基于摩擦叠焊的管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法和结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开基于摩擦叠焊的管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法和结构，将与管道同心的搭接板放置于管壁的贯穿缺陷处，使搭接板完全覆盖管壁的贯穿缺陷处，在搭接板边缘处打孔，孔贯穿搭接板并深入管壁，在孔中插入塞棒并施加向下的轴向力和进给速度，在塞棒的消耗量达到预设值时，塞棒停止旋转同时施加顶锻力，沿着搭接板的四条边的边缘重复上述步骤，直至相连的孔绕搭接板的四周首尾相接。与现有技术相比，本发明围绕搭接板四周打孔，这样就避免了直接在缺陷处打孔，而且焊接完成后，贯穿缺陷被搭接板完全覆盖住，就实现了对贯穿缺陷的修复。
【专利说明】
基于摩擦叠焊的管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法和结构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种水下管道缺陷的固相焊修复方法，特别涉及基于摩擦叠焊管道贯 穿缺陷的水下焊接修复方法和结构。
【背景技术】
[0002] 随着海洋资源的不断开发，海底钢铁结构不断增多，特别是深水的海底管道。由于 传统的焊接方法受水深的限制，因而产生了摩擦叠焊技术。摩擦叠焊(Friction Stitch Welding，FSW)属于摩擦焊接技术的一种，是英国焊接研究所继1991年左右发明搅拌摩擦焊 技术以来在固相连接技术领域的又一重大贡献，是以海洋平台和海底管道修复为主要目的 的一种固相焊接方法。
[0003] 由于摩擦叠焊的特点，使得其在水下焊接以及恶劣环境下焊接具有很大的优势， 可广泛应用于海洋平台、海底管道、船体修理等众多水下，尤其是深水钢结构的修复。传统 熔焊方法修复水下钢结构缺陷，会存在很多弊端，比如，能见度差，焊缝含氢量高，不能修复 深水钢结构等。而摩擦叠焊可有效避免这些弊端。摩擦叠焊除了具有摩擦焊的一些优点之 外，还具有对水深不敏感，易于实现自动化，环保，焊速快等优点。摩擦叠焊焊接过程简单的 来说是用旋转金属棒材(塞棒)填充在管壁上预钻盲孔的过程。
[0004] 目前，应用摩擦叠焊技术修复水下管道，一般只适用于非贯穿缺陷的修补，这是由 该技术本身特点所决定的，即通过在管壁上钻盲孔的办法去除掉管壁上的裂纹缺陷，然后 用塞棒填充盲孔，焊接过程的初始阶段对焊接质量的影响很大，而初始阶段是旋转的塞棒 的底面与盲孔底面的摩擦接触产热，产生的热量使材料发生塑性流动，进而进行接下来的 焊接过程。但是如果管壁上的缺陷是贯穿缺陷，即裂纹缺陷贯穿了管壁的整个厚度方向，为 了修补缺陷，就要将预钻在管壁上的孔洞贯穿管壁，这样预钻孔就没有底面，就无法实现塞 棒底面与孔的底面的摩擦生热，也就无法进行焊接。
【发明内容】
[0005] 本发明克服了现有技术中的缺点，提供基于摩擦叠焊的管道贯穿缺陷的水下焊接 修复方法和结构。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，在管壁裂缝上设置与管道同心的搭接 板，沿搭接板的四条边依次设置盲孔，所述盲孔贯穿搭接板，且深入管壁，前后相邻的盲孔 彼此搭接，在盲孔内固定设置塞棒。
[0008] 其中，所述的搭接板完全覆盖管壁裂缝，使裂缝位于搭接板的中间位置。
[0009] 其中所述塞棒的整体为柱形。
[0010] 其中在搭接板的表面上，所述前后相邻的盲孔之间彼此搭接，两个盲孔的重叠面 积为盲孔面积的1 /5-1 /4。
[0011] 其中盲孔深入管壁的深度为管壁厚度的三分之一到二分之一。
[0012] 其中盲孔和塞棒的形状尺寸相匹配。
[0013] 基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法:按照下列步骤进行：
[0014]步骤1:将与管道同心的搭接板放置于管壁的贯穿缺陷处，使搭接板完全覆盖管壁 的贯穿缺陷；
[0015] 步骤2:在搭接板边缘处打孔，孔贯穿搭接板并深入管壁，在孔中插入塞棒，同时在 塞棒上施加向下的轴向力并保持进给速度，当塞棒的消耗量达到预设值时，塞棒停止旋转 同时给塞棒一个顶锻力并予以维持保压，然后去除位于搭接板上方的部分塞棒，以使搭接 板平面整齐；
