基于摩擦疊焊的管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開基于摩擦疊焊的管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法和結(jié)構(gòu)，將與管道同心的搭接板放置于管壁的貫穿缺陷處，使搭接板完全覆蓋管壁的貫穿缺陷處，在搭接板邊緣處打孔，孔貫穿搭接板并深入管壁，在孔中插入塞棒并施加向下的軸向力和進(jìn)給速度，在塞棒的消耗量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，塞棒停止旋轉(zhuǎn)同時施加頂鍛力，沿著搭接板的四條邊的邊緣重復(fù)上述步驟，直至相連的孔繞搭接板的四周首尾相接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明圍繞搭接板四周打孔，這樣就避免了直接在缺陷處打孔，而且焊接完成后，貫穿缺陷被搭接板完全覆蓋住，就實現(xiàn)了對貫穿缺陷的修復(fù)。
【專利說明】
基于摩擦疊焊的管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法和結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種水下管道缺陷的固相焊修復(fù)方法，特別涉及基于摩擦疊焊管道貫 穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法和結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著海洋資源的不斷開發(fā)，海底鋼鐵結(jié)構(gòu)不斷增多，特別是深水的海底管道。由于 傳統(tǒng)的焊接方法受水深的限制，因而產(chǎn)生了摩擦疊焊技術(shù)。摩擦疊焊(Friction Stitch Welding，F(xiàn)SW)屬于摩擦焊接技術(shù)的一種，是英國焊接研究所繼1991年左右發(fā)明攪拌摩擦焊 技術(shù)以來在固相連接技術(shù)領(lǐng)域的又一重大貢獻(xiàn)，是以海洋平臺和海底管道修復(fù)為主要目的 的一種固相焊接方法。
[0003] 由于摩擦疊焊的特點(diǎn)，使得其在水下焊接以及惡劣環(huán)境下焊接具有很大的優(yōu)勢， 可廣泛應(yīng)用于海洋平臺、海底管道、船體修理等眾多水下，尤其是深水鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)。傳統(tǒng) 熔焊方法修復(fù)水下鋼結(jié)構(gòu)缺陷，會存在很多弊端，比如，能見度差，焊縫含氫量高，不能修復(fù) 深水鋼結(jié)構(gòu)等。而摩擦疊焊可有效避免這些弊端。摩擦疊焊除了具有摩擦焊的一些優(yōu)點(diǎn)之 外，還具有對水深不敏感，易于實現(xiàn)自動化，環(huán)保，焊速快等優(yōu)點(diǎn)。摩擦疊焊焊接過程簡單的 來說是用旋轉(zhuǎn)金屬棒材(塞棒)填充在管壁上預(yù)鉆盲孔的過程。
[0004] 目前，應(yīng)用摩擦疊焊技術(shù)修復(fù)水下管道，一般只適用于非貫穿缺陷的修補(bǔ)，這是由 該技術(shù)本身特點(diǎn)所決定的，即通過在管壁上鉆盲孔的辦法去除掉管壁上的裂紋缺陷，然后 用塞棒填充盲孔，焊接過程的初始階段對焊接質(zhì)量的影響很大，而初始階段是旋轉(zhuǎn)的塞棒 的底面與盲孔底面的摩擦接觸產(chǎn)熱，產(chǎn)生的熱量使材料發(fā)生塑性流動，進(jìn)而進(jìn)行接下來的 焊接過程。但是如果管壁上的缺陷是貫穿缺陷，即裂紋缺陷貫穿了管壁的整個厚度方向，為 了修補(bǔ)缺陷，就要將預(yù)鉆在管壁上的孔洞貫穿管壁，這樣預(yù)鉆孔就沒有底面，就無法實現(xiàn)塞 棒底面與孔的底面的摩擦生熱，也就無法進(jìn)行焊接。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供基于摩擦疊焊的管道貫穿缺陷的水下焊接 修復(fù)方法和結(jié)構(gòu)。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種管道貫穿缺陷的摩擦疊焊修復(fù)結(jié)構(gòu)，在管壁裂縫上設(shè)置與管道同心的搭接 板，沿搭接板的四條邊依次設(shè)置盲孔，所述盲孔貫穿搭接板，且深入管壁，前后相鄰的盲孔 彼此搭接，在盲孔內(nèi)固定設(shè)置塞棒。
