專(zhuān)利名稱(chēng)：水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下焊接方法。
背景技術(shù)：
水下環(huán)境中的焊接方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)水下焊接)是指被焊工件處于水下環(huán) 境中，整個(gè)焊接過(guò)程在水下完成，主要用于必須在水下進(jìn)行施焊的場(chǎng)合，如 海洋平臺(tái)水下構(gòu)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(jìn)行水下焊接時(shí)，無(wú)論是弧焊方法還是激光焊方法，大 多數(shù)情況下都是采用了將水從焊接區(qū)排除出去的所謂"干法焊接"，由于此時(shí) 焊接區(qū)沒(méi)有水，因而這種"干法焊接"與大氣環(huán)境下的焊接沒(méi)有什么本質(zhì)差別， 但要在水下造成這無(wú)水焊接區(qū)，需要復(fù)雜的配套設(shè)備和技術(shù)條件，因而實(shí)現(xiàn)難
度較大；在少數(shù)情況下，也有采用未將水從焊接區(qū)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(qū)，不但影響電弧 及熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性，而且水在電弧高溫下的分解將導(dǎo)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(shù)，克服了熔焊方法容易產(chǎn)生裂紋 和氣孔等焊接缺陷的問(wèn)題，使得以往難于熔焊的某些材料實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)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(guò)程 都是在空氣或氬氣等氣體環(huán)境下進(jìn)行的(以下簡(jiǎn)稱(chēng)常規(guī)攪拌摩擦焊)，盡管 此時(shí)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(zhì)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(chǎng)，因而接頭的性能仍然 低于母材，特別是高強(qiáng)鋁合金和鎂合金的接頭，其強(qiáng)度系數(shù)最高只能達(dá)到80% 左右。顯然，這種常規(guī)攪拌摩擦焊所形成的接頭，其性能還有進(jìn)一步提高的 空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有水下焊接要在水下造成無(wú)水焊接區(qū)，需要復(fù)雜的配套設(shè)備和技術(shù)條件，因而實(shí)現(xiàn)難度較大；在少數(shù)情況下，也有采用未將 水從焊接區(qū)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(qū)，不但影響電弧及熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性，而且水在電弧高 溫下的分解將導(dǎo)致焊縫增氫，造成接頭性能惡化的問(wèn)題，提供一種水下環(huán)境
中的攪拌摩擦焊接方法。本發(fā)明的方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一，將水槽固
定在攪拌摩擦焊接工作臺(tái)上，并在水槽內(nèi)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(duì)放于不銹鋼墊板的上面，采用卡具對(duì)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(kāi)啟外設(shè)制冷系 統(tǒng)，控制其出水溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥控制進(jìn)水管的進(jìn)水流量，同時(shí)調(diào)節(jié)出 水閥控制出水管的出水流量，從而控制水槽內(nèi)所注入的流動(dòng)水環(huán)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(duì)第 一被焊工件和第二被焊工件進(jìn)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(guò)程。
本發(fā)明與其它水下焊接方法相比，本發(fā)明不需要將水從焊接區(qū)排除出去， 是真正意義上的"濕法焊接"，具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，盡管此時(shí)水存在于焊接 區(qū)，但由于焊接溫度很低，不會(huì)發(fā)生水的分解而使焊縫增氫。與常規(guī)攪拌摩 擦焊方法不同的是，本發(fā)明充分利用水具有很大的比熱容和較強(qiáng)的導(dǎo)熱能力 等熱物理性質(zhì)，降低焊接熱循環(huán)的峰值溫度，加快焊接過(guò)程的冷卻速度，縮 小焊接溫度場(chǎng)的分布范圍，因而降低了焊接熱影響區(qū)的寬度和軟化程度，細(xì) 化了焊縫區(qū)的晶粒，最終可以提高接頭的性能。因此，本發(fā)明克服了現(xiàn)有水 下焊接方法和常規(guī)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。


圖1是本發(fā)明水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法的原理圖。圖中的附圖標(biāo) 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(dòng)水環(huán)境，ll為進(jìn)水管，12為出水管，13為進(jìn)水閥，14為出水閥，15為出 水口的測(cè)溫位置，16為卡具，17為溫度計(jì)。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一(參見(jiàn)圖1)本實(shí)施方式的方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟 一，將水槽1固定在攪拌摩擦焊接工作臺(tái)上，并在水槽l內(nèi)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(duì)放于不銹鋼墊板5
的上面，采用卡具16對(duì)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(kāi)啟外設(shè)制冷系統(tǒng)，控制其出水溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥13 控制進(jìn)水管11的進(jìn)水流量，同時(shí)調(diào)節(jié)出水閥14控制出水管12的出水流量， 從而控制水槽1內(nèi)所注入的流動(dòng)水環(huán)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(duì)第一被焊工件3和第二被 焊工件4進(jìn)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(guò)程，同時(shí)，用溫度計(jì)17觀測(cè)水槽1出 水口 15的水溫，以判斷焊接過(guò)程中水溫的變化。水下環(huán)境是人造水下環(huán)境或 者是天然水下環(huán)境。
具體實(shí)施方式
二(參見(jiàn)圖1)本實(shí)施方式第一被焊工件3和第二被焊工 件4的材質(zhì)是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅或銅合金。
具體實(shí)施方式
