摩擦叠焊用塞棒结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及金属材料固相摩擦焊接加工技术，尤其涉及一种适用于摩擦柱塞焊接工艺中圆锥-圆柱型复合塞孔的摩擦叠焊用塞棒结构。
【背景技术】
[0002]摩擦柱塞焊接技术是在传统旋转摩擦焊基础上开发的一种新型固相连接技术，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，在摩擦剪切力的作用下快速填充凹孔，随着焊接过程持续进行，即焊接柱塞的消耗量也逐渐增大，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。英国焊接研宄所首先将该成形过程定义为FHPP (Frict1n Hydro PillarProcessing)。
[0003]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。除此之外，从目前公开的研宄资料来看，所有水下摩擦柱塞焊接接头质量较差，在塞孔的底端拐角部位出现明显的未连接宏观缝隙，而塞孔塞棒的几何形状与尺寸与缺陷形成有密切关系；目前常用的主要为8-12_直径的圆柱形塞孔与塞棒，或者直径12-20mm，锥度为20-30度之间的圆锥形塞孔塞棒，但随着焊接孔深的增大，圆柱形塞孔塞棒无法保证水下摩擦柱塞焊接接头的质量，若采用圆锥形塞孔塞棒，在保持锥度不变的情况将导致塞孔塞棒直径过大，容易超出该工艺设备的承载范围，造成不可焊现象，若减小塞孔塞棒锥度，则会减弱锥形连接面质量。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的主要目的在于克服上述产品存在的缺陷而提供一种摩擦叠焊用塞棒结构，其可用于摩擦柱塞焊接工艺中锥形圆台形体和圆柱形体的复合式塞孔，保证焊接质量，提高水下钢结构物裂纹修复深度。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型通过以下的技术方案予以实现:
[0006]本实用新型摩擦叠焊用塞棒结构，其特征在于，其包括塞孔和柱塞；该塞孔设置在待修复结构物裂纹处，其是由上端中空圆柱体和下端中空锥形圆台体一体成型的中空体；该柱塞为柱形体，上部为夹持部，下部为焊接部；该夹持部为圆柱形体，焊接部为圆柱体和锥形圆台体一体成型，该夹持部圆柱形体底端与焊接部圆柱体顶端一体成型，且夹持部圆柱形体直径大于焊接部圆柱体直径；该焊接部圆柱体底端与锥形圆台体大端一体成型，且焊接部圆柱体直径与锥形圆台体大端直径相同；该夹持部圆柱形体背离焊接部的一端设有与摩擦叠焊机主轴头夹持端接触的切削面。
[0007]前述的摩擦叠焊用塞棒结构，其中，所述塞孔中空圆柱体的直径为18至20mm，高度为13至15mm ;塞孔中空锥形圆台形体大端直径与中空圆柱体直径相同，小端直径为9至10_，高度为塞孔深度的1/2至1/3 ;所述柱塞夹持部圆柱形体的直径比夹持装置的夹持尺寸小40至60um，高度为40至80mm ;柱塞焊接部圆柱体直径与塞孔圆柱体直径的差为0.5至1mm，焊接部圆柱体的高度为40至80mm ;柱塞焊接部锥形圆台体大端直径与塞孔锥形圆台形体大端直径的差为0.5至1_，柱塞焊接部锥形圆台体小端直径与塞孔锥形圆台形体小端直径的差为0.5至1_，柱塞焊接部锥形圆台体高度为18至20_。
[0008]前述的摩擦叠焊用塞棒结构，其中，所述柱塞材质符合摩擦叠焊性能要求。
[0009]前述的摩擦叠焊用塞棒结构，其中，所述夹持部圆柱形体与摩擦叠焊机主轴头接触的切削面为方形平面。
[0010]本实用新型摩擦叠焊用塞棒结构的有益效果是，1、将固相焊接应用于水下钢结构物裂纹修复，避免了传统水下熔焊导致的气孔，裂纹，夹杂以及水深水压导致的焊接电弧不稳，难以起弧等问题。2、该塞孔与柱塞底端接触部位呈平底倒角形状，在轴向压力的作用下产生径向分力促使塞孔与柱塞连接，可以改善焊接过程的金属流动性，保证塞孔与柱塞间隙完全填充，从而减小摩擦柱塞焊接缺陷，尤其是塞孔底端拐角区域的焊接缺陷。3、结构设计合理，能够完成30mm孔深的摩擦柱塞焊接工艺，增加实际工程中钢结构物的裂纹修复深度，焊接质量高。
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型摩擦叠焊用塞棒结构整体结构示意图。
[0012]图2为本实用新型摩擦叠焊用塞棒结构实施状态示意图。
[0013]图中主要标号说明:1柱塞、2塞孔中空圆柱形体、3塞孔中空锥形圆台形体、4塞孔底、5塞孔与柱塞焊接部间隙、6焊接接头、7焊接接头飞边。
【具体实施方式】
[0014]本实用新型针对水下30_深孔摩擦柱塞焊接工艺提供一种圆柱-圆锥型复合塞孔与焊接柱塞，在保证焊接质量的前提下，增加了实际工程中钢结构物的裂纹修复深度。
[0015]下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述:
