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水下焊接电源设计
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
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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
第1章 绪论
1.1 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
1.2 水下焊接设备国内外研究现状
1.2.1 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Aberdeen Sub se Offshore Ltd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(Cranfield University)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]。
1.2.2 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]。
1.2.3 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
1.3 水下焊接电源的研究意义和主要研究目标
1.3.1 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
1.3.2 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。
1.4 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。
第2章 水下焊接电源整体方案设计
2.1 密封方式设计
2.1.1 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
2.1.2 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2-4 O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。
2.2 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，进而实现不同被控对象工作的先后顺序。还可根据不同的控制类型选择不同控制模块进行控制。根据控制需要可添加不同的控制模块来实现不同的功能，例如模拟量的采集、工控机的通讯等，所以在工业控制中应用比较广泛。因为可编程控制器内部是由集成电路及微控制器组成的，所以其在抗干扰程度和可靠性能方面比较高。与此同时，它的机构比较紧凑，各路输入输出均有指示二极管来进行显示，在程序调试运行阶段能够比较方便的找到故障所在[24]。在不断的发展过程中，PLC功能也越来越丰富，通过增加功能块，基本可以实现其他控制中的大部分功能。例如可通过模拟量模块实现模拟量的采集，并且支持多种工控机通讯协议，可以保持与工控机的实时通讯，来对个控制状态来进行监测。使用简单，对操作人员相对比较低，PLC仅通过按钮或触摸键就可以进行控制，操作简便。
单片机虽然体积小，占用空间比较小，可用于嵌入，在大中型设备的自动化控制中应用也比较广泛。但单片机控制系统调试运行比较繁琐，若出现故障，排查周期比较长，可维护性差，当单片机系统发生故障时，软硬件故障系统都较难查找，维护比较困难。而且在一些大型电器中，它的稳定性，抗干扰性能等都相对较弱[25]。
在工业控制中，对于控制方案的选择，一般是遵循“简便、稳定”的原则。单片机与可编程控制器在性能方面的的比较如下表2-1所示。可编程控制器适合控制开关量较多的场合，不同型号有不同的输入输出点数，可满足不同的控制系统[26]。
由于水下焊接电源设计最深工作水深为200m，水下压强较高。且焊接电源使用的是380v交流电，由焊弧的特性可知其输出的是低电压大电流。焊机上对于焊弧参数设置的开关相对比较多，同时为了保证在水中的焊接电源能够与工控机之间能正常进行数据传输，且保证水下焊接电源的正常工作，本课题选用PLC做控制器来实现对于焊接电源的焊接参数进行控制。
表2-1 性能分析表
项目
功能
体积
设计难度
通用性能
生产成本
界面
使用要求
可维护性
稳定程度
开发周期
PLC
强大
中
小
好
中
一般
低
好
好
短
单片机
更强大
小
最大
差
低
一般
低
差
一般
长
2.3 散热方式方案设计
由于水下焊接电源实在密闭的容器中进行工作的，所以其散热方式的好坏可能会对其工作产生严重的影响。为此需要对水下焊接电源的散热方式进行分析，从而确保其在水下正常工作的同时将电源内部热量通过壳体散发出去，保证焊接电源内部各器件不会因为温度过高而损坏，进而保证水下焊接电源工作的稳定性。因此，水下焊接电源散热设计非常重要，这是确保电源正常供电的关键。
2.3.1 液冷散热与风冷散热
液冷技术是指利用冷却介质来进行散热的冷却技术。其原理就是利用冷却液的流动带走元器件产生的热量从而降低发热元器件的温度。液冷系统主要由液冷散热装置、液冷循环管路、动力泵组成，其工作原理如图2-9[27]所示。冷却介质在泵的作用下通过制冷软管流入液冷散热器内，将电子元器件产生的热量传递到制冷液中，再经过二次换热器将热量散发到外部环境，冷却后的液体再次流回制冷软管中，通过液体不断地循环达到使工作元器件降温的目的[28]。
为保证水下焊接电源内部工作时温度能及时散发出去，通过对于电源内部产热源头进行分析，本课题设计了两套散热方案来对电源内部器件进行散热。
图2-9 液冷系统原理图
1、液冷块冷却
在电源内部散热片中穿插液冷块，如图2-10所示。由于散热片原本是用于焊机在相对较大的使用环境中进行散热的，由于水下保护壳体的空间较小，所以不利于散热片发挥作用。为使得散热片发挥更好的散热效果，所以本课题将液冷块穿插放进散热片，将散热片的热量通过液冷块散发出去。