三(參見(jiàn)圖1)本實(shí)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(zhǎng)x寬x高)均為300xl00x7.5mm，接頭形式為對(duì)接。
具體實(shí)施方式
四(參見(jiàn)圖1)本實(shí)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(dòng)水環(huán)境下的深度為20 30mm，水槽1進(jìn)出水的流 量為4 8L/min (升/分鐘)。
具體實(shí)施方式
五(參見(jiàn)圖1)本實(shí)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(zhǎng)度為7.3~7.4mm; 攪拌頭的轉(zhuǎn)速為750 850rpm(轉(zhuǎn)/分鐘)，焊速為80 120mm/min(毫米/分鐘)； 焊接過(guò)程中出水口處的最高溫度為35°C。
上述在具體實(shí)施方式
三至具體實(shí)施方式
五的焊接工藝條件下，焊縫成形 良好，沒(méi)有產(chǎn)生焊接缺陷，熱影響區(qū)寬度明顯減小，焊縫區(qū)晶粒明顯細(xì)化， 焊接接頭性能從常規(guī)攪拌摩擦焊的320MPa提高到水下攪拌摩擦焊的 343MPa。
具體實(shí)施方式
六(參見(jiàn)圖1)本實(shí)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T(mén)2銅合金，第一被焊工件3和第二被焊工件4 的幾何尺寸(長(zhǎng)x寬x高)均為200x75x3mm，接頭形式為對(duì)接。
具體實(shí)施方式
七(參見(jiàn)圖1)本實(shí)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(dòng)水環(huán)境下的深度為25~35mm，水槽1進(jìn)出水的 流量為6~10L/min (升/分鐘)。
具體實(shí)施方式
八(參見(jiàn)圖1)本實(shí)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(zhǎng)度為2.8 2.9mm; 采用的攪拌頭轉(zhuǎn)速為550~650rpm (轉(zhuǎn)/分鐘)，焊速為80~120mm/min (毫米/ 分鐘)；焊接過(guò)程中出水口處的最高溫度為4(TC。
上述在具體實(shí)施方式
六至具體實(shí)施方式
八的焊接工藝條件下，焊縫成形 良好，沒(méi)有產(chǎn)生焊接缺陷，焊縫區(qū)晶粒細(xì)化，焊接接頭的性能達(dá)到了被焊母 材的水平。
權(quán)利要求
1、一種水下環(huán)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(shí)現(xiàn)步驟一，將水槽固定在攪拌摩擦焊接工作臺(tái)上，并在水槽內(nèi)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(duì)放于不銹鋼墊板的上面，采用卡具對(duì)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(kāi)啟外設(shè)制冷系統(tǒng)，控制其出水溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥控制進(jìn)水管的進(jìn)水流量，同時(shí)調(diào)節(jié)出水閥控制出水管的出水流量，控制水槽內(nèi)所注入的流動(dòng)水環(huán)境的水位和流速；步驟三，采用攪拌摩擦焊具對(duì)第一被焊工件和第二被焊工件進(jìn)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(guò)程。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征在 于第一被焊工件和第二被焊工件的材質(zhì)是鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅或 銅合金。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征在 于水下環(huán)境是人造水下環(huán)境或者是天然水下環(huán)境。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其 特征在于用溫度計(jì)觀測(cè)水槽出水口的水溫。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于 步驟一中的第一被焊工件和第二被焊工件均為2219鋁合金，第一被焊工件和 第二被焊工件的幾何尺寸均為300xl00x7.5mm，接頭形式為對(duì)接。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于: 步驟二中的第一被焊工件和第二被焊工件均置于流動(dòng)水環(huán)境下的深度為 20~30mm，水槽進(jìn)出水的流量為4 8L/min。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征 在于步驟三中的攪拌頭軸肩的直徑為21~24mm，攪拌針的直徑為9~llmm， 攪拌針的長(zhǎng)度為7.3 7.4mm ;攪拌頭的轉(zhuǎn)速為750 850rpm，焊速為 80~120mm/min;焊接過(guò)程中出水口處的最高溫度為35°C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于: 步驟一中的第一被焊工件和第二被焊工件的材料均為T(mén)2銅合金，第一被焊工件和第二被焊工件的幾何尺寸均為200x75x3mm，接頭形式為對(duì)接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特征在于: 步驟二中待焊的第一被焊工件和第二被焊工件置于流動(dòng)水環(huán)境下的深度為 25 35mm，水槽進(jìn)出水的流量為6 10L/min。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，其特 征在于步驟三中的攪拌頭軸肩的直徑為11 14mm，撹拌針的直徑為4 5mni， 攪拌針的長(zhǎng)度為2.8~2.9mm ;采用的攪拌頭轉(zhuǎn)速為550 650rpm，焊速為 80 120mm/min;焊接過(guò)程中出水口處的最高溫度為40°C。
全文摘要
水下環(huán)境中的攪拌摩擦焊接方法，它涉及一種水下焊接方法。本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有水下焊接要在水下造成無(wú)水焊接區(qū)實(shí)現(xiàn)難度較大；采用未將水從焊接區(qū)排除出，但由于水存在于焊接區(qū)，不但影響電弧及熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性，而且水在電弧高溫下的分解將導(dǎo)致焊縫增氫，造成接頭性能惡化的問(wèn)題。本發(fā)明將第一被焊工件和第二被焊工件組對(duì)放于不銹鋼墊板的上面，控制水槽內(nèi)所注入的流動(dòng)水環(huán)境的水位和流速；對(duì)第一被焊工件和第二被焊工件進(jìn)行攪拌摩擦焊接。本發(fā)明不需要將水從焊接區(qū)排除出去，是真正意義上的“濕法焊接”，具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)，盡管此時(shí)水存在于焊接區(qū)，但由于焊接溫度很低，不會(huì)發(fā)生水的分解而使焊縫增氫，最終可以提高接頭的性能。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101439439SQ20081020984
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者雷 于, 劉會(huì)杰, 張會(huì)杰, 黃永憲 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)