[发明专利]水下摩擦柱塞焊接过程的连续加工方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

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。

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。

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。

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10mm方向将多余长度的焊接柱塞切割。

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。

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；