水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法
【專利摘要】一種水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，采用以下步驟：一：對待修復(fù)的母材表面進行預(yù)鉆孔工序；二：在鉆孔內(nèi)安裝焊接柱塞、填充焊接塞孔，并形成摩擦柱塞焊接接頭；三：將多余長度的焊接柱塞進行切割；四：打磨母材表面；五：安裝預(yù)鉆孔的圓柱形鉆頭，選定下一個摩擦柱塞焊接接頭的分布位置，重復(fù)上述一至四，直至數(shù)個摩擦柱塞焊接接頭相互搭接形成摩擦疊焊縫，進而，完成母材表面的整條裂紋的修復(fù)。本發(fā)明僅采用一個主軸頭便能夠完成全部的鉆孔、焊接、切割、打磨四個主要工序在水下的連續(xù)加工，將摩擦柱塞焊接應(yīng)用在表面裂紋缺陷修復(fù)的實際工程中；大大提高了水下鋼結(jié)構(gòu)物焊接效率和焊縫質(zhì)量，為海洋平臺和海底管道的修復(fù)提供了技術(shù)保障。
【專利說明】水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固相摩擦焊接，尤其涉及一種用于海洋工程中鋼結(jié)構(gòu)物表面裂紋修復(fù)的水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法。

【背景技術(shù)】
[0002]摩擦柱塞焊接技術(shù)是由英國焊接研究所在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)摩擦焊基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)的水下干法或濕法熔焊比較，摩擦柱塞焊具有對水深不敏感、焊接效率高、易于自動化和焊縫質(zhì)量好等優(yōu)勢，因而，在海洋平臺和海底管道等水下鋼結(jié)構(gòu)物修復(fù)方面具有極大的應(yīng)用潛力。其基本原理是，高速旋轉(zhuǎn)的圓柱或圓錐形焊接柱塞，在軸向壓力作用下，與事先加工好的凹孔摩擦剪切，由于摩擦熱的作用，柱塞將成為熱塑性狀態(tài)，在軸向力的擠壓作用下，快速填充凹孔，當(dāng)凹孔被完全填充時，主軸頭停轉(zhuǎn)，并頂鍛保壓，最后，形成摩擦柱塞焊接接頭，多個摩擦柱塞焊接接頭相互疊加便形成了摩擦疊焊焊縫，繼而，修復(fù)整條表面裂紋。
[0003]目前，所有的摩擦柱塞焊接研究，還都停留在空氣中與水下摩擦柱塞焊接工藝的原理驗證和接頭質(zhì)量評定方面。由于焊接工藝規(guī)程尚未達到能夠應(yīng)用于工程實際的成熟階段，加上焊接設(shè)備復(fù)雜昂貴以及實際工程中操作實施成本較高、難度較大，因而，目前，尚未在實際工程中得到應(yīng)用。由于在工程應(yīng)用中，尤其是在深水海洋鋼結(jié)構(gòu)物修復(fù)裂紋時，必須能夠?qū)@孔-焊接-切削-打磨-鉆孔在水下連續(xù)加工，才能對深水海洋鋼結(jié)構(gòu)物修復(fù)裂紋進行修復(fù)。而現(xiàn)有的水下摩擦柱塞焊接工藝的原理驗證和接頭質(zhì)量評定的方法，還不能在實際工程中得到應(yīng)用。因此，有必要提供一種水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，這將對摩擦柱塞焊接工藝應(yīng)用于實際海洋工程，具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點，而提供一種水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其僅采用一個主軸頭便能夠完成全部的鉆孔、焊接、切割、打磨四個主要工序在水下的連續(xù)加工，將摩擦柱塞焊接技術(shù)應(yīng)用在表面裂紋缺陷修復(fù)的實際工程中；解決了將摩擦柱塞焊接用于海洋工程中水下鋼結(jié)構(gòu)物表面裂紋修復(fù)的問題。
[0005]本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:采用以下加工步驟:
[0007]第一步:對待修復(fù)的母材表面進行預(yù)鉆孔工序；
