水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法
【专利摘要】一种水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，采用以下步骤：一：对待修复的母材表面进行预钻孔工序；二：在钻孔内安装焊接柱塞、填充焊接塞孔，并形成摩擦柱塞焊接接头；三：将多余长度的焊接柱塞进行切割；四：打磨母材表面；五：安装预钻孔的圆柱形钻头，选定下一个摩擦柱塞焊接接头的分布位置，重复上述一至四，直至数个摩擦柱塞焊接接头相互搭接形成摩擦叠焊缝，进而，完成母材表面的整条裂纹的修复。本发明仅采用一个主轴头便能够完成全部的钻孔、焊接、切割、打磨四个主要工序在水下的连续加工，将摩擦柱塞焊接应用在表面裂纹缺陷修复的实际工程中；大大提高了水下钢结构物焊接效率和焊缝质量，为海洋平台和海底管道的修复提供了技术保障。
【专利说明】水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固相摩擦焊接，尤其涉及一种用于海洋工程中钢结构物表面裂纹修复的水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法。
【背景技术】
[0002]摩擦柱塞焊接技术是由英国焊接研究所在传统旋转摩擦焊基础上开发的一种新型固相连接技术，与传统的水下干法或湿法熔焊比较，摩擦柱塞焊具有对水深不敏感、焊接效率高、易于自动化和焊缝质量好等优势，因而，在海洋平台和海底管道等水下钢结构物修复方面具有极大的应用潜力。其基本原理是，高速旋转的圆柱或圆锥形焊接柱塞，在轴向压力作用下，与事先加工好的凹孔摩擦剪切，由于摩擦热的作用，柱塞将成为热塑性状态，在轴向力的挤压作用下，快速填充凹孔，当凹孔被完全填充时，主轴头停转，并顶锻保压，最后，形成摩擦柱塞焊接接头，多个摩擦柱塞焊接接头相互叠加便形成了摩擦叠焊焊缝，继而，修复整条表面裂纹。
[0003]目前，所有的摩擦柱塞焊接研究，还都停留在空气中与水下摩擦柱塞焊接工艺的原理验证和接头质量评定方面。由于焊接工艺规程尚未达到能够应用于工程实际的成熟阶段，加上焊接设备复杂昂贵以及实际工程中操作实施成本较高、难度较大，因而，目前，尚未在实际工程中得到应用。由于在工程应用中，尤其是在深水海洋钢结构物修复裂纹时，必须能够将钻孔-焊接-切削-打磨-钻孔在水下连续加工，才能对深水海洋钢结构物修复裂纹进行修复。而现有的水下摩擦柱塞焊接工艺的原理验证和接头质量评定的方法，还不能在实际工程中得到应用。因此，有必要提供一种水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，这将对摩擦柱塞焊接工艺应用于实际海洋工程，具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其仅采用一个主轴头便能够完成全部的钻孔、焊接、切割、打磨四个主要工序在水下的连续加工，将摩擦柱塞焊接技术应用在表面裂纹缺陷修复的实际工程中；解决了将摩擦柱塞焊接用于海洋工程中水下钢结构物表面裂纹修复的问题。
[0005]本发明的目的是由以下技术方案实现的:
[0006]一种水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:采用以下加工步骤:
[0007]第一步:对待修复的母材表面进行预钻孔工序；
[0008]第二步:在钻孔内安装焊接柱塞、填充焊接塞孔，并形成摩擦柱塞焊接接头；
[0009]第三步:将多余长度的焊接柱塞进行切割；
[0010]第四步:打磨母材表面；
[0011]第五步:安装预钻孔的圆柱形钻头，选定下一个摩擦柱塞焊接接头的分布位置，重复上述第一步至第四步，直至数个摩擦柱塞焊接接头相互搭接形成摩擦叠焊缝，进而，完成母材表面的整条裂纹的修复。
