CN101439439A - 水下环境中的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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黄永宪
张会杰
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水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，它涉及一种水下焊接方法。本发明的目的是为解决现有水下焊接要在水下造成无水焊接区实现难度较大；采用未将水从焊接区排除出，但由于水存在于焊接区，不但影响电弧及熔滴过渡的稳定性，而且水在电弧高温下的分解将导致焊缝增氢，造成接头性能恶化的问题。本发明将第一被焊工件和第二被焊工件组对放于不锈钢垫板的上面，控制水槽内所注入的流动水环境的水位和流速；对第一被焊工件和第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接。本发明不需要将水从焊接区排除出去，是真正意义上的“湿法焊接”，具有简便易行的特点，尽管此时水存在于焊接区，但由于焊接温度很低，不会发生水的分解而使焊缝增氢，最终可以提高接头的性能。

Description

水下环境中的搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明涉及一种水下焊接方法。
背景技术
水下环境中的焊接方法(以下简称水下焊接)是指被焊工件处于水下环境中，整个焊接过程在水下完成，主要用于必须在水下进行施焊的场合，如海洋平台水下构件及海底管道等。目前，水下焊接主要包括焊条电弧焊、熔化极氩弧焊、钨极氩弧焊等水下弧焊方法和水下激光焊方法，但还未涉及到水下搅拌摩擦焊。在进行水下焊接时，无论是弧焊方法还是激光焊方法，大多数情况下都是采用了将水从焊接区排除出去的所谓“干法焊接”，由于此时焊接区没有水，因而这种“干法焊接”与大气环境下的焊接没有什么本质差别，但要在水下造成这无水焊接区，需要复杂的配套设备和技术条件，因而实现难度较大；在少数情况下，也有采用未将水从焊接区排除出去的所谓“湿法焊接”，如特制厚皮焊条的水下电弧焊，但由于水存在于焊接区，不但影响电弧及熔滴过渡的稳定性，而且水在电弧高温下的分解将导致焊缝增氢，造成接头性能的恶化。
搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，克服了熔焊方法容易产生裂纹和气孔等焊接缺陷的问题，使得以往难于熔焊的某些材料实现了优质的焊接，并一举成为铝、镁及其合金的首选焊接方法。然而，以往的搅拌摩擦焊过程都是在空气或氩气等气体环境下进行的(以下简称常规搅拌摩擦焊)，尽管此时可以获得比熔焊方法高得多的接头性能，但这种气氛的热物理性质决定了它不利于获得急冷的淬火效果和较窄的焊接温度场，因而接头的性能仍然低于母材，特别是高强铝合金和镁合金的接头，其强度系数最高只能达到80％左右。显然，这种常规搅拌摩擦焊所形成的接头，其性能还有进一步提高的空间。
发明内容
本发明的目的是为解决现有水下焊接要在水下造成无水焊接区，需要复杂的配套设备和技术条件，因而实现难度较大；在少数情况下，也有采用未将水从焊接区排除出去的所谓“湿法焊接”，如特制厚皮焊条的水下电弧焊，但由于水存在于焊接区，不但影响电弧及熔滴过渡的稳定性，而且水在电弧高温下的分解将导致焊缝增氢，造成接头性能恶化的问题，提供一种水下环境中的搅拌摩擦焊接方法。本发明的方法按以下步骤实现：步骤一，将水槽固定在搅拌摩擦焊接工作台上，并在水槽内的中部放置一块不锈钢垫板，再将第一被焊工件和第二被焊工件组对放于不锈钢垫板的上面，采用卡具对第一被焊工件、第二被焊工件和不锈钢垫板牢固定位；步骤二，开启外设制冷系统，控制其出水温度，通过调节进水阀控制进水管的进水流量，同时调节出水阀控制出水管的出水流量，从而控制水槽内所注入的流动水环境的水位和流速，保证待焊工件置于水下所需的深度；步骤三，采用搅拌摩擦焊具对第一被焊工件和第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接，得到第一被焊工件和第二被焊工件之间的水下搅拌摩擦焊缝，从而完成焊接过程。
本发明与其它水下焊接方法相比，本发明不需要将水从焊接区排除出去，是真正意义上的“湿法焊接”，具有简便易行的特点，尽管此时水存在于焊接区，但由于焊接温度很低，不会发生水的分解而使焊缝增氢。与常规搅拌摩擦焊方法不同的是，本发明充分利用水具有很大的比热容和较强的导热能力等热物理性质，降低焊接热循环的峰值温度，加快焊接过程的冷却速度，缩小焊接温度场的分布范围，因而降低了焊接热影响区的宽度和软化程度，细化了焊缝区的晶粒，最终可以提高接头的性能。因此，本发明克服了现有水下焊接方法和常规搅拌摩擦焊方法存在的不足之处，不但容易满足水下焊接的需求，而且能够提高接头的性能。
附图说明
图1是本发明水下环境中的搅拌摩擦焊接方法的原理图。图中的附图标记1为水槽，2为搅拌摩擦焊具(包括搅拌头的搅拌针6、轴肩7和夹持部8)，3为第一被焊工件，4为第二被焊工件，5为不锈钢垫板，9为焊缝，10为流动水环境，11为进水管，12为出水管，13为进水阀，14为出水阀，15为出水口的测温位置，16为卡具，17为温度计。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1)本实施方式的方法按以下步骤实现：步骤一，将水槽1固定在搅拌摩擦焊接工作台上，并在水槽1内的中部放置一块不锈钢垫板5，再将第一被焊工件3和第二被焊工件4组对放于不锈钢垫板5的上面，采用卡具16对第一被焊工件3、第二被焊工件4和不锈钢垫板5牢固定位；步骤二，开启外设制冷系统，控制其出水温度，通过调节进水阀13控制进水管11的进水流量，同时调节出水阀14控制出水管12的出水流量，从而控制水槽1内所注入的流动水环境10的水位和流速，保证待焊工件置于水下所需的深度；步骤三，采用搅拌摩擦焊具2对第一被焊工件3和第二被焊工件4进行搅拌摩擦焊接，得到第一被焊工件3和第二被焊工件4之间的水下搅拌摩擦焊缝9，从而完成焊接过程，同时，用温度计17观测水槽1出水口15的水温，以判断焊接过程中水温的变化。水下环境是人造水下环境或者是天然水下环境。
具体实施方式二：(参见图1)本实施方式第一被焊工件3和第二被焊工件4的材质是铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。
具体实施方式三：(参见图1)本实施方式步骤一中的第一被焊工件3和第二被焊工件4均为2219铝合金，第一被焊工件3和第二被焊工件4的几何尺寸(长×宽×高)均为300×100×7.5mm，接头形式为对接。
具体实施方式四：(参见图1)本实施方式步骤二中的第一被焊工件3和第二被焊工件4均置于流动水环境下的深度为20～30mm，水槽1进出水的流量为4～8L/min(升/分钟)。
具体实施方式五：(参见图1)本实施方式步骤三中的搅拌头轴肩7的直径为21～24mm，搅拌针6的直径为9～11mm，搅拌针6的长度为7.3～7.4mm；搅拌头的转速为750～850rpm(转/分钟)，焊速为80～120mm/min(毫米/分钟)；焊接过程中出水口处的最高温度为35℃。
上述在具体实施方式三至具体实施方式五的焊接工艺条件下，焊缝成形良好，没有产生焊接缺陷，热影响区宽度明显减小，焊缝区晶粒明显细化，焊接接头性能从常规搅拌摩擦焊的320MPa提高到水下搅拌摩擦焊的343MPa。
具体实施方式六：(参见图1)本实施方式步骤一中的第一被焊工件3和第二被焊工件4的材料均为T2铜合金，第一被焊工件3和第二被焊工件4的几何尺寸(长×宽×高)均为200×75×3mm，接头形式为对接。
具体实施方式七：(参见图1)本实施方式步骤二中待焊的第一被焊工件3和第二???被焊工件4置于流动水环境下的深度为25～35mm，水槽1进出水的流量为6～10L/min(升/分钟)。
具体实施方式八：(参见图1)本实施方式步骤三中的搅拌头轴肩7的直径为11～14mm，搅拌针6的直径为4～5mm，搅拌针6的长度为2.8～2.9mm；采用的搅拌头转速为550～650rpm(转/分钟)，焊速为80～120mm/min(毫米/分钟)；焊接过程中出水口处的最高温度为40℃。
上述在具体实施方式六至具体实施方式八的焊接工艺条件下，焊缝成形良好，没有产生焊接缺陷，焊缝区晶粒细化，焊接接头的性能达到了被焊母材的水平。

