CN111020120B - 一种在水下实施热处理的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在水下实施热处理的装置及方法，包括下端敞口的热处理腔、第一气体通路、第二气体通路、高温密封环、环状金属板、液压模块、加热模块、柱塞、压力传感模块、温度测量反馈模块、氧气监测模块，所述加热模块设置于热处理腔内表面。在热处理腔到达水下热处理工件表面后，液压模块通过柱塞推动环状金属板挤压高温密封环，实现水下热处理工件处的密封。本发明能够按照设定的热处理工序对水下焊接修复处的金属进行热处理，降低焊接修复位置的淬硬性，延长修复工件的使用寿命，缩短作业时间和降低作业成本，全过程自动化，具有操作简便性。

Description

一种在水下实施热处理的装置及方法

技术领域

本发明涉及热处理设备领域，具体涉及一种在水下实施热处理的方法及装置。

背景技术

热处理是金属工件生产过程中的重要一环，通过热处理，能够改变金属材料的组织类型与形貌，调控工件内部的残余应力，改善材料的机加工性能，提高金属工件所需的力学性能。准确把握工件的热处理流程，最大程度地发挥金属工件的性能，能够最大限度地提高工件及装备的使用寿命和创造巨大的社会经济价值。热处理工艺主要包括四把火，即正火、退火、回火、淬火，四把火的温度与时间根据不同的材料特性和相图来确定。钢铁是生产中最常用的工程材料，对于钢铁的热处理研究最为广泛，通过四把火的组合，能够赋予钢铁所需要的力学性能、物理性能和化学性能。除了钢以外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变各项性能，以获得不同的使用性能。

海洋经济和海洋资源开发的发展，对海洋工程装备提出了越来越高的要求，海洋工程装备受到损坏损伤后，直接在水下进行焊接修补能够节约修补时间和降低修补成本。但是在水下焊接修复完成后，由于水的淬火作用，修复部位往往具有较强的淬硬性，这极易诱发表面裂纹的产生。此外，焊接后形成的残余应力较大，残余拉应力也容易引起表面破坏，不利于海洋工程装备的继续服役使用，甚至会造成难以挽回的损失，因此有必要开发一套适用于水下热处理的方法和装置。专利201510482693 .7公开了海洋平台桩腿半圆管热处理方法，该方法用于在陆上对海洋平台桩腿进行热处理，在陆上热处理的过程中，不仅浪费了大量的水资源，而且热处理方式具有单一性，只能进行喷水降温的热处理，灵活性也较差。此外，该专利公示的方法需将桩腿置于冷却槽中，不能在水下对设备进行原位热处理，因此难以满足海洋工程设备焊接修复后立即进行热处理的需求。

发明内容

发明目的：针对当前海洋工程装备焊接修复后亟需进行热处理的需求，本发明提出在水下实施热处理的装置及方法，在水下原位对焊接修复部位进行热处理，改善修复区域的淬硬性，提高修复工件的使用寿命。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在水下实施热处理的装置，包括下端敞口的热处理腔、第一气体通路、第二气体通路、高温密封环、环状金属板、液压模块、加热模块、柱塞，所述热处理腔的顶部开设有两个通孔，分别为第一通孔、第二通孔，所述第一气体通路通过第一连接器安装在第一通孔上，所述第二气体通路通过第二连接器安装在第二通孔上，所述液压模块固定安装在热处理腔上，所述环状金属板安装在热处理腔的外表面上，且所述环状金属板沿热处理腔滑动连接；所述柱塞一端与液压模块驱动端连接，另一端与环状金属板连接，所述高温密封环安装在环状金属板的下表面上；当液压模块处于第一极限位置时，所述高温密封环位于热处理腔的敞口上方；当液压模块处于第二极限位置时，所述高温密封环的下端伸出到热处理腔的敞口下方，此时高温密封环内表面与热处理腔外表面紧贴在一起；所述热处理腔内部设置有压力传感模块、温度测量反馈模块、氧气监测模块，所述加热模块设置于热处理腔内表面。

优选的：所述热处理腔包括高温合金外罩、耐热保温内胆层，所述耐热保温内胆层设置于高温合金外罩内表面。

一种在水下实施热处理的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用牵引机构将热处理腔放入水中，在热处理腔下水的过程中，通过第一气体通路、第二气体通路向热处理腔内部一直充空气，通过空气气流将热处理腔内部热处理区域的水排开；

步骤2、牵引机构将热处理腔移动到待热处理件的指定修复位置后，液压模块启动，驱动柱塞将环状金属板向下移动，进而控制高温密封环与待热处理件表面的压紧程度，以及控制高温密封环与热处理腔表面的压紧程度，完成待热处理件表面的密封工作；