[0012]所述第一步中，预钻孔的具体工序如下:
[0013]I).将圆柱形钻头的夹持端通过弹簧卡具与钻机的主轴头装卡，其中，夹持端加工为:方形切削面，用以增大接触面积并承受扭矩；
[0014]2)在母材上选取预钻孔位置，清理母材表面，并将母材固定在钻机的工作台上；
[0015]3)启动钻机的电机与泵站，在母材上钻预钻孔；
[0016]4)拆卸圆柱形钻头，清理母材的表面，再安装塞孔形状的圆锥形钻头；
[0017]5)启动钻机的电机与泵站，在已成型的预钻孔的基础上，再实施锥形焊接塞孔的加工。
[0018]所述第二步中，形成摩擦柱塞焊接接头具体步骤如下；
[0019]①拆卸圆锥形钻头，清理母材及塞孔内部铁屑，将事先加工好的焊接柱塞使用弹黃夹具装卡在钻机的王轴头上，冋时，上下移动王轴头的油缸，以保证焊接柱塞与焊接塞孔的同轴度，使得焊接柱塞能够顺利与焊接塞孔底端面接触，并且，保证焊接塞孔与焊接柱塞四周间隙均匀。
[0020]②启动钻机的电机与泵站，开始执行焊接过程，当焊接柱塞与焊接塞孔底端面接触，开始发生摩擦剪切作用时，在摩擦面处消耗性焊接柱塞产生粘塑性流动金属，在轴向压力作用下，填充焊接柱塞间隙，随着消耗量逐渐增多，摩擦面逐渐升高，在焊接后期，粘塑性金属沿着塞孔侧壁流出，在基体表面形成飞边，直至焊接塞孔完全填充时，主轴头停转、顶锻、保压，并形成摩擦柱塞焊接接头。
[0021]所述第三步中，切割多余长度的焊接柱塞的步骤；
[0022](I)拆卸弹簧卡具，提升主轴头油缸至原始位置；
[0023](2)安装与主轴头装卡的切割工具，再启动钻机的电机与泵站，沿着母材表面以上1mm方向将多余长度的焊接柱塞切割。
[0024]所述切割工具主由与主轴头装卡的棒体及连接在棒体另一端的切割的砂轮片构成。
[0025]所述第四步中，打磨母材表面的步骤；
[0026]①拆卸切割工具，安装与主轴头装卡的平面铣刀；
[0027]②启动钻机的电机与泵站，平面铣刀进行多道次切削，直至母材表面平整光洁；
[0028]③拆卸打磨工具。
[0029]所述对待修复的母材表面进行预钻孔工序前，先将钻机与液压泵站相连，液压泵站与控制装备相连；实际操作时，液压泵站和控制装备并不下水，而是将密封良好的钻机及其携带的部分液压管路，在水下完成对待修复的母材表面的一系列加工。
[0030]本发明的有益效果:本发明由于采用上述技术方案，其仅采用一个主轴头便能够完成全部的钻孔、焊接、切割、打磨四个主要工序在水下的连续加工,将摩擦柱塞焊接技术应用在表面裂纹缺陷修复的实际工程中；大大提高了水下钢结构物焊接效率和焊缝质量，为海洋平台和海底管道等水下钢结构物修复方面提供了技术保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明安装圆柱形钻头示意图。
[0032]图1A为图1中A向示意图。
[0033]图1B为本发明圆锥形钻头钻孔示意图。
[0034]图1C为本发明焊接柱塞填充焊接塞孔示意图。
[0035]图1D为本发明多余长度的焊接柱塞切割示意图。
[0036]图1E为本发明打磨母材表面示意图。
[0037]图2为本发明摩擦叠焊缝修复表面裂纹示意图。
[0038]图中主要标号说明:
[0039]1.圆柱形钻头，2.夹持端，3.母材，4.圆锥形钻头，5.预钻孔，6.焊接柱塞，7.焊接塞孔，8.焊接柱塞间隙，9.摩擦柱塞焊接接头，10.切割工具，11.平面铣刀，12.摩擦叠焊缝，13.表面裂纹分布。
【具体实施方式】
[0040]如图1一图1E所示，在对待修复的母材3表面进行预钻孔工序前，先将钻机与液压泵站相连，液压泵站与控制装备相连；实际操作时，液压泵站和控制装备并不下水，而是将密封良好的钻机及其携带的部分液压管路，在水下完成对待修复的母材表面所需的一系列加工。