[0016] 步骤3:沿着搭接板的四条边的边缘重复步骤2中的操作，同时在操作中使后一个 孔与前一个孔有部分面积相重叠，直至相连的孔绕搭接板的四周首尾相接。
[0017] 在上述技术方案中，在步骤1中，优选贯穿缺陷位于搭接板的中间位置。
[0018] 在上述技术方案中，在步骤3中，在搭接板的表面上，相邻的孔之间彼此搭接，两个 孔的重叠面积为孔面积的1/5-1/4。
[0019] 在上述技术方案中，在步骤2中，孔深入管壁的深度为管壁厚度的三分之一到二分 之一。
[0020] 在上述技术方案中，孔和塞棒的形状、尺寸相匹配。
[0021 ]在上述技术方案中，在步骤2中，所述的孔的直径为9-20_。
[0022] 在上述技术方案中，在步骤2中，进给速度(转速)为6000-7000转/min，塞棒的消耗 量大于等于15mm;轴向力(压力）为20-40kN，顶锻力（顶锻压力）为25-45kN，且顶锻力大于 轴向力;维持保压时间至少8s。
[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:相比于常规摩擦叠焊修复缺陷的方法，本 发明是围绕搭接板四周打孔，这样就避免了直接在缺陷处打孔，而且焊接完成后，贯穿缺陷 被搭接板完全覆盖住，就实现了对贯穿缺陷的修复，也就克服了常规摩擦叠焊修复方法不 能对贯穿缺陷修补这一不足。
【附图说明】
[0024] 图1是摩擦叠焊修复非贯穿缺陷的示意图；其中1为管道，2为已焊接完成的单孔的 焊缝，3为盲孔，4为塞棒，5为管道壁上的非贯穿缺陷。
[0025] 图2是摩擦叠焊搭接修复贯穿缺陷示意图；其中1为管道，2为搭接板，3为盲孔，4为 塞棒，5为已焊接完成的单孔的焊缝。
[0026] 图3是摩擦叠焊焊接过程示意图；1为旋转的塞棒，2为盲孔，3为焊接压力，4为顶锻 力，5为消耗量。
[0027]图4是塞棒主要尺寸示意图；a为塞棒上部圆柱直径，b为塞棒下部圆柱直径，c为塞 棒底部锥柱锥度，d为塞棒底部锥柱高度，e为塞棒底部拐角处过渡圆弧的半径。
[0028]图5是盲孔的主要尺寸示意图；a为盲孔锥度，b为搭接板平面上的盲孔圆形直径，c 为搭接板厚度，d为塞棒伸入管壁的厚度，e为盲孔底部拐角处过渡圆弧的半径。
[0029]图6是单孔摩擦叠焊搭接接头宏观形貌示意图及硬度测试点位置;1为管道，2为搭 接板，3为热影响区，4为塞棒，5为内飞边，6为外飞边，7为单孔焊缝，L1、L2、L3为硬度测试点 位置，Ll为焊缝中心线，L2距上表面2mm，L3距上表面23mm。
[0030] 图7是接头硬度值分布图。
[0031] 图8是焊缝扫描电镜结果示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
[0033]如附图1所示，针对非贯穿缺陷进行修复，在沿着非贯穿缺陷的位置上设置盲孔， 再采用塞棒对盲孔进行摩擦叠焊，以实现对非贯穿缺陷的修复。
[0034]如附图2所示，针对贯穿缺陷进行修复，在管壁裂缝上设置与管道同心的搭接板， 沿搭接板的四条边依次设置盲孔，所述盲孔贯穿搭接板，且深入管壁，前后相邻的盲孔彼此 搭接，在盲孔内固定设置塞棒。
[0035] 其中，搭接板完全覆盖管壁裂缝，使裂缝位于搭接板的中间位置。盲孔和塞棒的形 状尺寸相匹配，盲孔深入管壁的深度为管壁厚度的三分之一到二分之一，在搭接板的表面 上，所述前后相邻的盲孔之间彼此搭接，两个盲孔的重叠面积为盲孔面积的1/5-1/4。
[0036] 图2展示了本发明的主要内容，用与管道同心的搭接板把缺陷覆盖，然后在搭接板 的周边用摩擦叠焊焊接单元逐一叠加焊接，在搭接板四周形成一个封闭的焊缝，从而将搭 接板与管道焊接在一起，这样便完成了对缺陷的修补。因为该方法是在缺陷四周钻孔，而不 是直接在缺陷处钻孔，所以该方法特别适用于对管道壁上贯穿缺陷的修补。
[0037] 基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法:按照下列步骤进行：
[0038] 步骤1:将与管道同心的搭接板放置于管壁的贯穿缺陷处，使搭接板完全覆盖管壁 的贯穿缺陷处；
[0039]步骤2:在搭接板边缘处打孔，孔贯穿搭接板并深入管壁一定距离，在孔中插入一 根直径比孔径略小的塞棒，同时在塞棒上施加一个向下的轴向力并保持一定的进给速度， 当塞棒的消耗量达到预设值时，塞棒停止旋转同时给塞棒一个顶锻力，顶锻力维持一定时 间，然后去除位于搭接板上方的部分塞棒，以使搭接板平面整齐；
