船舶在航行中因碰撞、触礁、搁浅、风暴或船壳腐蚀等原因，导致船体破损进水，致使船体自身的工作性能受到破坏，影响船道航行^[1]。对于现代化战争的舰船来说，援救战时损伤装备最突出的约束因素是时间，它要求修复工作所需的时间必须在战术或战役的限度之内，利用舰载的维修工具，在有限时间内，修复尽可能多的装备。

对于船体的应急援救修复，从损毁位置上可分为水线以上部位的维修和水下维修两类。随着舰船维修工艺的改进，水线以上的维修技术较为成熟，科研人员研发了一系列修复用的材料与方法^[2-3]。但对于水线以下破损部位，如何在不借助船坞的条件下，及时简便地援救修复水线以下的舰船损伤是关键。对于破损、脱落等故障，有多种水下修理技术如更换零部件、粘结技术和水下焊接技术和水下切割技术等。更换损坏零部件是诸多抢修方法中最为简便快速的，但因为舰船空间小，该方案仅适用于体积小巧的关键设备的维修，不使用于大型结构件，对于船体的损伤，改强度等级的修补技术显然不适用。水下焊接技术具有连接强度等级高，切割速度快等优点，在舰船应急救援修复中有较大的应用价值。通过对远离岸基舰船进行援救作业，及时恢复舰船战斗力，提高舰船生存力，因此受到各国海军的重视。水下焊接种类繁多，与其他水下焊接方法中，水下湿法焊接技术具有设备简单，响应速度较快等优点，在舰船应急抢修中有较大的应用价值^[4]。程方杰等^[5]研究了直接埋藏法修补疲劳裂纹在水下焊接修复工程中有着很强的可行性。韩凤起等^[6]研究了用于水下金属结构应急维修的水下湿法焊接方法，取得较好成果。

根据应急救援的特点，要求救援设备简单，救援修复过程快速高效。水下湿法焊接技术虽能基本满足上述需求，但由于需要将大体积的焊接电源置于空气中，随潜水员下潜的电缆存在着重量大，数量多等不足之处，对于提升设备的便携性，缩短水下应急修复作业布场时间带来一定影响。水下湿法焊接过程中，潜水员对于焊接电源的控制通常是在自主发出语音指令后，由岸上辅助人员协助完成对焊接电源启停控制及参数预制，时效性差。除此之外，由于焊接电源远离焊把与被焊母材，电缆长、电流大的焊接电源输出回路上的电力损耗显著，电压衰减对焊接质量的影响不可避免。另外，较长的电缆也不适用于在沉船船舱、洞穴等区域的水下作业。因此，为进一步提升水下湿法焊接便捷高效特点，有必要摆脱水下长距离电力传输的影响。

随着储能技术的发展，采用电池为焊接电源供电成为可能^[7]。无输入电缆的电池焊接电源可以由潜水员随身携带，便于快速布场。但传统焊接电源都是采用风冷技术，如何在封闭环境下解决散热问题是水下电池焊接电源开发过程中的难点。事实上，潜水员周围的水环境是利于散热的，水下电池供电焊接电源的开发需要解决热量传递问题。陈燕虎^[8]在研发海底观测网接驳盒供电电源过程中发现腔内灌充绝缘导热油可大幅度改善散热效果。朱绍中等^[9]在研究车用PCU水冷装置将发热元件贴在水冷装置上，热量传导到装置内部，再由对流换热传递给冷却水带出到外部冷却设备进行散热。王婷等^[10]也在电池水冷技术研究中取得较好的成果。

针对上述问题，本文在锂电池供电焊接电源基础上，利用水冷散热技术，开展便携式水下焊接电源研究，解决水下湿法焊接作业中线缆繁多，布场时间长等问题，提升应急修复作业效率。

