水下環境中的攪拌摩擦焊接方法技術

水下環境中的攪拌摩擦焊接方法，它涉及一種水下焊接方法。本發明專利技術的目的是為解決現有水下焊接要在水下造成無水焊接區實現難度較大；采用未將水從焊接區排除出，但由于水存在于焊接區，不但影響電弧及熔滴過渡的穩定性，而且水在電弧高溫下的分解將導致焊縫增氫，造成接頭性能惡化的問題。本發明專利技術將第一被焊工件和第二被焊工件組對放于不銹鋼墊板的上面，控制水槽內所注入的流動水環境的水位和流速；對第一被焊工件和第二被焊工件進行攪拌摩擦焊接。本發明專利技術不需要將水從焊接區排除出去，是真正意義上的“濕法焊接”，具有簡便易行的特點，盡管此時水存在于焊接區，但由于焊接溫度很低，不會發生水的分解而使焊縫增氫，最終可以提高接頭的性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種水下焊接方法。
技術介紹
水下環境中的焊接方法(以下簡稱水下焊接)是指被焊工件處于水下環 境中，整個焊接過程在水下完成，主要用于必須在水下進行施焊的場合，如 海洋平臺水下構件及海底管道等。目前，水下焊接主要包括焊條電弧焊、熔 化極氬弧焊、鎢極氬弧焊等水下弧焊方法和水下激光焊方法，但還未涉及到 水下攪拌摩擦焊。在進行水下焊接時，無論是弧焊方法還是激光焊方法，大 多數情況下都是采用了將水從焊接區排除出去的所謂"干法焊接"，由于此時 焊接區沒有水，因而這種"干法焊接"與大氣環境下的焊接沒有什么本質差別， 但要在水下造成這無水焊接區，需要復雜的配套設備和技術條件，因而實現難度較大；在少數情況下，也有采用未將水從焊接區排除出去的所謂"濕法焊 接"，如特制厚皮焊條的水下電弧焊，但由于水存在于焊接區，不但影響電弧 及熔滴過渡的穩定性，而且水在電弧高溫下的分解將導致焊縫增氫，造成接 頭性能的惡化。攪拌摩擦焊是一種新型的固相焊接技術，克服了熔焊方法容易產生裂紋 和氣孔等焊接缺陷的問題，使得以往難于熔焊的某些材料實現了優質的焊接， 并一舉成為鋁、鎂及其合金的首選焊接方法。然而，以往的攪拌摩擦焊過程 都是在空氣或氬氣等氣體環境下進行的(以下簡稱常規攪拌摩擦焊)，盡管 此時可以獲得比熔焊方法高得多的接頭性能，但這種氣氛的熱物理性質決定 了它不利于獲得急冷的淬火效果和較窄的焊接溫度場，因而接頭的性能仍然 低于母材，特別是高強鋁合金和鎂合金的接頭，其強度系數最高只能達到80% 左右。顯然，這種常規攪拌摩擦焊所形成的接頭，其性能還有進一步提高的 空間。
技術實現思路
本專利技術的目的是為解決現有水下焊接要在水下造成無水焊接區，需要復雜的配套設備和技術條件，因而實現難度較大；在少數情況下，也有采用未將 水從焊接區排除出去的所謂"濕法焊接"，如特制厚皮焊條的水下電弧焊，但 由于水存在于焊接區，不但影響電弧及熔滴過渡的穩定性，而且水在電弧高 溫下的分解將導致焊縫增氫，造成接頭性能惡化的問題，提供一種水下環境中的攪拌摩擦焊接方法。本專利技術的方法按以下步驟實現步驟一，將水槽固定在攪拌摩擦焊接工作臺上，并在水槽內的中部放置一塊不銹鋼墊板，再將 第一被焊工件和第二被焊工件組對放于不銹鋼墊板的上面，采用卡具對第一被焊工件、第二被焊工件和不銹鋼墊板牢固定位；步驟二，開啟外設制冷系 統，控制其出水溫度，通過調節進水閥控制進水管的進水流量，同時調節出 水閥控制出水管的出水流量，從而控制水槽內所注入的流動水環境的水位和 流速，保證待焊工件置于水下所需的深度；步驟三，采用攪拌摩擦焊具對第 一被焊工件和第二被焊工件進行攪拌摩擦焊接，得到第一被焊工件和第二被 焊工件之間的水下攪拌摩擦焊縫，從而完成焊接過程。本專利技術與其它水下焊接方法相比，本專利技術不需要將水從焊接區排除出去， 是真正意義上的"濕法焊接"，具有簡便易行的特點，盡管此時水存在于焊接 區，但由于焊接溫度很低，不會發生水的分解而使焊縫增氫。與常規攪拌摩 擦焊方法不同的是，本專利技術充分利用水具有很大的比熱容和較強的導熱能力 等熱物理性質，降低焊接熱循環的峰值溫度，加快焊接過程的冷卻速度，縮 小焊接溫度場的分布范圍，因而降低了焊接熱影響區的寬度和軟化程度，細 化了焊縫區的晶粒，最終可以提高接頭的性能。因此，本專利技術克服了現有水 下焊接方法和常規攪拌摩擦焊方法存在的不足之處，不但容易滿足水下焊接 的需求，而且能夠提高接頭的性能。附圖說明圖1是本專利技術的原理圖。圖中的附圖標 記1為水槽，2為攪拌摩擦焊具(包括攪拌頭的攪拌針6、軸肩7和夾持部8)， 3為第一被焊工件，4為第二被焊工件，5為不銹鋼墊板，9為焊縫，10為流 動水環境，ll為進水管，12為出水管，13為進水閥，14為出水閥，15為出 水口的測溫位置，16為卡具，17為溫度計。