[0008] 其中，所述的搭接板完全覆蓋管壁裂縫，使裂縫位于搭接板的中間位置。
[0009] 其中所述塞棒的整體為柱形。
[0010] 其中在搭接板的表面上，所述前后相鄰的盲孔之間彼此搭接，兩個盲孔的重疊面 積為盲孔面積的1 /5-1 /4。
[0011] 其中盲孔深入管壁的深度為管壁厚度的三分之一到二分之一。
[0012] 其中盲孔和塞棒的形狀尺寸相匹配。
[0013] 基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法:按照下列步驟進(jìn)行：
[0014]步驟1:將與管道同心的搭接板放置于管壁的貫穿缺陷處，使搭接板完全覆蓋管壁 的貫穿缺陷；
[0015] 步驟2:在搭接板邊緣處打孔，孔貫穿搭接板并深入管壁，在孔中插入塞棒，同時在 塞棒上施加向下的軸向力并保持進(jìn)給速度，當(dāng)塞棒的消耗量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，塞棒停止旋轉(zhuǎn) 同時給塞棒一個頂鍛力并予以維持保壓，然后去除位于搭接板上方的部分塞棒，以使搭接 板平面整齊；
[0016] 步驟3:沿著搭接板的四條邊的邊緣重復(fù)步驟2中的操作，同時在操作中使后一個 孔與前一個孔有部分面積相重疊，直至相連的孔繞搭接板的四周首尾相接。
[0017] 在上述技術(shù)方案中，在步驟1中，優(yōu)選貫穿缺陷位于搭接板的中間位置。
[0018] 在上述技術(shù)方案中，在步驟3中，在搭接板的表面上，相鄰的孔之間彼此搭接，兩個 孔的重疊面積為孔面積的1/5-1/4。
[0019] 在上述技術(shù)方案中，在步驟2中，孔深入管壁的深度為管壁厚度的三分之一到二分 之一。
[0020] 在上述技術(shù)方案中，孔和塞棒的形狀、尺寸相匹配。
[0021 ]在上述技術(shù)方案中，在步驟2中，所述的孔的直徑為9-20_。
[0022] 在上述技術(shù)方案中，在步驟2中，進(jìn)給速度(轉(zhuǎn)速)為6000-7000轉(zhuǎn)/min，塞棒的消耗 量大于等于15mm;軸向力(壓力）為20-40kN，頂鍛力（頂鍛壓力）為25-45kN，且頂鍛力大于 軸向力;維持保壓時間至少8s。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:相比于常規(guī)摩擦疊焊修復(fù)缺陷的方法，本 發(fā)明是圍繞搭接板四周打孔，這樣就避免了直接在缺陷處打孔，而且焊接完成后，貫穿缺陷 被搭接板完全覆蓋住，就實現(xiàn)了對貫穿缺陷的修復(fù)，也就克服了常規(guī)摩擦疊焊修復(fù)方法不 能對貫穿缺陷修補(bǔ)這一不足。
【附圖說明】
[0024] 圖1是摩擦疊焊修復(fù)非貫穿缺陷的示意圖；其中1為管道，2為已焊接完成的單孔的 焊縫，3為盲孔，4為塞棒，5為管道壁上的非貫穿缺陷。
[0025] 圖2是摩擦疊焊搭接修復(fù)貫穿缺陷示意圖；其中1為管道，2為搭接板，3為盲孔，4為 塞棒，5為已焊接完成的單孔的焊縫。
[0026] 圖3是摩擦疊焊焊接過程示意圖；1為旋轉(zhuǎn)的塞棒，2為盲孔，3為焊接壓力，4為頂鍛 力，5為消耗量。
[0027]圖4是塞棒主要尺寸示意圖；a為塞棒上部圓柱直徑，b為塞棒下部圓柱直徑，c為塞 棒底部錐柱錐度，d為塞棒底部錐柱高度，e為塞棒底部拐角處過渡圓弧的半徑。
[0028]圖5是盲孔的主要尺寸示意圖；a為盲孔錐度，b為搭接板平面上的盲孔圓形直徑，c 為搭接板厚度，d為塞棒伸入管壁的厚度，e為盲孔底部拐角處過渡圓弧的半徑。
[0029]圖6是單孔摩擦疊焊搭接接頭宏觀形貌示意圖及硬度測試點(diǎn)位置;1為管道，2為搭 接板，3為熱影響區(qū)，4為塞棒，5為內(nèi)飛邊，6為外飛邊，7為單孔焊縫，L1、L2、L3為硬度測試點(diǎn) 位置，Ll為焊縫中心線，L2距上表面2mm，L3距上表面23mm。