[0040] 步骤3:沿着搭接板的四条边的边缘重复步骤2中的打孔操作，使后一个孔与前一 个孔有一部分面积相重叠，直至相连的孔绕搭接板的四周首尾相接。
[0041] 试验中所用塞棒和盲孔的形状如图4,5所示，塞棒和盲孔的形状、尺寸相互配合， 塞棒上部圆柱直径a为20mm，塞棒下部圆柱直径b为16mm，塞棒底部锥柱锥度c为18°，塞棒底 部锥柱高度d为25mm，塞棒底部拐角处过渡圆弧的半径e为2mm，盲孔锥度f为20°，搭接板平 面上的盲孔圆形直径g为18mm，搭接板厚度h为15mm，塞棒伸入管壁的厚度i为10mm，盲孔底 部拐角处过渡圆弧的半径j为2mm。
[0042] 塞棒及管道材料均为上海宝钢生产的X65M〇钢板，实际测试的化学成分如表1所 不。
[0043]
[0044] 表1试验所用X65M〇钢板化学成分
[0045]摩擦叠焊焊接的具体过程如图3所示，首先在基体母材上预钻一个直径为Φ 9~ 20mm的盲孔，根据孔的形状制作一个形状适当的塞棒，塞棒的直径要略小于孔的直径，通过 马达或电机使塞棒旋转到预设的转速(见图3中a)，在轴向力的推动下，塞棒端部与塞孔底 部接触摩擦，摩擦产生的热量不断软化塞棒金属并发生塑性流动，在焊接压力的作用下，塑 性变形的金属不断离开摩擦面填充塞棒与塞孔之间的缝隙（见图3中b)，直到缝隙被填满， 塞棒停止转动，此时焊接压力并没用消失，反而变成压力更大的顶锻力(见图3中c)，顶锻力 保持数秒后消失，焊接完成。而摩擦叠焊就是由许多个单孔焊缝相互重叠而成(见图3中d、e 和f)，两个单孔之间重合的长度根据塞棒的形状不同一般为3_7mm。图1为摩擦叠焊修复非 贯穿缺陷的示意图，通过一系列的盲孔去掉非贯穿缺陷，并依次用塞棒将盲孔焊接填充。 [0046]在摩擦叠焊设备上进行搭接焊接试验，试验中设置的工艺参数如表2所示，并测试 了焊接接头的硬度分布，整体强度，搭接面处焊缝的抗拉强度，焊缝在〇°C下的冲击韧性。
[0049] 表2摩擦锥塞焊焊接参数
[0050] 在摩擦叠焊焊机上进行搭接实验，在进行搭接实验时将整体置于水槽中，并使水 浸没过搭接板和管道，在表2所示工艺参数下，均能得到没有缺陷的焊接接头，这也证明了 该方法的可行性。图6所示为单孔焊接接头的截面示意图及硬度测试线，可将接头分为焊缝 区，热影响区，内飞边区，外飞边区以及搭接板、管道。焊缝区是由塞棒材料在盲孔中由于转 速和压力的作用下不断被摩擦打碎并达到塑性状态，塑性金属不断填充盲孔形成的；内飞 边是焊缝金属在焊接压力的作用下飞出金属表面形成;外飞边是由搭接板金属在焊缝区高 温及高压作用下飞出表面形成;热影响区为搭接板及管道金属受焊缝高温作用形成。
[0051 ] 图6中Ll为焊接接头纵向中心线，L2距上表面2mm，L3距上表面23mm。根据Off shore Standard DNV-0S-F101 :Metallographic examination and hardness testing标准，通过 型号为432SVD型自动转塔数显维氏硬度计对焊接接头的硬度进行测试，硬度值如图7所示， 母材的硬度值在215HV10左右，由于强烈的机械搅拌作用，使焊缝中心线的硬度值波动较 大，硬度最高值出现在中心偏下位置。观察L2、L3硬度值可知，由焊缝中心至熔合线位置硬 度值一直增加，随后硬度值降低。在高温热影响区，由于焊接过程中该处温度较高，使晶粒 明显变大，导致硬度值较低;低温热影响区晶粒较小，硬度值升高，在图7中表现为L2，L3的 硬度值在熔合线之后剧烈降低，随后升高。
[0052]为了测试接头整体强度，对焊接接头做了整体拉拔试验(拉伸机上夹头夹住塞棒， 下夹头夹住固定整个焊接接头的夹具，即此时对摩擦叠焊后的样品不进行去除上端塞棒的 处理），参考GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法，在长春机械院研制的型号为 DDL300的电子万能拉伸试验机上完成，夹头下移速度为5mm/min。试验结果为:断裂位置全 部位于远离焊缝的塞棒处。说明接头的整体焊接强度较好，实现了盲孔侧壁及底部的有效 连接。抗拉强度是评判机械性能好坏的重要指标，因此测试搭接面处焊缝的抗拉强度，试验 结果如表3所示，所有接头的抗拉强度均在570MPa以上，达到母材强度的85%以上。
[0053]
[0054]表3搭接面处焊缝的抗拉强度