具體實施方式具體實施方式一(參見圖1)本實施方式的方法按以下步驟實現步驟 一，將水槽1固定在攪拌摩擦焊接工作臺上，并在水槽l內的中部放置一塊 不銹鋼墊板5，再將第一被焊工件3和第二被焊工件4組對放于不銹鋼墊板5的上面，采用卡具16對第一被焊工件3、第二被焊工件4和不銹鋼墊板5牢 固定位；步驟二，開啟外設制冷系統，控制其出水溫度，通過調節進水閥13 控制進水管11的進水流量，同時調節出水閥14控制出水管12的出水流量， 從而控制水槽1內所注入的流動水環境10的水位和流速，保證待焊工件置于 水下所需的深度；步驟三，采用攪拌摩擦焊具2對第一被焊工件3和第二被 焊工件4進行攪拌摩擦焊接，得到第一被焊工件3和第二被焊工件4之間的 水下攪拌摩擦焊縫9，從而完成焊接過程，同時，用溫度計17觀測水槽1出 水口 15的水溫，以判斷焊接過程中水溫的變化。水下環境是人造水下環境或 者是天然水下環境。具體實施方式二(參見圖1)本實施方式第一被焊工件3和第二被焊工 件4的材質是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅或銅合金。具體實施方式三(參見圖1)本實施方式步驟一中的第一被焊工件3和 第二被焊工件4均為2219鋁合金，第一被焊工件3和第二被焊工件4的幾何 尺寸(長x寬x高)均為300xl00x7.5mm，接頭形式為對接。具體實施方式四(參見圖1)本實施方式步驟二中的第一被焊工件3和 第二被焊工件4均置于流動水環境下的深度為20 30mm，水槽1進出水的流 量為4 8L/min (升/分鐘)。具體實施方式五(參見圖1)本實施方式步驟三中的攪拌頭軸肩7的直 徑為21~24mm，攪拌針6的直徑為9~llmm，攪拌針6的長度為7.3~7.4mm; 攪拌頭的轉速為750 850rpm(轉/分鐘)，焊速為80 120mm/min(毫米/分鐘)； 焊接過程中出水口處的最高溫度為35°C。上述在具體實施方式三至具體實施方式五的焊接工藝條件下，焊縫成形 良好，沒有產生焊接缺陷，熱影響區寬度明顯減小，焊縫區晶粒明顯細化， 焊接接頭性能從常規攪拌摩擦焊的320MPa提高到水下攪拌摩擦焊的 343MPa。具體實施方式六(參見圖1)本實施方式步驟一中的第一被焊工件3和第二被焊工件4的材料均為T2銅合金，第一被焊工件3和第二被焊工件4 的幾何尺寸(長x寬x高)均為200x75x3mm，接頭形式為對接。具體實施方式七(參見圖1)本實施方式步驟二中待焊的第一被焊工件 3和第一被焊工件4置于流動水環境下的深度為25~35mm，水槽1進出水的 流量為6~10L/min (升/分鐘)。具體實施方式八(參見圖1)本實施方式步驟三中的攪拌頭軸肩7的直 徑為ll~14mm，攪拌針6的直徑為4~5mm，攪拌針6的長度為2.8 2.9mm; 采用的攪拌頭轉速為550~650rpm (轉/分鐘)，焊速為80~120mm/min (毫米/ 分鐘)；焊接過程中出水口處的最高溫度為4(TC。上述在具體實施方式六至具體實施方式八的焊接工藝條件下，焊縫成形 良好，沒有產生焊接缺陷，焊縫區晶粒細化，焊接接頭的性能達到了被焊母 材的水平。權利要求1、一種，其特征在于所述方法按以下步驟實現步驟一，將水槽固定在攪拌摩擦焊接工作臺上，并在水槽內的中部放置一塊不銹鋼墊板，再將第一被焊工件和第二被焊工件組對放于不銹鋼墊板的上面，采用卡具對第一被焊工件、第二被焊工件和不銹鋼墊板牢本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水下環境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述方法按以下步驟實現：步驟一，將水槽固定在攪拌摩擦焊接工作臺上，并在水槽內的中部放置一塊不銹鋼墊板，再將第一被焊工件和第二被焊工件組對放于不銹鋼墊板的上面，采用卡具對第一被焊工件、第二被焊工件和不銹鋼墊板牢固定位；步驟二，開啟外設制冷系統，控制其出水溫度，通過調節進水閥控制進水管的進水流量，同時調節出水閥控制出水管的出水流量，控制水槽內所注入的流動水環境的水位和流速；步驟三，采用攪拌摩擦焊具對第一被焊工件和第二被焊工件進行攪拌摩擦焊接，得到第一被焊工件和第二被焊工件之間的水下攪拌摩擦焊縫，從而完成焊接過程。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉會杰，黃永憲，張會杰，于雷，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]