[0030] 圖7是接頭硬度值分布圖。
[0031] 圖8是焊縫掃描電鏡結(jié)果示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖與具體的實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0033]如附圖1所示，針對非貫穿缺陷進(jìn)行修復(fù)，在沿著非貫穿缺陷的位置上設(shè)置盲孔， 再采用塞棒對盲孔進(jìn)行摩擦疊焊，以實現(xiàn)對非貫穿缺陷的修復(fù)。
[0034]如附圖2所示，針對貫穿缺陷進(jìn)行修復(fù)，在管壁裂縫上設(shè)置與管道同心的搭接板， 沿搭接板的四條邊依次設(shè)置盲孔，所述盲孔貫穿搭接板，且深入管壁，前后相鄰的盲孔彼此 搭接，在盲孔內(nèi)固定設(shè)置塞棒。
[0035] 其中，搭接板完全覆蓋管壁裂縫，使裂縫位于搭接板的中間位置。盲孔和塞棒的形 狀尺寸相匹配，盲孔深入管壁的深度為管壁厚度的三分之一到二分之一，在搭接板的表面 上，所述前后相鄰的盲孔之間彼此搭接，兩個盲孔的重疊面積為盲孔面積的1/5-1/4。
[0036] 圖2展示了本發(fā)明的主要內(nèi)容，用與管道同心的搭接板把缺陷覆蓋，然后在搭接板 的周邊用摩擦疊焊焊接單元逐一疊加焊接，在搭接板四周形成一個封閉的焊縫，從而將搭 接板與管道焊接在一起，這樣便完成了對缺陷的修補(bǔ)。因為該方法是在缺陷四周鉆孔，而不 是直接在缺陷處鉆孔，所以該方法特別適用于對管道壁上貫穿缺陷的修補(bǔ)。
[0037] 基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法:按照下列步驟進(jìn)行：
[0038] 步驟1:將與管道同心的搭接板放置于管壁的貫穿缺陷處，使搭接板完全覆蓋管壁 的貫穿缺陷處；
[0039]步驟2:在搭接板邊緣處打孔，孔貫穿搭接板并深入管壁一定距離，在孔中插入一 根直徑比孔徑略小的塞棒，同時在塞棒上施加一個向下的軸向力并保持一定的進(jìn)給速度， 當(dāng)塞棒的消耗量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，塞棒停止旋轉(zhuǎn)同時給塞棒一個頂鍛力，頂鍛力維持一定時 間，然后去除位于搭接板上方的部分塞棒，以使搭接板平面整齊；
[0040] 步驟3:沿著搭接板的四條邊的邊緣重復(fù)步驟2中的打孔操作，使后一個孔與前一 個孔有一部分面積相重疊，直至相連的孔繞搭接板的四周首尾相接。
[0041] 試驗中所用塞棒和盲孔的形狀如圖4,5所示，塞棒和盲孔的形狀、尺寸相互配合， 塞棒上部圓柱直徑a為20mm，塞棒下部圓柱直徑b為16mm，塞棒底部錐柱錐度c為18°，塞棒底 部錐柱高度d為25mm，塞棒底部拐角處過渡圓弧的半徑e為2mm，盲孔錐度f為20°，搭接板平 面上的盲孔圓形直徑g為18mm，搭接板厚度h為15mm，塞棒伸入管壁的厚度i為10mm，盲孔底 部拐角處過渡圓弧的半徑j(luò)為2mm。
[0042] 塞棒及管道材料均為上海寶鋼生產(chǎn)的X65M〇鋼板，實際測試的化學(xué)成分如表1所 不。
[0043]
[0044] 表1試驗所用X65M〇鋼板化學(xué)成分
[0045]摩擦疊焊焊接的具體過程如圖3所示，首先在基體母材上預(yù)鉆一個直徑為Φ 9~ 20mm的盲孔，根據(jù)孔的形狀制作一個形狀適當(dāng)?shù)娜簦舻闹睆揭孕∮诳椎闹睆剑ㄟ^ 馬達(dá)或電機(jī)使塞棒旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速(見圖3中a)，在軸向力的推動下，塞棒端部與塞孔底 部接觸摩擦，摩擦產(chǎn)生的熱量不斷軟化塞棒金屬并發(fā)生塑性流動，在焊接壓力的作用下，塑 性變形的金屬不斷離開摩擦面填充塞棒與塞孔之間的縫隙（見圖3中b)，直到縫隙被填滿， 塞棒停止轉(zhuǎn)動，此時焊接壓力并沒用消失，反而變成壓力更大的頂鍛力(見圖3中c)，頂鍛力 保持?jǐn)?shù)秒后消失，焊接完成。而摩擦疊焊就是由許多個單孔焊縫相互重疊而成(見圖3中d、e 和f)，兩個單孔之間重合的長度根據(jù)塞棒的形狀不同一般為3_7mm。圖1為摩擦疊焊修復(fù)非 貫穿缺陷的示意圖，通過一系列的盲孔去掉非貫穿缺陷，并依次用塞棒將盲孔焊接填充。 [0046]在摩擦疊焊設(shè)備上進(jìn)行搭接焊接試驗，試驗中設(shè)置的工藝參數(shù)如表2所示，并測試 了焊接接頭的硬度分布，整體強(qiáng)度，搭接面處焊縫的抗拉強(qiáng)度，焊縫在〇°C下的沖擊韌性。
