接技术外，海水中焊接时，如果海水进入焊接设备的电力系统中，不仅造成触电危险，还会损坏焊接设备，因此密封成为湿法焊接设备的一项安全问题。水下湿法焊接时，所使用的设备容易受到海水的腐蚀，在材料选择上要考虑耐海水腐蚀问题。而在深水处湿法焊接时，由于海水所产生的巨大压力，焊接设备也要具有一定的抗压能力。 水下焊接不但危险性高、劳动强度大，且 对焊接质量的要求更高：焊接结构除承受工作载荷，还要承受风暴、波浪、潮流引起的附加载荷，很容易产生疲劳破坏、脆性断裂或应力腐蚀开裂。为此世界上主要的工业化国家，如美国、德国、英国、俄罗斯、日本都积极开展水下焊接机理、方法的研究，为了 提高水下焊接的质量，水下焊接电源 的研究也是热点之一。 针对上述情况，必须及早关注和研究能够用于海洋工程的水下焊接 电源 。该课题将迎合国内开发海洋资源的需要，制造出一套先进的潜水式 水下焊接电源 ，并建立其专门的技术和工艺。该项目将在海上石油平台的建设、海底输油管道的建设与维修、舰船的应急 修复等工程上起到重大作用。 国内外发展状况： 水下环境使得水下焊接过程比陆上 焊接过程复杂得多，除焊接技术外，还涉及到潜水作业技术等诸多因素。目前国内主要使用水下焊接方法是将焊接电源 和控制系统 放 在陆地上，送丝机在水下，这种系统 比较 适合于水深较浅的情况下焊接 。 如果用于水深超过 15 米的环境中， 随着压力增加，电弧弧柱变细，焊道宽度变窄，焊缝高度增加，同时导电介质密度增加，从而增 加了电离难度，电弧电压随之升高，电弧稳定性降低，飞溅和烟尘增多，焊接质量会严重下降。而且作业难度增加， 受水下环境的影响和限制，许多情况下不得 不采用焊一段，停一段的方法进行，因而产生焊缝不连续的现象。 高压干法水下焊接 如图 1 所示， 是目前水下焊接质量最好的方法之一，国外在上个世纪 50 年代就开始对该方法进行研究。该方法 通过把焊接电源放置于高压 焊接舱 中， 可以消除 焊把线过长 对焊接过程 以及焊接质量的 影响，但是需要建造复杂的实验模拟装置。实验模拟装置内虽然可以进行工艺评定，但是无法完全排除水深压力的影响。目前，致力于海洋开发的国家或大公司都建有高压模拟试验装置。例如巴西 心的水下高压焊接舱，挪威 立在挪威科技大学的舱内无人高压干法水下 焊接模拟试验装置以及英国 学海洋工程中心于 1990 年初研制的一套能模拟 2500m 水深的舱内无人高压干法水下焊接模拟试验装置 50 1 工件， 2 电缆， 3 干室， 4 焊接设备， 5 焊枪 图 1 高压干法水下焊接装置 因此，制造出一套国内领先的潜水式 水下 焊接电源 ，是现存的急需解决的水下焊接技术难题。 课题研究的主要内容和方法，研究过程中的主要问题和解决办法： 课题研究的内容： 参照已有的焊接系统，在学习、理解的基础上， 为 解决水下焊接，特别是深水焊接焊把线过长，输出端电压过大，容易对焊接电源内部元件造成损害等问题。本课题是将水下焊接电源装入密闭容器中，使用工控机，通过串口 来进行数据传输，与水下焊接电源中的 行通讯，从而 实现 了 对于水下焊接电源 收弧电压、收弧电流等参数的调节与控制 ，并对系统进行密封性和稳定性测试。 为保证水下焊接电源工作的稳定性， 水下焊接电源保护壳体的密封性。针对缸体与法兰之间采用直角焊缝应力集中比较大等问题，本课题需使水下焊接电源保护缸体与法兰之间应力集中效应尽可能减小， 焊缝缺陷相对较小，从而使壳体具有 一定的连接强度，来保证整个保护壳体的密封性。 课题研究的主要方法： （ 1） 搜集资料，了解并掌握 乌克兰巴顿研究所已有的焊接系统 。 （ 2） 确定设计大体思路，撰写开题报告，按照要求完成具体的设计内容。 （ 3） 根据设计任务书的要求，熟悉相关 设计 软件，确定设计方法及设计要点。按要求完成完整的设计计划及预期达到的结果，进行相关设计及计算。 （ 4） 对所设计的 水下焊接电源 进行 焊弧稳定性评价，并对整套系统进行客观评估 。 （ 5） 对设计说明书初稿进行相关格式修改，对设计图纸并进行修改。 研究过程中的主要问题和解决的方法： (1) 水下焊接电源 保护外壳 设计 由 于海水 是含有 卤族元素的离子环境， 具有较高的腐蚀性 。且 水下焊接电源工作环境 是深度较大，所以保证水下焊接电源保护壳体的强度和密闭性是首先要解决的问题。 电源 保护外壳部分选用不锈钢，不锈钢对于大气、水都有较好的抗腐蚀能力。通过对壳体进行防腐蚀处理，来增加壳体的使用寿命 。 法兰盘处留有密封槽，通过将使用密封条来保证接口的强度可密封性。 电机保护壳 机构简图如图 3 所示。 图 3 机构简图（示意图） （ 2） 控制 系统设计 水下焊接电源 的控制系统，主要由 工控机 、空气开关、变压器、漏电保护器 、电流变送器、电 压变送器 构成。控制系统所采用的动力电源是 380V 的三相交流电，系统电压值相对较高，空气开关的主要是在过载过压条件下，自动跳闸，关闭对整个系统的供电，对系统电路和人员起到一定的保护。变压器将 3804V 的 直 流电来为 供动力。漏电保护器则是在系统漏电时自动跳闸，对整个系统进行二次保护。 工控机 是人机交换界面 ，通过串口通讯的方式与 据传输，来对水下焊接电源相关参数进行控制，从而控制焊弧软硬，来提高焊缝质量。 整个控制系统采用人机交换界面，在触摸屏上可以设置焊接参数（焊接电压、送丝速度 等 ） 。水下焊接时，引弧的难易也是焊接控制系统的重要问题，为了在水下更好地引弧，可以在触摸屏上设置引弧时达到设定送丝速度的时间，从而引弧时达到一种慢送丝的状况，有利于电弧的引燃和维持。整个系统采用 工控机 、者综合来对水下焊接电源相关焊接参数来进行控制 ，从而可以保证 焊接过程 过程的平稳 ，以及焊缝的质量 。 课题研究所需的参考文献： 1 朱加雷 ,余建荣 ,焦向东等 焊接技术 4(4):62 唐德喻 现代焊接 6(4):1. 3 陈洋 ,单宇翥 ,王全增 大坝与安全 ,2005(5). 4 宋宝天 ,宋殇 2002(4). 5 王中辉 ,蒋力培 ,焦向东等 2005,35(10):96 焦向东 ,周灿丰 ,陈家庆等 纪海洋工程连接技术的挑战与对策 2007,51(5):237 宋广贺 , 王中辉 ,蒋力培等 境下电弧电特性及管道焊接工艺的研究 2007,36(1):338 赵华夏 ,焦向东 接电弧温度的影响 2008,29(29):179 in in 003,82(9):4810 et of