[0041]本发明采用以下加工步骤:
[0042]第一步:对待修复的母材3表面进行预钻孔工序；
[0043]如图1A所示，将圆柱形钻头I的夹持端2通过弹簧卡具与钻机的主轴头装卡，其中，夹持端2加工为:方形切削面，用以增大接触面积并承受扭矩；
[0044](I)在母材3上选取预钻孔位置，清理母材3表面，并将母材3固定在钻机的工作台上;
[0045](2)启动钻机的电机与泵站,设定转速为:250rpm,轴向进给速度:0.3mm/s,
[0046]钻孔深度约为:最终塞孔深度的2/3，在母材3上钻预钻孔5 ；
[0047](3)拆卸圆柱形钻头1，清理母材3的表面，再安装塞孔形状的圆锥形钻头4 ；
[0048](4)启动钻机的电机与泵站,设定转速:250rpm,轴向进给速度:0.lmm/s,在已成型的预钻孔5的基础上，再实施锥形焊接塞孔7的加工；
[0049]第二步:在钻孔内安装焊接柱塞6、填充焊接塞孔7，并形成摩擦柱塞焊接接头9 ；
[0050]①拆卸圆锥形钻头4，清理母材3及塞孔内部铁屑，将事先加工好的焊接柱塞6使用弹簧夹具装卡在钻机的主轴头上，同时，上下移动主轴头的油缸，以保证焊接柱塞6与焊接塞孔7的同轴度，使得焊接柱塞6能够顺利与焊接塞孔7底端面接触，并且，保证焊接塞孔7与焊接柱塞6四周间隙均匀，约为0.5mm。
[0051]②启动钻机的电机与泵站，在钻机的控制面板中设定焊接参数:转速:5000-7000rpm，轴向压力:25_40KN，摩擦消耗量:20mm，顶锻压力:30_45KN，保压时间:10s，待焊接转速稳定至设定值时，开始执行焊接过程，以保证焊接柱塞6以一定的轴向速度向下移动，当焊接柱塞6与焊接塞孔7底端面接触，开始发生摩擦剪切作用，在摩擦面处消耗性焊接柱塞7产生粘塑性流动金属，在轴向压力作用下，填充焊接柱塞间隙8，随着消耗量逐渐增多，摩擦面逐渐升高，在焊接后期，粘塑性金属沿着塞孔侧壁流出，在基体表面形成飞边，直至焊接塞孔7被完全填充时，主轴头停转、顶锻、保压，并形成摩擦柱塞焊接接头9。
[0052]第三步:将多余长度的焊接柱塞6进行切割
[0053]①拆卸弹簧卡具，提升主轴头油缸至原始位置；
[0054]②安装专门设计与主轴头可以装卡的切割工具10 ;其中，切割工具主10主要由两部分组成，一部分是可以与主轴头装卡的棒体，另一部分是采用轴孔配合方式连接在棒体另一端的用于切割的砂轮片；再启动钻机的电机与泵站，设定转速为:7000rpm，工作台移动速度为:0.lmm/s，沿着母材表面以上1mm方向将多余长度的焊接柱塞6切割；
[0055]第四步:打磨母材3表面
[0056]①拆卸切割工具10，安装专门设计与主轴头可以装卡的平面铣刀11该平面铣刀属于端铣刀的一种，是用于切削加工，具有多个刀齿的旋转工具，专门用来铣平面或沟槽；
[0057]②启动钻机的电机与泵站，设定转速100rpm,进给量为0.5mm,钻机的工作台移动速度为0.lmm/s，如此进行多道次切削，直至母材3表面平整光洁；
[0058]③拆卸打磨工具；
[0059]第五步:安装预钻孔圆5的圆柱形钻头I，选定下一个摩擦柱塞焊接接头6的分布位置，重复上述第一步至第四步，直至数个摩擦柱塞焊接接头6相互搭接形成如图2所示的摩擦叠焊缝12，进而，完成母材3表面的整条裂纹13的修复。
[0060]上述说明的应用实例不仅仅局限于水下摩擦柱塞焊接过程，也可应用其他类似的固相焊接技术与工程应用相结合的实际问题中。
[0061]上述钻机、砂轮片、泵站、平面铣刀为现有技术，未作说明的技术为现有技术，故不再赘述。