[0049] 表2摩擦錐塞焊焊接參數(shù)
[0050] 在摩擦疊焊焊機(jī)上進(jìn)行搭接實驗，在進(jìn)行搭接實驗時將整體置于水槽中，并使水 浸沒過搭接板和管道，在表2所示工藝參數(shù)下，均能得到?jīng)]有缺陷的焊接接頭，這也證明了 該方法的可行性。圖6所示為單孔焊接接頭的截面示意圖及硬度測試線，可將接頭分為焊縫 區(qū)，熱影響區(qū)，內(nèi)飛邊區(qū)，外飛邊區(qū)以及搭接板、管道。焊縫區(qū)是由塞棒材料在盲孔中由于轉(zhuǎn) 速和壓力的作用下不斷被摩擦打碎并達(dá)到塑性狀態(tài)，塑性金屬不斷填充盲孔形成的；內(nèi)飛 邊是焊縫金屬在焊接壓力的作用下飛出金屬表面形成;外飛邊是由搭接板金屬在焊縫區(qū)高 溫及高壓作用下飛出表面形成;熱影響區(qū)為搭接板及管道金屬受焊縫高溫作用形成。
[0051 ] 圖6中Ll為焊接接頭縱向中心線，L2距上表面2mm，L3距上表面23mm。根據(jù)Off shore Standard DNV-0S-F101 :Metallographic examination and hardness testing標(biāo)準(zhǔn)，通過 型號為432SVD型自動轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計對焊接接頭的硬度進(jìn)行測試，硬度值如圖7所示， 母材的硬度值在215HV10左右，由于強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用，使焊縫中心線的硬度值波動較 大，硬度最高值出現(xiàn)在中心偏下位置。觀察L2、L3硬度值可知，由焊縫中心至熔合線位置硬 度值一直增加，隨后硬度值降低。在高溫?zé)嵊绊憛^(qū)，由于焊接過程中該處溫度較高，使晶粒 明顯變大，導(dǎo)致硬度值較低;低溫?zé)嵊绊憛^(qū)晶粒較小，硬度值升高，在圖7中表現(xiàn)為L2，L3的 硬度值在熔合線之后劇烈降低，隨后升高。
[0052]為了測試接頭整體強(qiáng)度，對焊接接頭做了整體拉拔試驗(拉伸機(jī)上夾頭夾住塞棒， 下夾頭夾住固定整個焊接接頭的夾具，即此時對摩擦疊焊后的樣品不進(jìn)行去除上端塞棒的 處理），參考GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法，在長春機(jī)械院研制的型號為 DDL300的電子萬能拉伸試驗機(jī)上完成，夾頭下移速度為5mm/min。試驗結(jié)果為:斷裂位置全 部位于遠(yuǎn)離焊縫的塞棒處。說明接頭的整體焊接強(qiáng)度較好，實現(xiàn)了盲孔側(cè)壁及底部的有效 連接?？估瓘?qiáng)度是評判機(jī)械性能好壞的重要指標(biāo)，因此測試搭接面處焊縫的抗拉強(qiáng)度，試驗 結(jié)果如表3所示，所有接頭的抗拉強(qiáng)度均在570MPa以上，達(dá)到母材強(qiáng)度的85%以上。
[0053]
[0054]表3搭接面處焊縫的抗拉強(qiáng)度
[0055] 沖擊試驗參考金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法(GB/T 229-2007)在型號為JBS-300B的數(shù)顯半自動沖擊試驗機(jī)上完成。焊縫在(TC下的沖擊功最低值為50.26J，母材在量程 為300J的沖擊試驗機(jī)上未沖斷，試驗數(shù)據(jù)如表4所示，焊縫表現(xiàn)了良好的沖擊韌性，沖擊斷 口較為平整，存在很多反光的小平面，在型號為ZEISS EVO 18掃描電鏡下觀察斷口，如圖8 所示，解理臺階及河流花樣特征明顯，為典型的脆性斷裂。反光的小平面即為掃描電鏡下觀 察到的解理刻面。
[0056]
[0057] 表4 (TC下焊縫的沖擊功