[0016]如图1所示，采用机加工方式加工摩擦柱塞焊接使用的塞孔与焊接柱塞，焊接柱塞I由其上端夹持部与摩擦叠焊机主轴头装卡，其中柱塞I上端端部的方形切削面与该摩擦叠焊机主轴头夹持端接触，再使用弹簧夹具卡住主轴头与焊接柱塞；柱塞I的下部为焊接部，该焊接部为消耗部。
[0017]焊接塞孔由上部中空圆柱形体2与下部中空锥形圆台形体3 —体成型，中空锥形圆台形体部分高度为塞孔深度的1/2至1/3，本实施例选取中空锥形圆台形体部分高度为塞孔深度的1/2 ;塞孔与柱塞底端接触部位呈平底倒角形状，保证塞孔内壁与焊接柱塞外壁之间具有适当的焊接间隙，该间隙选取0.5至1_，本实施例塞孔与柱塞焊接部间隙选取Imm0
[0018]摩擦叠焊机固定于待修复结构物上，柱塞固定于摩擦叠焊机主轴头上，并且保证塞孔与焊接柱塞沿垂直方向的同轴度，使塞孔与柱塞四周间隙均匀，柱塞底端抵触塞孔底4。
[0019]启动电机与泵站，在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，带焊接转速稳定至设定值时开始执行焊接过程，保证焊接柱塞以一定的轴向速度向下移动，当柱塞与塞孔底部接触而开始发生摩擦产热作用时，柱塞与塞孔之间相互摩擦的表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，在待焊塞孔的母材表面形成飞边7，至塞孔被完全填充时主轴头停转并顶锻，保压形成摩擦柱塞焊接接头6，如图2所示。
[0020]拆卸弹簧卡具，提升摩擦叠焊机主轴头油缸至原始位置，将修复塞孔上方的多余塞棒和飞边等用砂轮机切掉，并对修复表面进行简单的打磨，进一步对塞孔被填充而形成焊接接头进行质量检测。即可完成对整个塞孔的焊接修复，也即实现了对裂纹等缺陷的消除。
[0021]本实用新型摩擦叠焊用塞棒也适用于多个摩擦柱塞焊接接头组成的摩擦叠焊焊接过程。
[0022]本实用新型实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
[0023]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种摩擦叠焊用塞棒结构，其特征在于，其包括塞孔和柱塞； 该塞孔设置在待修复结构物裂纹处，其是由上端中空圆柱体和下端中空锥形圆台体一体成型的中空体； 该柱塞为柱形体，上部为夹持部，下部为焊接部；该夹持部为圆柱形体，焊接部为圆柱体和锥形圆台体一体成型，该夹持部圆柱形体底端与焊接部圆柱体顶端一体成型，且夹持部圆柱形体直径大于焊接部圆柱体直径；该焊接部圆柱体底端与锥形圆台体大端一体成型，且焊接部圆柱体直径与锥形圆台体大端直径相同； 该夹持部圆柱形体背离焊接部的一端设有与摩擦叠焊机主轴头夹持端接触的切削面。2.根据权利要求1所述的摩擦叠焊用塞棒结构，其特征在于，所述塞孔中空圆柱体的直径为18至20_，高度为13至15_ ;塞孔中空锥形圆台形体大端直径与中空圆柱体直径相同，小端直径为9至10_，高度为塞孔深度的1/2至1/3 ;所述柱塞夹持部圆柱形体的直径比夹持装置的夹持尺寸小40至60um，高度为40至80mm ;柱塞焊接部圆柱体直径与塞孔圆柱体直径的差为0.5至1mm，焊接部圆柱体的高度为40至80mm ;柱塞焊接部锥形圆台体大端直径与塞孔锥形圆台形体大端直径的差为0.5至1_，柱塞焊接部锥形圆台体小端直径与塞孔锥形圆台形体小端直径的差为0.5至1mm，柱塞焊接部锥形圆台体高度为18至20mmo3.根据权利要求1所述的摩擦叠焊用塞棒结构，其特征在于，所述柱塞材质符合摩擦叠焊性能要求。4.根据权利要求1所述的摩擦叠焊用塞棒结构，其特征在于，所述夹持部圆柱形体与摩擦叠焊机主轴头接触的切削面为方形平面。
【专利摘要】本实用新型提供一种摩擦叠焊用塞棒结构，包括塞孔和柱塞；塞孔设在待修复结构物裂纹处，其是由上端中空圆柱体和下端中空锥形圆台体一体成型的中空体；柱塞为柱形体，上部为夹持部，下部为焊接部；夹持部为圆柱形体，焊接部为圆柱体和锥形圆台体一体成型的圆柱体；夹持部圆柱形体底端与焊接部圆柱体顶端一体成型，且夹持部圆柱形体直径大于焊接部圆柱体直径；焊接部圆柱体底端与锥形圆台体大端一体成型，且焊接部圆柱体直径与锥形圆台体大端直径相同；夹持部圆柱形体背离焊接部的一端设有与摩擦叠焊机主轴头夹持端接触的切削面；其可用于摩擦柱塞焊接工艺中锥形圆台形体和圆柱形体的复合式塞孔，保证焊接质量，提高水下钢结构物裂纹修复深度。
【IPC分类】B23K20/12
【公开号】CN204621352
【申请号】CN201520316250
【发明人】许威, 曹军, 张保吉, 黄江中, 宋国祥, 杨帆, 王金生, 崔雷, 杨新岐, 侯晓鹏
【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
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月15日