锂电池水下焊接电源由水密机壳、电池仓、焊机开关、电气仓、输出接插件、磁力接地装置等构成。

通过对电气仓和电池仓的设计，开发电池供电水下焊接电源，实现了在无供电电缆条件下的水下湿法焊接操作：斩波电路为正常焊接过程提供了必要的电力供应；升压电路则为水下湿法焊接引弧过程的顺利实施提供了相应的保障。水密机壳由防腐性能良好的金属材料制成，用于固定相关电力元器件，防止水环境对其侵蚀。为便于水下湿法焊接作业的开展，在焊接电源水密机壳上安装一接插件，该接插件与焊机输出正极相连，并为水下焊接过程提供电能。潜水员在水下仅通过较短的焊接电缆连接焊把与焊接电源，大幅降低了电力传输过程的电能损耗，保障了焊接过程稳定。

电池仓内置若干组电池，用于为焊接电源系统供电。电池仓内的电池根据需要，通过适当的串并联组合，向电气仓提供特定电压的电力。电池仓内电池容量则根据水下焊接作业需求设置及舱室容积设置，除此之外，在增加电池仓内电池数量的同时，还需要适当减轻潜水自身佩戴压铅数量，达到适用于潜水员水下作业的浮力条件。

电气仓与电池仓连接，用于将电池提供的电能转换成焊接所需的电能。焊机开关串联与电池仓和电气仓主回路之间，用于控制电池仓电力输出状态。电气仓部由升压电路、控制电路、斩波电路、整流滤波电路、采样电路构成。斩波电路和升压电路分别并联到电池组输出主回路，且受焊机开关的控制。斩波电路输出正极依次分别连接整流电路、采样电路和输出接插件，斩波电路输出负极依次分别连接滤波电路和磁力接地装置。升压电路输出正极依次分别连接采样电路和输出接插件，升压电路输出负极接磁力接地装置。采样电路与控制电路连接，将采集信息传输给控制电路。控制电路分别与斩波电路和升压电路连接，实现对斩波电路和升压电路的控制。当控制电路检测到开机信号时，升压电路将电池组电压放大，用于引弧。此时整流电路内的大功率二极管起作用，防止较高的电压影响此时的斩波电路；当检测到一定焊接电流时，确认引弧成功正常焊接时，升压电路停止工作。

图 1 电气结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of electrical structure

以焊接电源为代表的大功率电源在工作过程中，开关管整流桥等元器件由于自身发热量较大，严重影响器件使用寿命，需要及时有效地对其进行散热。通常将功率元器件固定与散热片上，散热片与空气接触面积大，自身热阻小，可以将热量散发到周围空气中。通常采用内置的轴流风机将散发的热量带到机箱外部，并引入温度较低的空气，实现对设备的降温。但这种陆上焊接电源常用散热方式不适用于置于水中的焊接电源。为此，在充分利用水介质良好的散热效果，设计了如图2所示的散热机构。

图 2 散热机构示意图 Fig. 2 Schematic diagram of heat dissipation mechanism

水密机壳由防腐性能良好的金属材料制成，用于固定相关电力元器件，防止水环境对其侵蚀。水密机壳内部的发热量较大的功率器件通过导热材料紧贴于水密机壳内壁，功率器件产生的热量通过导热材料和水密机壳构成的热量传输通道后，传递到水密机壳外部的水介质中，达到降温目的；水密机壳内部的发热量较小的普通组件则放置于水密机壳内部的空腔中，其产生的热量通过热辐射方式传递到温度较低的水密机壳内壁。通过水密机壳内部各类元器件合理布局，解决了在水密条件下焊接电源内部发热器件的散热问题，达到了将水下湿法焊接电源放置于水中的目的。

在使用锂电池水下焊接电源开展应急抢修作业过程中，由于施工作业环境复杂，难免出现由于缺乏着力点，给潜水员水下作业带来不便。为便于水下湿法焊接作业的开展，设计了如图3所示的水下焊接电源接地装置。