[0055] 冲击试验参考金属材料夏比摆锤冲击试验方法(GB/T 229-2007)在型号为JBS-300B的数显半自动冲击试验机上完成。焊缝在(TC下的冲击功最低值为50.26J，母材在量程 为300J的冲击试验机上未冲断，试验数据如表4所示，焊缝表现了良好的冲击韧性，冲击断 口较为平整，存在很多反光的小平面，在型号为ZEISS EVO 18扫描电镜下观察断口，如图8 所示，解理台阶及河流花样特征明显，为典型的脆性断裂。反光的小平面即为扫描电镜下观 察到的解理刻面。
[0056]
[0057] 表4 (TC下焊缝的冲击功
[0058]以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认 为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归 属于本发明的专利涵盖范围之内。
【主权项】
1. 管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，其特征在于，在管壁裂缝上设置与管道同心的 搭接板，沿搭接板的四条边依次设置盲孔，所述盲孔贯穿搭接板，且深入管壁，前后相邻的 盲孔彼此搭接，在盲孔内固定设置塞棒。2. 根据权利要求1所述的管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，其特征在于，搭接板完全 覆盖管壁裂缝，使裂缝位于搭接板的中间位置。3. 根据权利要求1所述的管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，其特征在于，在搭接板的 表面上，所述前后相邻的盲孔之间彼此搭接，两个盲孔的重叠面积为盲孔面积的1/5-1/4。4. 根据权利要求1所述的管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，其特征在于，盲孔深入管 壁的深度为管壁厚度的三分之一到二分之一。5. 基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法，其特征在于，按照下列步骤进行： 步骤1:将与管道同心的搭接板放置于管壁的贯穿缺陷处，使搭接板完全覆盖管壁的贯 穿缺陷； 步骤2:在搭接板边缘处打孔，孔贯穿搭接板并深入管壁，在孔中插入塞棒，同时在塞棒 上施加向下的轴向力并保持进给速度，当塞棒的消耗量达到预设值时，塞棒停止旋转同时 给塞棒一个顶锻力并予以维持保压，然后去除位于搭接板上方的部分塞棒，以使搭接板平 面整齐； 步骤3:沿着搭接板的四条边的边缘重复步骤2中的操作，同时在操作中使后一个孔与 前一个孔有部分面积相重叠，直至相连的孔绕搭接板的四周首尾相接。6. 根据权利要求5所述的基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法，其特征在 于，在步骤1中，优选贯穿缺陷位于搭接板的中间位置。7. 根据权利要求5所述的基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法，其特征在 于，在步骤3中，在搭接板的表面上，相邻的孔之间彼此搭接，两个孔的重叠面积为孔面积的 1/5-1/4〇8. 根据权利要求5所述的基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法，其特征在 于，在步骤2中，孔深入管壁的深度为管壁厚度的三分之一到二分之一。9. 根据权利要求5所述的基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法，其特征在 于，在步骤2中，进给速度(转速)为6000-7000转/min，塞棒的消耗量大于等于15mm;轴向力 (压力）为20_40kN，顶锻力（顶锻压力）为25-45kN，且顶锻力大于轴向力；维持保压时间至 少8s。10. 根据权利要求5所述的基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复方法，其特征在 于，在步骤2中，所述的孔的直径为9-20_。
【文档编号】B23K20/12GK105921879SQ201610445316
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】吕小青, 贾清松, 徐连勇, 韩永典, 荆洪阳
【申请人】天津大学