一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接装置及焊接方法与流程

本发明属于水下焊接技术领域，涉及一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接装置及焊接方法。

背景技术：

水下焊接是指被焊工件处于水下环境中，且整个焊接过程在水下完成。水下焊接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和熔化极氩弧焊。

在进行水下焊接时，无论是弧焊方法还是激光焊接方法，大多数情况下都是采用干法焊接，干法焊接是指将包括焊接部位在内的一个较大范围内的水，人为的排开，使潜水焊工能在一个干的气相环境中进行焊接。由于此时焊接区没有水，因此这种干法焊接与大气环境下的焊接没有本质差别。但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，也有采用湿法焊接，湿法焊接是指被焊部件和焊枪直接暴露在水下环境中，电弧的形成、燃烧是在水中完成的。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。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接装置及焊接方法，以解决氢气对焊缝质量的影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接装置，包括水槽，水槽的一端开设有进水口，进水口处设有进水管，另一端开设有出水口，出水口处设有出水管，水槽底部内侧设有焊接垫板和用于固定待焊接工件的夹具，焊接垫板的上方设有氢气收集装置，氢气收集装置用于收集焊接过程产生的氢气，以消除氢气对焊缝的影响。

可选地，所述氢气收集装置包括氢气储存装置和与其连通且随焊具移动的氢气收集罩，氢气收集罩能够将焊具的搅拌头罩在其内。

可选地，所述氢气收集罩呈喇叭型。

可选地，所述氢气储存装置位于氢气收集罩的上方，以使氢气收集罩内的氢气利用其自身密度小的特性自动进入氢气储存装置。

可选地，所述进水管上设有能够调节进水流速度的进水阀，出水管上设有能够调节出水流速度的出水阀，出水口处设有用于检测出水口温度的测温装置。

可选地，沿水槽的高度方向，进水口高于出水口。

可选地，沿水槽的高度方向，进水口高于待焊接工件的装夹位置，出水口低于待焊接工件的装夹位置。

一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接方法，焊接过程在注有流动水的水槽中进行，在水槽中设有氢气收集装置，氢气收集装置用于收集焊接过程产生的氢气，以消除氢气对焊缝的影响。

可选地，氢气收集装置包括氢气储存装置和与其连通且随焊具移动的氢气收集罩，氢气收集罩能够将焊具的搅拌头罩在其内。

可选地，水槽内的水流方向与焊接方向一致。

本发明的有益效果在于：通过在焊接垫板的上方设置氢气收集装置，解决了氢气对焊缝质量的影响；通过氢气收集装置收集焊接过程中产生的氢气废气，以作为清洁能源使用，实现了废气的有益利用；利用焊接环境中的水来降低焊接热循环的峰值温度，加快了焊接过程的冷却速度，缩小了焊接温度场的分布范围，从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，进而提高了接头的性能。另外，本发明的装置结构简单，使用方便。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为焊接装置的结构示意图一；

图2为焊接装置的结构示意图二。

附图标记：水槽1、焊接垫板2、第一被焊工件3、第二被焊工件4、焊具5、夹具6、焊缝7、进水管8、出水管9、进水阀10、出水阀11、氢气储存装置12、氢气收集罩13。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接装置，包括水槽1，水槽1的一端开设有进水口，进水口处设有进水管8，另一端开设有出水口，出水口处设有出水管9，水槽1底部内侧设有焊接垫板2和用于固定待焊接工件的夹具6，焊接垫板2的上方设有氢气收集装置，氢气收集装置用于收集焊接过程产生的氢气，以消除氢气对焊缝7的影响。

本发明通过设置氢气收集装置，不仅解决了氢气对焊缝7质量的影响，而且还能实现将焊接过程产生的废气再次利用。

本发明中的氢气收集装置包括氢气储存装置12和与其连通且随焊具5移动的氢气收集罩13，氢气收集罩13能够将焊具5的搅拌头罩在其内。本发明通过氢气收集罩13跟随焊具5移动，可使氢气收集罩13的结构更简单、体积更小。

优选地，氢气收集罩13呈喇叭型，氢气收集罩13的小端套在焊具5的夹持部上，且与其固定连接。

本发明利用氢气密度小的特点收集氢气，氢气储存装置12位于氢气收集罩13的上方，以使氢气收集罩13内的氢气利用其自身密度小的特性自动进入氢气储存装置。

为了便于调节水槽1内的温度，本发明在进水管8上设有能够调节进水流速度的进水阀10，出水管9上设有能够调节出水流速度的出水阀11，出水口处设有用于检测出水口温度的测温装置。