Claims (10)

1、一种水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述方法按以下步骤实现：步骤一，将水槽固定在搅拌摩擦焊接工作台上，并在水槽内的中部放置一块不锈钢垫板，再将第一被焊工件和第二被焊工件组对放于不锈钢垫板的上面，采用卡具对第一被焊工件、第二被焊工件和不锈钢垫板牢固定位；步骤二，开启外设制冷系统，控制其出水温度，通过调节进水阀控制进水管的进水流量，同时调节出水阀控制出水管的出水流量，控制水槽内所注入的流动水环境的水位和流速；步骤三，采用搅拌摩擦焊具对第一被焊工件和第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接，得到第一被焊工件和第二被焊工件之间的水下搅拌摩擦焊缝，从而完成焊接过程。
2、根据权利要求1所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：第一被焊工件和第二被焊工件的材质是铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。
3、根据权利要求1所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：水下环境是人造水下环境或者是天然水下环境。
4、根据权利要求1、2或3所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：用温度计观测水槽出水口的水温。
5、根据权利要求1所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤一中的第一被焊工件和第二被焊工件均为2219铝合金，第一被焊工件和第二被焊工件的几何尺寸均为300×100×7.5mm，接头形式为对接。
6、根据权利要求5所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤二中的第一被焊工件和第二被焊工件均置于流动水环境下的深度为20～30mm，水槽进出水的流量为4～8L/min。
7、根据权利要求5或6所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤三中的搅拌头轴肩的直径为21～24mm，搅拌针的直径为9～11mm，搅拌针的长度为7.3～7.4mm；搅拌头的转速为750～850rpm，焊速为80～120mm/min；焊接过程中出水口处的最高温度为35℃。
8、根据权利要求1所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤一中的第一被焊工件和第二被焊工件的材料均为T2铜合金，第一被焊工件和第二被焊工件的几何尺寸均为200×75×3mm，接头形式为对接。
9、根据权利要求8所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤二中待焊的第一被焊工件和第二被焊工件置于流动水环境下的深度为25～35mm，水槽进出水的流量为6～10L/min。
10、根据权利要求8或9所述的水下环境中的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤三中的搅拌头轴肩的直径为11～14mm，搅拌针的直径为4～5mm，搅拌针的长度为2.8～2.9mm；采用的搅拌头转速为550～650rpm，焊速为80～120mm/min；焊接过程中出水口处的最高温度为40℃。
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