图 3 接地装置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of grounding device

在焊接电源水密机壳上安装一接插件，该接插件与焊机输出正极相连，并为水下焊接过程提供电能。潜水员在水下仅通过较短的焊接电缆连接焊把与焊接电源，大幅降低了电力传输过程的电能损耗，保障了焊接过程稳定。磁力接地装置由接地电缆、磁座、弹簧和接地端子构成。接地端子为杆状，置于水密机壳外，且与接地电缆连接。接地端子中串入弹簧。当弹簧处于松弛状态时，接地端子伸出长度较长，超出水密机壳底部的平面。当磁力接地装置受外力被固定于钢材上，接地端子被迫回缩，伸出端与水密机壳底部平面平行，此时弹簧受压缩，对接地端子产生一指向水密机壳底侧的压力，促使接地端子与钢材紧密接触。所述外力包括机壳重力，但更为主要的是磁座的磁力。弹簧在磁座内的磁力处于关闭状态时，磁力不起作用；当紧贴钢材放置的磁座开启并对外输出磁力时，强大的磁力一方面仅仅吸附钢材，为潜水员提供有效的着力点，另一方面还大幅压缩弹簧，将使弹簧对接地端子产生压力，使接地端子紧密接触钢材，减少接地端子与钢材间的接触电阻，改善焊接过程稳定性。

水下焊接电源密封结构的性能直接影响着水下焊机的安全性和可靠性。安装状态不达标，服役期间遭遇恶劣环境，第三方损伤等都可能直接影响连接器的密封性。一旦密封失效，水下焊机无法正常工作，同时，由于内部含储能锂电池，甚至可能造成灾难性事故。

水下焊接电源外壳圆筒为外径Ø200 mm，壁厚8 mm的圆筒加工制作而成。前后端盖为绝缘材料POM加工制作而成。水下焊接电源的密封，涉及到端盖与筒体、进出线组建与前端盖之间的密封以及进出线组件内部的密封。筒体与端盖、进出线与端盖、进出线组件各部件之间，通过O型圈密封，而进出线各部件内部，通过硫化橡胶实现密封。

根据设计要求，水下焊机在最深水下60 m的工况下工作，因此需要对水下焊机的结构强度进行核算。该核算按照按水下焊机实际使用工况进行结构的水下耐压强度校核，设计施工水深60 m。计算采用三维有限元模型进行结构强度分析，采用梁单元模拟壳体结构的加强筋，使用板单元来模拟的结构有：外部壳体结构、端盖结构等。使用 MSC.PANTRAN 作为前后处理器，使用 MSC.NASTRAN 作为求解器，根据结构应力云图分析可知，壳体最大合成应力为 39.6 MPa，远大于设计要求，满足试验条件。

将水下焊机前、后端盖以及前端盖进出线组密封好后，开展水密试验，压力1 MPa保压半小时。试验结果证实水下焊机可以满足水下60 m之内的密封性要求。

为进一步检验锂电池水下焊接电源的焊接效果，在试验水池中进行焊接工艺测试。具体焊接试验参数如表1所示。首先根据焊缝长度确定所需电池数量，将电池安装于防水机壳内部后，潜水员穿戴自携式潜水装具携带适量焊条下水。潜水员携带焊机到被焊钢材附近，先清理钢材部分区域用于固定焊接电源，然后清理被焊区域，随后通过磁力装置固定焊机，实现焊机输出端与被焊钢材之间的连接，便于潜水员固定姿态，然后自主布放焊把线，并装夹焊条。待潜水员做好焊前准备后，自主启动焊机，进行焊接。焊后，回收焊把线和焊把，清理焊缝，关闭磁力装置，出水完成水下焊接作业。

表 1(Tab. 1)

表 1 焊接工艺参数 Tab. 1 Welding parameters 水深/m 板厚/mm 焊条 焊接电流/A 位置 1 8 TS202 120 平焊

表 1 焊接工艺参数 Tab.1 Welding parameters

在本次焊接作业过程中，焊机运行正常，未发生热保护。磁力接地装置能够与被焊母材紧密连接，导电效果好，无接地处打火现象。焊接过程顺畅平稳，焊缝成型较为饱满，飞溅等缺陷较少，基本满足水下湿法焊接应急修补作业需求。

基于锂电池供电的焊接电源可以在无供电电缆的条件下进行焊接修补作业，焊接效果较好。所设计的焊机防水外壳不仅能承受1 MPa水压，还能有效得将焊机产生的热量散发到水环境中，有效提升焊接电源的防护等级。焊接自带的磁力接地装置能为潜水员提供着力点，便于水下应急修复焊接作业的开展。