步骤3、对于铁基材料的水下热处理，在热处理腔的第一气体通路输入第一保护气氛，利用第一保护气氛将空气和水汽通过第二气体通路排出；读取氧气监测模块的读数，氧气含量低于100~150 ppm时，关闭第二气体通路读取热处理腔的阀门；当压力传感模块监测到压力降低时，打开第一气体通路，继续注入第一保护气氛，直至达到满足要求的压力；第一保护气氛输入完成后，启动加热模块进行加热，根据钢材的热处理要求，加热到指定温度，并保温，然后根据要求进行冷却；进行缓冷时，利用加热模块进行冷却过程中的控温；进行炉冷时，关闭加热模块，让热处理腔内部自然冷却；进行空冷时，关闭加热模块，打开第一气体通路和第二气体通路，在第一气体通路内通入空气，空气由第二气体通路排出；进行淬火时，液压模块往回运动，柱塞收回，将高温密封环抬起，使得高温密封环分别与待热处理件表面、热处理腔表面分离，然后将热处理腔抬起，不再进行密封防护，让水淹没待热处理件表面，进行淬火；

对于有色金属进行水下热处理时，关闭第一气体通路，打开第二气体通路，开启真空系统进行抽真空，将热处理腔内真空度抽至低于1×10^-3Pa，然后关闭第二气体通路，打开第一气体通路输入第二保护气氛；利用压力传感模块读取热处理腔内的数据，压力达到0.1~0.15 MPa时，停止输入第二保护气氛，关闭第一气体通路的阀门；打开加热模块进行加热，根据有色金属的热处理要求，加热到指定温度，并保温，然后根据要求进行冷却；

步骤4、水下热处理完成后，利用空压机通过第一气体通路和第二气体通路将空气输入到热处理腔中，液压模块通过柱塞实现环状金属板的向上移动，然后利用牵引机构将热处理腔牵引出水面。

优选的：所述第一保护气氛为氮气、氩气或氦气。

优选的：所述第二保护气氛为氩气或氦气。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

（1）本发明提出的一种在水下实施热处理的方法及装置，能够在水下原位对修复后的工件进行热处理，能够降低焊接修复位置的淬硬性，恢复其使用性能，达到在陆上进行热处理之后的性能。

（2）本发明提出的一种在水下实施热处理的方法及装置，能够对铁基金属和有色金属进行热处理，能够调控其至适合的力学性能、物理性能及化学性能。

（3）本发明能够方便地集成在水下自动焊接装置上，能够满足焊后立即进行热处理的需求，因此能够缩短作业时间和降低作业成本，提高作业效率和作业稳定性。

（4）本发明提出的一种在水下实施热处理的方法及装置，如果需要淬火时，将热处理腔抬起即可实现淬火，全过程自动化，具有操作简便性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

其中，1、热处理工件表面；2、工件修复处；3、高温密封环；4、环状金属板；5、液压模块；6、温度测量反馈模块；7、耐热保温内胆；8、高温合金外罩；9、加热模块；10、第一连接器；11、第一气体通路；12、第二连接器；13、第二气体通路；14、热处理腔；15、压力传感模块；16、柱塞；17、氧气监测模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种在水下实施热处理的装置，如图1所示，包括下端敞口的热处理腔14、第一气体通路11、第二气体通路13、高温密封环3、环状金属板4、液压模块5、加热模块9、柱塞16，所述热处理腔14具有双层结构，热处理腔14的外层为高温合金外罩8，高温合金外罩8起到支撑热处理腔14的作用。高温合金外罩8的内部为耐热保温内胆7，用于实现热处理腔14内部空间的保温功能。所述热处理腔14的顶部开设有两个通孔，其贯穿高温合金外罩8和耐热保温内胆7，分别为第一通孔、第二通孔，所述第一气体通路11通过第一连接器10安装在第一通孔上，所述第二气体通路13通过第二连接器12安装在第二通孔上，第一连接器10和第二连接器12均固定在高温合金外罩8上，第一连接器10与第一气体通路11相连，第二连接器12与第二气体通路14相连，气体通过第一气体通路11或第二气体通路13输入或者输出热处理腔14，所述液压模块5固定安装在热处理腔14底部外侧上，液压模块5为环状，在其底部均匀设有八根柱塞16，在液压模块5的下方平行设置有环状金属板4，所述环状金属板4安装在热处理腔14的外表面上，且所述环状金属板4沿热处理腔14滑动连接；所述柱塞16一端与液压模块5驱动端连接，另一端与环状金属板4连接，所述高温密封环3安装在环状金属板4的下表面上，高温密封环3用于贴紧热处理工件表面1形成密封环境；液压模块5通过柱塞16实现环状金属板4的上下移动，控制高温密封环3与热处理工件表面1的压紧程度，当液压模块5处于第一极限位置时，所述高温密封环3位于热处理腔14的敞口上方；当液压模块5处于第二极限位置时，所述高温密封环3的下端伸出到热处理腔14的敞口下方，此时高温密封环3内表面与热处理腔14外表面紧贴在一起；高温密封环3下表面与待处理工件上表面紧贴在一起，所述热处理腔14内部设置有压力传感模块15、温度测量反馈模块6、氧气监测模块17，所述加热模块9设置于热处理腔14内表面，温度测量反馈模块6用于测量并反馈热处理腔14内的温度，以方便进行PID控制。压力传感模块15用于测量热处理腔14内的压力，压力传感模块15能够在水下热处理抽真空、注入保护气氛、排气等过程中监控压力的变化。氧气监测模块17能够监测热处理过程中热处理腔内的氧气含量。