[0008]第二步:在鉆孔內(nèi)安裝焊接柱塞、填充焊接塞孔，并形成摩擦柱塞焊接接頭；
[0009]第三步:將多余長度的焊接柱塞進行切割；
[0010]第四步:打磨母材表面；
[0011]第五步:安裝預(yù)鉆孔的圓柱形鉆頭，選定下一個摩擦柱塞焊接接頭的分布位置，重復(fù)上述第一步至第四步，直至數(shù)個摩擦柱塞焊接接頭相互搭接形成摩擦疊焊縫，進而，完成母材表面的整條裂紋的修復(fù)。
[0012]所述第一步中，預(yù)鉆孔的具體工序如下:
[0013]I).將圓柱形鉆頭的夾持端通過彈簧卡具與鉆機的主軸頭裝卡，其中，夾持端加工為:方形切削面，用以增大接觸面積并承受扭矩；
[0014]2)在母材上選取預(yù)鉆孔位置，清理母材表面，并將母材固定在鉆機的工作臺上；
[0015]3)啟動鉆機的電機與泵站，在母材上鉆預(yù)鉆孔；
[0016]4)拆卸圓柱形鉆頭，清理母材的表面，再安裝塞孔形狀的圓錐形鉆頭；
[0017]5)啟動鉆機的電機與泵站，在已成型的預(yù)鉆孔的基礎(chǔ)上，再實施錐形焊接塞孔的加工。
[0018]所述第二步中，形成摩擦柱塞焊接接頭具體步驟如下；
[0019]①拆卸圓錐形鉆頭，清理母材及塞孔內(nèi)部鐵屑，將事先加工好的焊接柱塞使用彈黃夾具裝卡在鉆機的王軸頭上，冋時，上下移動王軸頭的油缸，以保證焊接柱塞與焊接塞孔的同軸度，使得焊接柱塞能夠順利與焊接塞孔底端面接觸，并且，保證焊接塞孔與焊接柱塞四周間隙均勻。
[0020]②啟動鉆機的電機與泵站，開始執(zhí)行焊接過程，當(dāng)焊接柱塞與焊接塞孔底端面接觸，開始發(fā)生摩擦剪切作用時，在摩擦面處消耗性焊接柱塞產(chǎn)生粘塑性流動金屬，在軸向壓力作用下，填充焊接柱塞間隙，隨著消耗量逐漸增多，摩擦面逐漸升高，在焊接后期，粘塑性金屬沿著塞孔側(cè)壁流出，在基體表面形成飛邊，直至焊接塞孔完全填充時，主軸頭停轉(zhuǎn)、頂鍛、保壓，并形成摩擦柱塞焊接接頭。
[0021]所述第三步中，切割多余長度的焊接柱塞的步驟；
[0022](I)拆卸彈簧卡具，提升主軸頭油缸至原始位置；
[0023](2)安裝與主軸頭裝卡的切割工具，再啟動鉆機的電機與泵站，沿著母材表面以上1mm方向?qū)⒍嘤嚅L度的焊接柱塞切割。
[0024]所述切割工具主由與主軸頭裝卡的棒體及連接在棒體另一端的切割的砂輪片構(gòu)成。
[0025]所述第四步中，打磨母材表面的步驟；
[0026]①拆卸切割工具，安裝與主軸頭裝卡的平面銑刀；
[0027]②啟動鉆機的電機與泵站，平面銑刀進行多道次切削，直至母材表面平整光潔；
[0028]③拆卸打磨工具。
[0029]所述對待修復(fù)的母材表面進行預(yù)鉆孔工序前，先將鉆機與液壓泵站相連，液壓泵站與控制裝備相連；實際操作時，液壓泵站和控制裝備并不下水，而是將密封良好的鉆機及其攜帶的部分液壓管路，在水下完成對待修復(fù)的母材表面的一系列加工。
[0030]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案，其僅采用一個主軸頭便能夠完成全部的鉆孔、焊接、切割、打磨四個主要工序在水下的連續(xù)加工,將摩擦柱塞焊接技術(shù)應(yīng)用在表面裂紋缺陷修復(fù)的實際工程中；大大提高了水下鋼結(jié)構(gòu)物焊接效率和焊縫質(zhì)量，為海洋平臺和海底管道等水下鋼結(jié)構(gòu)物修復(fù)方面提供了技術(shù)保障。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明安裝圓柱形鉆頭示意圖。
[0032]圖1A為圖1中A向示意圖。
[0033]圖1B為本發(fā)明圓錐形鉆頭鉆孔示意圖。
[0034]圖1C為本發(fā)明焊接柱塞填充焊接塞孔示意圖。
[0035]圖1D為本發(fā)明多余長度的焊接柱塞切割示意圖。
[0036]圖1E為本發(fā)明打磨母材表面示意圖。
[0037]圖2為本發(fā)明摩擦疊焊縫修復(fù)表面裂紋示意圖。
[0038]圖中主要標(biāo)號說明:
[0039]1.圓柱形鉆頭，2.夾持端，3.母材，4.圓錐形鉆頭，5.預(yù)鉆孔，6.焊接柱塞，7.焊接塞孔，8.焊接柱塞間隙，9.摩擦柱塞焊接接頭，10.切割工具，11.平面銑刀，12.摩擦疊焊縫，13.表面裂紋分布。