为使焊接电源内部热量能够散发到外部，本课题通过将液冷块放置在保护壳体端盖处，具体结构如图2-11所示，将电源散热片的热量通过散热软管中的液体带到两个端盖上传散出去。
由于冷却方式使用液冷，所以需要考虑散热软管渗漏的问题，为保证在合理的泄漏量内防止电路发生短路，本课题的循环制冷液主要成分是环烷烃（变压器绝缘油）不仅具有良好的导热性还具有绝缘能力。由于焊接电源内部变压器产生热量较小，所以采用小风扇结合散热片的方式对变压器件进行散热。
图2-10 散热片液冷示意图
图2-11 液冷块冷却示意图
2、散热管冷却
液冷循环系统主要由散热铜管组、水泵、水箱等组成。如图2-12所示。该系统通过真空泵带动冷却液循环，把焊机电源热量带到保护壳体的内表面，而内表面所铺设的液冷管与保护壳体外表面水箱相连接，进而使得循环液的温度维持在正常范围内。由于内部变压器件不适合铺设液冷管，所以同样在水下焊接电源内部设计了小型风扇，将变压器件多余的热量通过风冷的方式从保护壳体表面散发出去。
在加工过程中发现，在保证水下焊接电源外部壳体密封性的同时很难保证壳体外补水箱的密封性，分析发现如果外补水箱焊接不牢导致制冷液泄露会对水下焊接电源的正常工作产生严重影响，以至于烧毁内部元器件。所以为保证水下焊接电源工作的稳定性，本课题的液冷系统将选用设计方案一。
在工程实践中，绝大多数情况下采用铜或铝材制作散热器，由于这些材料具有良好的导电性，通常要与电路中的地相连接。如果大功率发热器件的壳体接地或者与电源相连，为防止发生短路，，则需要在功率器件壳体与散热片至今加装绝缘装置，绝缘体一般采用云母垫片或者具有其他良好绝缘性能的材料[29]。
2.3.2 驱动模块设计
为保证制冷液能将电源内部热量高效的通过保护外壳散发出去，所以真空泵需要为制冷液的循环提供充足的动力。为此本课题液冷的动力源选用无刷直流水泵，其实物图如图2-13所示。其功率为18W，工作电压为直流12V，采用先进的电子部件和耐磨轴。直流无刷水泵是利用叶轮旋转而使液体产生的离心力来工作的。其运转平稳，效率高，性能好，使用寿命长，还可以长时间连续工作，并且无噪声，安全环保，因此被广泛应用于工业、科研、航天事业[30]。
图2-12 散热系统结构图
图2-13 真空泵示意图
2.4 本章小结
本章主要介绍了水下焊接电源外部保护壳体的密封方式的选择，以及确定了液冷和风冷相结合的冷却方式来保证水下焊接电源在正常工作时内部元器件的温度处于正常范围。
第3章 水下焊接电源保护壳体结构设计
3.1 壳体结构设计
壳体结构设计按照其结构组成可分为以下四部分：
1．圆柱形保护外壳设计
水下焊接电源研制的关键问题是焊机在水下工作时的外壳强度问题。在进行水下焊接工作时，是将焊接电源放置在保护壳体内，为了保证保护外壳迎流阻力小、加工方便、满足水下焊接耐压要求，所以将保护外壳设计成圆柱形。总体设计方案是采用圆柱形保护壳体，参照以往水下密封设备的设计，本课题设计的圆柱保护外壳的厚度为20mm，如图3-1所示，由于海水的腐蚀性较强，且从经济等各方面综合考虑，圆柱形保护壳体选用的是304不锈钢，进而使得保护壳体的使用寿命大大增强，与此同时并在壳体外部做优化，保证水下焊接过程中壳体的耐压性能。
图3-1 圆柱形保护壳体二维图
2．端盖设计
由于水下焊接电源是将逆变焊机放置在保护壳体内部，为了保证焊机在保护壳体内部安装方便，而且考虑到加工制造的方便，圆柱形保护壳体的两端采用端盖来进行密封。每个端盖处设计有16个螺栓孔，端盖处是通过螺栓来进行预紧的，通过施加合理的预紧力保证焊接电源在水下的密封性能的。参照以往水下装备的相关设计，本课题对于端盖的设计厚度为20mm。与此同时，将焊机装进密闭保护壳体以后需对焊接参数进行控制，所以需要在端盖处留有供电以及控制口，以方便控制线以及焊机的供电线的进入。在左端盖处设计直径60mm的圆孔，来保证焊机供电线的进入，同时设计40mm的圆孔使得焊机控制线的引出，保证焊机与工控机之间的通讯。保护壳体的右端盖是保证焊机右侧与送丝机的连接，所以本课题在右端盖分别设计了两个直径60mm和一个40mm的圆孔，来保证送丝机电源线和地线的引出，而所设计的40mm的圆孔是送丝机与焊机之间的控制线，来保证焊接过程送丝速度等参数反馈到焊机的控制中心，进而对方便对于焊接电流的控制，左右端盖如图3-2,3-3所示。
3-2 右端端盖二维图
图3-3 左端端盖二维图
3．水下接口密封装置的设计
水下焊接电源作为整个焊接系统的动力部分，对于焊接过程中各焊接参数的调控，是通过将参数控制线引出来实现的。水下焊接电源内外部分采用水密接插件进行连接。这就需要在水下焊接电源与外界联系时保证接口的密封性。由于水下焊接电源保护壳体的独特性，现在市面上没有与其配套使用的接口密封装置，只能自行设计制造。
通用的水下接口密封装置采用法兰盘密封方式[31]。这种密封装置主要由填料筒和法兰盘两部分组成，两端填料函与水密导线采用过渡配合，配合后并用固体胶将其密封。
填料函（如图3-4所示）和法兰盘（如图3-5所示）顶部采用螺纹连接，靠填料函的压力来挤压橡皮圈产生压紧导线的塑性变形来密封，在法兰盘的顶部内凸处开矩形槽，靠填料函的压力压紧O型圈。这部分密封不仅有可靠的密封性，而且方便拆卸。
图3-4 填料筒二维图
为保证连接的可靠性，整体全部采用管螺纹连接的方式。整个水下接口密封装置（如图3-6所示）由压紧装置、填料筒、底座三部分组成。底座部分与壳体采用焊接方法连接，焊接是一种密封性好、机械强度高的连接方法，可以保证焊接接头的密封性和抗压性。
密封装置中水密插件的母头端使用密封胶固定在底座上，底座和填料筒之间采用管螺纹固定，与此同时使用O型橡胶密封圈，保证水下焊接电源在水下工作时水密件的密封性。压紧装置与水密导线采用过渡配合，配合后并用固体胶将其密封。压紧装置和填料筒上部密封、底座与填料筒下部密封， 压紧装置和法兰盘部分密封示意图原理及密封方法如实物图3-7所示[32]。
图3-5 水下接口法兰盘二维图
图3-6水下接口三维图
图3-7 水下密封接口实物
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