[0058]以上對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認(rèn) 為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸 屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 管道貫穿缺陷的摩擦疊焊修復(fù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，在管壁裂縫上設(shè)置與管道同心的 搭接板，沿搭接板的四條邊依次設(shè)置盲孔，所述盲孔貫穿搭接板，且深入管壁，前后相鄰的 盲孔彼此搭接，在盲孔內(nèi)固定設(shè)置塞棒。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道貫穿缺陷的摩擦疊焊修復(fù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，搭接板完全 覆蓋管壁裂縫，使裂縫位于搭接板的中間位置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道貫穿缺陷的摩擦疊焊修復(fù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，在搭接板的 表面上，所述前后相鄰的盲孔之間彼此搭接，兩個盲孔的重疊面積為盲孔面積的1/5-1/4。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道貫穿缺陷的摩擦疊焊修復(fù)結(jié)構(gòu)，其特征在于，盲孔深入管 壁的深度為管壁厚度的三分之一到二分之一。5. 基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法，其特征在于，按照下列步驟進(jìn)行： 步驟1:將與管道同心的搭接板放置于管壁的貫穿缺陷處，使搭接板完全覆蓋管壁的貫 穿缺陷； 步驟2:在搭接板邊緣處打孔，孔貫穿搭接板并深入管壁，在孔中插入塞棒，同時在塞棒 上施加向下的軸向力并保持進(jìn)給速度，當(dāng)塞棒的消耗量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，塞棒停止旋轉(zhuǎn)同時 給塞棒一個頂鍛力并予以維持保壓，然后去除位于搭接板上方的部分塞棒，以使搭接板平 面整齊； 步驟3:沿著搭接板的四條邊的邊緣重復(fù)步驟2中的操作，同時在操作中使后一個孔與 前一個孔有部分面積相重疊，直至相連的孔繞搭接板的四周首尾相接。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法，其特征在 于，在步驟1中，優(yōu)選貫穿缺陷位于搭接板的中間位置。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法，其特征在 于，在步驟3中，在搭接板的表面上，相鄰的孔之間彼此搭接，兩個孔的重疊面積為孔面積的 1/5-1/4〇8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法，其特征在 于，在步驟2中，孔深入管壁的深度為管壁厚度的三分之一到二分之一。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法，其特征在 于，在步驟2中，進(jìn)給速度(轉(zhuǎn)速)為6000-7000轉(zhuǎn)/min，塞棒的消耗量大于等于15mm;軸向力 (壓力）為20_40kN，頂鍛力（頂鍛壓力）為25-45kN，且頂鍛力大于軸向力；維持保壓時間至 少8s。10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于摩擦疊焊管道貫穿缺陷的水下焊接修復(fù)方法，其特征在 于，在步驟2中，所述的孔的直徑為9-20_。
【文檔編號】B23K20/12GK105921879SQ201610445316
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】呂小青, 賈清松, 徐連勇, 韓永典, 荊洪陽
【申請人】天津大學(xué)