一种在水下实施热处理的方法，包括以下步骤：

步骤1、利用牵引机构将热处理腔14放入水中，在热处理腔14下水的过程中，通过第一气体通路11、第二气体通路13向热处理腔14内部一直充空气，通过空气气流将热处理腔14内部热处理区域的水排开；

步骤2、牵引机构将热处理腔14移动到待热处理件的指定修复位置后，液压模块5启动，驱动柱塞16将环状金属板4向下移动，进而控制高温密封环3与待热处理件表面的压紧程度，以及控制高温密封环3与热处理腔14表面的压紧程度，完成待热处理件表面的密封工作；

步骤3、对于钢铁等铁基材料的水下热处理，在热处理腔14的第一气体通路11输入第一保护气氛，所述第一保护气氛为氮气、氩气或氦气，利用第一保护气氛将空气和水汽通过第二气体通路13排出；读取氧气监测模块17的读数，氧气含量低于100~150 ppm时，关闭第二气体通路13的阀门；利用压力传感模块15读取热处理腔14内的数据，压力达到0.1~0.15 MPa时，停止输入第一保护气氛，关闭第一气体通路11的阀门；当压力传感模块15监测到压力降低时，打开第一气体通路11，继续注入第一保护气氛，直至达到满足要求的压力；第一保护气氛输入完成后，启动加热模块9进行加热，根据钢材的热处理要求，加热到指定温度，并保温，然后根据要求进行冷却；进行缓冷时，利用加热模块9进行冷却过程中的控温；进行炉冷时，关闭加热模块9，让热处理腔14内部自然冷却；进行空冷时，关闭加热模块9，打开第一气体通路11和第二气体通路13，在第一气体通路11内通入空气，空气由第二气体通路13排出；进行淬火时，液压模块5往回运动，柱塞16收回，将高温密封环3抬起，使得高温密封环3分别与待热处理件表面、热处理腔14表面分离，然后将热处理腔14抬起，不再进行密封防护，让水淹没待热处理件表面，进行淬火；

对于有色金属如钛合金进行水下热处理时，关闭第一气体通路11，打开第二气体通路13，开启真空系统进行抽真空，将热处理腔14内真空度抽至低于1×10^-3Pa，然后关闭第二气体通路13，打开第一气体通路11输入第二保护气氛，所述第二保护气氛为氩气或氦气；利用压力传感模块15读取热处理腔14内的数据，压力达到0.1~0.15 MPa时，停止输入第二保护气氛，关闭第一气体通路11的阀门；打开加热模块9进行加热，根据有色金属的热处理要求，加热到指定温度，并保温，然后根据要求进行冷却；

步骤4、水下热处理完成后，利用空压机通过第一气体通路1和第二气体通路13将空气输入到热处理腔14中，液压模块5通过柱塞16实现环状金属板4的向上移动，然后利用牵引机构将热处理腔14牵引出水面。