[0062]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:采用以下加工步骤: 第一步:对待修复的母材表面进行预钻孔工序； 第二步:在钻孔内安装焊接柱塞、填充焊接塞孔，并形成摩擦柱塞焊接接头； 第三步:将多余长度的焊接柱塞进行切割； 第四步:打磨母材表面； 第五步:安装预钻孔的圆柱形钻头，选定下一个摩擦柱塞焊接接头的分布位置，重复上述第一步至第四步，直至数个摩擦柱塞焊接接头相互搭接形成摩擦叠焊缝，进而，完成母材表面的整条裂纹的修复。
2.根据权利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:所述第一步中，预钻孔的具体工序如下: 1).将圆柱形钻头的夹持端通过弹簧卡具与钻机的主轴头装卡，其中，夹持端加工为:方形切削面，用以增大接触面积并承受扭矩； 2)在母材上选取预钻孔位置，清理母材表面，并将母材固定在钻机的工作台上； 3)启动钻机的电机与泵站，在母材上钻预钻孔； 4)拆卸圆柱形钻头，清理母材的表面，再安装塞孔形状的圆锥形钻头； 5)启动钻机的电机与泵站，在已成型的预钻孔的基础上，再实施锥形焊接塞孔的加工。
3.根据权利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:所述第二步中，形成摩擦柱塞焊接接头具体步骤如下； ①拆卸圆锥形钻头，清理母材及塞孔内部铁屑，将事先加工好的焊接柱塞使用弹簧夹具装卡在钻机的主轴头上，同时，上下移动主轴头的油缸，以保证焊接柱塞与焊接塞孔的同轴度，使得焊接柱塞能够顺利与焊接塞孔底端面接触，并且，保证焊接塞孔与焊接柱塞四周间隙均匀。 ②启动钻机的电机与泵站，开始执行焊接过程，当焊接柱塞与焊接塞孔底端面接触，开始发生摩擦剪切作用时，在摩擦面处消耗性焊接柱塞产生粘塑性流动金属，在轴向压力作用下，填充焊接柱塞间隙，随着消耗量逐渐增多，摩擦面逐渐升高，在焊接后期，粘塑性金属沿着塞孔侧壁流出，在基体表面形成飞边，直至焊接塞孔完全填充时，主轴头停转、顶锻、保压，并形成摩擦柱塞焊接接头。
4.根据权利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:所述第三步中，切割多余长度的焊接柱塞的步骤； (1)拆卸弹簧卡具，提升主轴头油缸至原始位置； (2)安装与主轴头装卡的切割工具，再启动钻机的电机与泵站，沿着母材表面以上1mm方向将多余长度的焊接柱塞切割。
5.根据权利要求4所述的水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:所述切割工具主由与主轴头装卡的棒体及连接在棒体另一端的切割的砂轮片构成。
6.根据权利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:所述第四步中，打磨母材表面的步骤； ①拆卸切割工具，安装与主轴头装卡的平面铣刀； ②启动钻机的电机与泵站，平面铣刀进行多道次切削，直至母材表面平整光洁； ③拆卸打磨工具。
7.根据权利要求1所述的水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法，其特征在于:所述对待修复的母材表面进行预钻孔工序前，先将钻机与液压泵站相连，液压泵站与控制装备相连；实际操作时，液压泵站和控制装备并不下水，而是将密封良好的钻机及其携带的部分液压管路，在水下完成对待修复的母材表面的一系列加工。
【文档编号】B23P6/00GK104439685SQ201410581920
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】曹军, 李志刚, 许威, 杨帆, 宋国祥, 黄江中, 陈勇, 崔雷, 杨新岐, 侯小鹏 申请人:中国海洋石油总公司, 海洋石油工程股份有限公司, 天津大学