【具體實施方式】
[0040]如圖1一圖1E所示，在對待修復(fù)的母材3表面進行預(yù)鉆孔工序前，先將鉆機與液壓泵站相連，液壓泵站與控制裝備相連；實際操作時，液壓泵站和控制裝備并不下水，而是將密封良好的鉆機及其攜帶的部分液壓管路，在水下完成對待修復(fù)的母材表面所需的一系列加工。
[0041]本發(fā)明采用以下加工步驟:
[0042]第一步:對待修復(fù)的母材3表面進行預(yù)鉆孔工序；
[0043]如圖1A所示，將圓柱形鉆頭I的夾持端2通過彈簧卡具與鉆機的主軸頭裝卡，其中，夾持端2加工為:方形切削面，用以增大接觸面積并承受扭矩；
[0044](I)在母材3上選取預(yù)鉆孔位置，清理母材3表面，并將母材3固定在鉆機的工作臺上;
[0045](2)啟動鉆機的電機與泵站,設(shè)定轉(zhuǎn)速為:250rpm,軸向進給速度:0.3mm/s,
[0046]鉆孔深度約為:最終塞孔深度的2/3，在母材3上鉆預(yù)鉆孔5 ；
[0047](3)拆卸圓柱形鉆頭1，清理母材3的表面，再安裝塞孔形狀的圓錐形鉆頭4 ；
[0048](4)啟動鉆機的電機與泵站,設(shè)定轉(zhuǎn)速:250rpm,軸向進給速度:0.lmm/s,在已成型的預(yù)鉆孔5的基礎(chǔ)上，再實施錐形焊接塞孔7的加工；
[0049]第二步:在鉆孔內(nèi)安裝焊接柱塞6、填充焊接塞孔7，并形成摩擦柱塞焊接接頭9 ；
[0050]①拆卸圓錐形鉆頭4，清理母材3及塞孔內(nèi)部鐵屑，將事先加工好的焊接柱塞6使用彈簧夾具裝卡在鉆機的主軸頭上，同時，上下移動主軸頭的油缸，以保證焊接柱塞6與焊接塞孔7的同軸度，使得焊接柱塞6能夠順利與焊接塞孔7底端面接觸，并且，保證焊接塞孔7與焊接柱塞6四周間隙均勻，約為0.5mm。
[0051]②啟動鉆機的電機與泵站，在鉆機的控制面板中設(shè)定焊接參數(shù):轉(zhuǎn)速:5000-7000rpm，軸向壓力:25_40KN，摩擦消耗量:20mm，頂鍛壓力:30_45KN，保壓時間:10s，待焊接轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至設(shè)定值時，開始執(zhí)行焊接過程，以保證焊接柱塞6以一定的軸向速度向下移動，當(dāng)焊接柱塞6與焊接塞孔7底端面接觸，開始發(fā)生摩擦剪切作用，在摩擦面處消耗性焊接柱塞7產(chǎn)生粘塑性流動金屬，在軸向壓力作用下，填充焊接柱塞間隙8，隨著消耗量逐漸增多，摩擦面逐漸升高，在焊接后期，粘塑性金屬沿著塞孔側(cè)壁流出，在基體表面形成飛邊，直至焊接塞孔7被完全填充時，主軸頭停轉(zhuǎn)、頂鍛、保壓，并形成摩擦柱塞焊接接頭9。
[0052]第三步:將多余長度的焊接柱塞6進行切割
[0053]①拆卸彈簧卡具，提升主軸頭油缸至原始位置；
[0054]②安裝專門設(shè)計與主軸頭可以裝卡的切割工具10 ;其中，切割工具主10主要由兩部分組成，一部分是可以與主軸頭裝卡的棒體，另一部分是采用軸孔配合方式連接在棒體另一端的用于切割的砂輪片；再啟動鉆機的電機與泵站，設(shè)定轉(zhuǎn)速為:7000rpm，工作臺移動速度為:0.lmm/s，沿著母材表面以上1mm方向?qū)⒍嘤嚅L度的焊接柱塞6切割；
[0055]第四步:打磨母材3表面
[0056]①拆卸切割工具10，安裝專門設(shè)計與主軸頭可以裝卡的平面銑刀11該平面銑刀屬于端銑刀的一種，是用于切削加工，具有多個刀齒的旋轉(zhuǎn)工具，專門用來銑平面或溝槽；
[0057]②啟動鉆機的電機與泵站，設(shè)定轉(zhuǎn)速100rpm,進給量為0.5mm,鉆機的工作臺移動速度為0.lmm/s，如此進行多道次切削，直至母材3表面平整光潔；
[0058]③拆卸打磨工具；
[0059]第五步:安裝預(yù)鉆孔圓5的圓柱形鉆頭I，選定下一個摩擦柱塞焊接接頭6的分布位置，重復(fù)上述第一步至第四步，直至數(shù)個摩擦柱塞焊接接頭6相互搭接形成如圖2所示的摩擦疊焊縫12，進而，完成母材3表面的整條裂紋13的修復(fù)。
[0060]上述說明的應(yīng)用實例不僅僅局限于水下摩擦柱塞焊接過程，也可應(yīng)用其他類似的固相焊接技術(shù)與工程應(yīng)用相結(jié)合的實際問題中。