本发明在热处理腔到达水下热处理工件表面后，液压模块通过柱塞推动环状金属板挤压高温密封环，实现水下热处理工件处的密封。利用本发明，能够按照设定的热处理工序对水下焊接修复处的金属进行热处理。本发明提出在水下实施热处理的方法及装置，能够在水下原位对修复后的工件进行热处理，降低焊接修复位置的淬硬性，延长修复工件的使用寿命，缩短作业时间和降低作业成本，全过程自动化，具有操作简便性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种在水下实施热处理的装置，其特征在于：包括下端敞口的热处理腔（14）、第一气体通路（11）、第二气体通路（13）、高温密封环（3）、环状金属板（4）、液压模块（5）、加热模块（9）、柱塞（16），所述热处理腔（14）的顶部开设有两个通孔，分别为第一通孔、第二通孔，所述第一气体通路（11）通过第一连接器（10）安装在第一通孔上，所述第二气体通路（13）通过第二连接器（12）安装在第二通孔上，所述液压模块（5）固定安装在热处理腔（14）上，所述环状金属板（4）安装在热处理腔（14）的外表面上，且所述环状金属板（4）沿热处理腔（14）滑动连接；所述柱塞（16）一端与液压模块（5）驱动端连接，另一端与环状金属板（4）连接，所述高温密封环（3）安装在环状金属板（4）的下表面上；当液压模块（5）处于第一极限位置时，所述高温密封环（3）位于热处理腔（14）的敞口上方；当液压模块（5）处于第二极限位置时，所述高温密封环（3）的下端伸出到热处理腔（14）的敞口下方，此时高温密封环（3）内表面与热处理腔（14）外表面紧贴在一起；所述热处理腔（14）内部设置有压力传感模块（15）、温度测量反馈模块（6）、氧气监测模块（17），所述加热模块（9）设置于热处理腔（14）内表面。

2.根据权利要求1所述在水下实施热处理的装置，其特征在于：所述热处理腔（14）包括高温合金外罩（8）、耐热保温内胆层（7），所述耐热保温内胆层（7）设置于高温合金外罩（8）内表面。

3.一种采用权利要求1所述在水下实施热处理的装置的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用牵引机构将热处理腔（14）放入水中，在热处理腔（14）下水的过程中，通过第一气体通路（11）、第二气体通路（13）向热处理腔（14）内部一直充空气，通过空气气流将热处理腔（14）内部热处理区域的水排开；

步骤2、牵引机构将热处理腔（14）移动到待热处理件的指定修复位置后，液压模块（5）启动，驱动柱塞（16）将环状金属板（4）向下移动，进而控制高温密封环（3）与待热处理件表面的压紧程度，以及控制高温密封环（3）与热处理腔（14）表面的压紧程度，完成待热处理件表面的密封工作；

步骤3、对于铁基材料的水下热处理，在热处理腔（14）的第一气体通路（11）输入第一保护气氛，利用第一保护气氛将空气和水汽通过第二气体通路（13）排出；读取氧气监测模块（17）的读数，氧气含量低于100~150 ppm时，关闭第二气体通路（13）的阀门；利用压力传感模块（15）读取热处理腔（14）内的数据，压力达到0.1~0.15 MPa时，停止输入第一保护气氛，关闭第一气体通路（11）的阀门；当压力传感模块（15）监测到压力降低时，打开第一气体通路（11），继续注入第一保护气氛，直至达到满足要求的压力；第一保护气氛输入完成后，启动加热模块（9）进行加热，根据钢材的热处理要求，加热到指定温度，并保温，然后根据要求进行冷却；进行缓冷时，利用加热模块（9）进行冷却过程中的控温；进行炉冷时，关闭加热模块（9），让热处理腔（14）内部自然冷却；进行空冷时，关闭加热模块（9），打开第一气体通路（11）和第二气体通路（13），在第一气体通路（11）内通入空气，空气由第二气体通路（13）排出；进行淬火时，液压模块（5）往回运动，柱塞（16）收回，将高温密封环（3）抬起，使得高温密封环（3）分别与待热处理件表面、热处理腔（14）表面分离，然后将热处理腔（14）抬起，不再进行密封防护，让水淹没待热处理件表面，进行淬火；

对于有色金属进行水下热处理时，关闭第一气体通路（11），打开第二气体通路（13），开启真空系统进行抽真空，将热处理腔（14）内真空度抽至低于1×10^-3Pa，然后关闭第二气体通路（13），打开第一气体通路（11）输入第二保护气氛；利用压力传感模块（15）读取热处理腔（14）内的数据，压力达到0.1~0.15 MPa时，停止输入第二保护气氛，关闭第一气体通路（11）的阀门；打开加热模块（9）进行加热，根据有色金属的热处理要求，加热到指定温度，并保温，然后根据要求进行冷却；

步骤4、水下热处理完成后，利用空压机通过第一气体通路（11）和第二气体通路（13）将空气输入到热处理腔（14）中，液压模块（5）通过柱塞（16）实现环状金属板（4）的向上移动，然后利用牵引机构将热处理腔（14）牵引出水面。

4.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于：所述第一保护气氛为氮气、氩气或氦气。

5.根据权利要求3所述的热处理方法，其特征在于：所述第二保护气氛为氩气或氦气。

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