为了加快焊接处的散热，本发明沿水槽1的高度方向，进水口高于出水口。

优选地，沿水槽1的高度方向，进水口高于待焊接工件的装夹位置，出水口低于待焊接工件的装夹位置。

本发明的焊接垫板2采用耐腐蚀、易导热、不易变形的硬质材料制作，优选不锈钢材质。

一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接方法，焊接过程在注有流动水的水槽中进行，在水槽中设有氢气收集装置，氢气收集装置用于收集焊接过程产生的氢气，以消除氢气对焊缝的影响。

优选地，氢气收集装置包括氢气储存装置和与其连通且随焊具移动的氢气收集罩，氢气收集罩能够将焊具的搅拌头罩在其内。

优选地，水槽内的水流方向与焊接方向一致。

实施例

一种用于水下搅拌摩擦焊的焊接装置，包括水槽1，水槽1的一端开设有进水口，进水口处设有进水管8，另一端开设有出水口，出水口处设有出水管9；水槽1底部内侧设有焊接垫板2和用于固定待焊接工件的夹具6；焊接垫板2的上方设有氢气收集装置，氢气收集装置包括氢气储存装置12和与其连通且随焊具5移动的氢气收集罩13，氢气收集罩13呈锥形，大端为开口，朝向焊接垫板2，小端套在焊具5的夹持部上，且与其固定连接。氢气收集装置用于收集焊接过程产生的氢气，以消除氢气对焊缝7的影响。

本装置中的氢气收集罩13可为透明可视的有机玻璃，不易碎裂，形状为圆锥形，且圆锥形的大端朝向焊接垫板2。

在搅拌摩擦焊缝7的形成过程中被焊部位的铝或镁与水发生化学反应，反应的同时即产生氢气，且氢气伴随焊接持续产生，并通过氢气收集罩13聚集到氢气储存装置12里，即在焊接的同时完成了氢气的制备。作为被焊接工件的铝板或镁板与水发生化学反应的化学方程式分别为：

2al+6h2o→2al(oh)3+3h2

mg+2h2o→mg(oh)2+h2

在水环境中对活性金属铝或镁进行搅拌摩擦焊的过程中，由于在搅拌头的转动作用下，会持续不断的形成铝或镁的新鲜表面，并在一定的摩擦温度下与水发生反应而生成氢气，这一过程，在不添加其他任何化学试剂或合金元素的前提下，有效解决了活性金属与水反应造成表面被氧化所带来的制氢不连贯的问题，而且制氢方法简单，制氢过程不需要添加化学试剂或合金元素，生成产物对环境无污染且可循环再利用，因此具有可控性好，制氢效率高，制氢成本低，清洁环保等优点。

本焊接装置的使用方法如下：

1.安装被焊工件：将第一被焊工件3第二被焊工件4放置于焊接垫板2的上端面，用夹具6将第一被焊工件3、第二被焊工件4与焊接垫板2牢固定位，并将水槽1固定在搅拌摩擦焊的工作台上。

2.注水：将水注入到水槽1内，且水位超过被焊工件的上端面30mm～40mm，通过调节进水阀10，控制进水管8的进水流量，同时调节出水阀11，控制出水管9的出水流量，从而控制水槽1内所注入的流动水环境的水位和流速，以保证待焊工件置于水下所需的深度，水槽1进出水的流量为5～8l/min。

3.选择焊接参数：本发明实施第一被焊工件3第二被焊工件4的材质是铝、铝合金，镁、镁合金、铜或铜合金。具体为：第一被焊工件3和第二被焊工件4的材质采用6005a-t6铝合金，接头形式采用对接，厚度为6mm，焊具5的搅拌头轴肩的直径为20mm，搅拌针的直径为6mm，搅拌针的长度为5.8mm，搅拌头的转速为1000～1300r/min，焊接速度为600mm/min，焊接过程中出水口处的水温不得高于40℃。

4.焊接：采用上述参数，对第一被焊工件3与第二被焊工件4进行焊接，直至完成焊接过程，同时通过氢气收集装置收集焊接过程中产生的氢气。

本发明利用焊接环境中的水来降低焊接热循环的峰值温度，加快了焊接过程的冷却速度，缩小了焊接温度场的分布范围，从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，进而提高了接头的性能；通过在焊接垫板的上方设置氢气收集装置，解决了氢气对焊缝质量的影响；通过氢气收集装置收集焊接过程中产生的氢气废气，以作为清洁能源使用，实现了废气的有益利用。另外，本发明的装置结构简单，使用方便。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。