[0061]上述鉆機、砂輪片、泵站、平面銑刀為現(xiàn)有技術(shù)，未作說明的技術(shù)為現(xiàn)有技術(shù)，故不再贅述。
[0062]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:采用以下加工步驟: 第一步:對待修復(fù)的母材表面進行預(yù)鉆孔工序； 第二步:在鉆孔內(nèi)安裝焊接柱塞、填充焊接塞孔，并形成摩擦柱塞焊接接頭； 第三步:將多余長度的焊接柱塞進行切割； 第四步:打磨母材表面； 第五步:安裝預(yù)鉆孔的圓柱形鉆頭，選定下一個摩擦柱塞焊接接頭的分布位置，重復(fù)上述第一步至第四步，直至數(shù)個摩擦柱塞焊接接頭相互搭接形成摩擦疊焊縫，進而，完成母材表面的整條裂紋的修復(fù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:所述第一步中，預(yù)鉆孔的具體工序如下: 1).將圓柱形鉆頭的夾持端通過彈簧卡具與鉆機的主軸頭裝卡，其中，夾持端加工為:方形切削面，用以增大接觸面積并承受扭矩； 2)在母材上選取預(yù)鉆孔位置，清理母材表面，并將母材固定在鉆機的工作臺上； 3)啟動鉆機的電機與泵站，在母材上鉆預(yù)鉆孔； 4)拆卸圓柱形鉆頭，清理母材的表面，再安裝塞孔形狀的圓錐形鉆頭； 5)啟動鉆機的電機與泵站，在已成型的預(yù)鉆孔的基礎(chǔ)上，再實施錐形焊接塞孔的加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:所述第二步中，形成摩擦柱塞焊接接頭具體步驟如下； ①拆卸圓錐形鉆頭，清理母材及塞孔內(nèi)部鐵屑，將事先加工好的焊接柱塞使用彈簧夾具裝卡在鉆機的主軸頭上，同時，上下移動主軸頭的油缸，以保證焊接柱塞與焊接塞孔的同軸度，使得焊接柱塞能夠順利與焊接塞孔底端面接觸，并且，保證焊接塞孔與焊接柱塞四周間隙均勻。 ②啟動鉆機的電機與泵站，開始執(zhí)行焊接過程，當(dāng)焊接柱塞與焊接塞孔底端面接觸，開始發(fā)生摩擦剪切作用時，在摩擦面處消耗性焊接柱塞產(chǎn)生粘塑性流動金屬，在軸向壓力作用下，填充焊接柱塞間隙，隨著消耗量逐漸增多，摩擦面逐漸升高，在焊接后期，粘塑性金屬沿著塞孔側(cè)壁流出，在基體表面形成飛邊，直至焊接塞孔完全填充時，主軸頭停轉(zhuǎn)、頂鍛、保壓，并形成摩擦柱塞焊接接頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:所述第三步中，切割多余長度的焊接柱塞的步驟； (1)拆卸彈簧卡具，提升主軸頭油缸至原始位置； (2)安裝與主軸頭裝卡的切割工具，再啟動鉆機的電機與泵站，沿著母材表面以上1mm方向?qū)⒍嘤嚅L度的焊接柱塞切割。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:所述切割工具主由與主軸頭裝卡的棒體及連接在棒體另一端的切割的砂輪片構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:所述第四步中，打磨母材表面的步驟； ①拆卸切割工具，安裝與主軸頭裝卡的平面銑刀； ②啟動鉆機的電機與泵站，平面銑刀進行多道次切削，直至母材表面平整光潔； ③拆卸打磨工具。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接過程的連續(xù)加工方法，其特征在于:所述對待修復(fù)的母材表面進行預(yù)鉆孔工序前，先將鉆機與液壓泵站相連，液壓泵站與控制裝備相連；實際操作時，液壓泵站和控制裝備并不下水，而是將密封良好的鉆機及其攜帶的部分液壓管路，在水下完成對待修復(fù)的母材表面的一系列加工。
【文檔編號】B23P6/00GK104439685SQ201410581920
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】曹軍, 李志剛, 許威, 楊帆, 宋國祥, 黃江中, 陳勇, 崔雷, 楊新岐, 侯小鵬 申請人:中國海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司, 天津大學(xué)