管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开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。与现有技术相比，相比于常规摩擦叠焊修复缺陷的方法，本实用新型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。
【专利说明】
管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构
技术领域
[0001 ]本实用新型属于管道缺陷修复技术领域，更加具体地说，涉及一种水下管道缺陷 的固相焊修复结构，特别涉及基于摩擦叠焊管道贯穿缺陷的水下焊接修复结构。
【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年左右实用新型搅拌摩 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。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型克服了现有技术中的缺点，提供一种管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结 构，旨在能够满足水下施工条件的要求，方便快捷地实现对管道贯穿缺陷的修复，同时又能 够较少的调整现有摩擦叠焊的工艺参数。
[0006] 为了解决上述技术问题，本实用新型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 的贯穿缺陷处；
[0015]步骤2:在搭接板边缘处打盲孔，盲孔贯穿搭接板并深入管壁，在盲孔中插入一根 直径比孔径略小的塞棒，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顶锻力并维持；
[0016]步骤3:沿着搭接板的四条边的边缘重复步骤2中的打盲孔操作，使后一个盲孔与 前一个盲孔有一部分面积相重叠，直至相连的盲孔绕搭接板的四周首尾相接，即可实现管 道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构。
[0017]在上述技术方案中，在步骤2中，所述的盲孔的直径为9-20mm。
[0018] 在上述技术方案中，在步骤2中，所述的顶锻力大于轴向力。
[0019] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:相比于常规摩擦叠焊修复缺陷的方 法，本实用新型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】
[0020]图1为本实用新型的结构不意图。
[0021] 图2为塞棒结构示意图。
[0022] 图3为塞棒与搭接板连接处局部示意图。
[0023]图4为焊接局部结构示意图。
[0024]图5为实施例中测定硬度的曲线。
[0025]其中1为管壁，2为搭接板，3为盲孔，4为塞棒，5为焊缝，6为热影响区，7为内飞边，8 为外飞边，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，f为盲孔锥度，g为搭接板平面上的盲 孔圆形直径，h为搭接板厚度，i为塞棒伸入管壁的厚度，j为盲孔底部拐角处过渡圆弧的半 径。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图与具体的实施方式对本实用新型作进一步详细描述：
[0027]如附图1 一4所示，一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。
[0028] 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。
[0029] 其中，所述的前后的盲孔之间的重叠面积为孔面积的1/4。
[0030] 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：
[0031]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，
[0032] 步骤2:在搭接板边缘处打盲孔，盲孔贯穿搭接板并深入管壁一定距离，在盲孔中 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，
[0033] 步骤3:沿着搭接板的四条边的边缘重复步骤2中的打盲孔操作，使后一个盲孔与 前一个盲孔有一部分面积相重叠，直至相连的盲孔绕搭接板的四周首尾相接。
[0034] 在上述技术方案中，在步骤2中，所述的盲孔的直径为10mm。采用上述技术方案进 行实际测试如下：
[0035] 1.钢管材料
[0036]试验所用钢管为上海宝钢生产的X65M〇钢管，实际测试的化学成分如下表所示。
[0037]
[0038] 表1X65MO钢管化学成分
[0039] 2.塞棒与盲孔的形状与尺寸
[0040] 试验所用的塞棒及盲孔的形状如图2和图3所示，其中塞棒上部圆柱直径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〇
[0041] 3.硬度测试
[0042] 根据Offshore Standard DNV-0S-F101 :Metallographic examination and hardness testing标准，在摩擦叠焊焊机上进行搭接实验，焊接深25mm、直径18mm的盲孔， 用直径16mm的塞棒，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。实验中设置的工艺参数如表2所示，试验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0 °C下的冲击韧性。
[0044] 表2摩擦锥塞焊焊接参数
[0045] 如图4中所示，L1为焊接接头纵向中心线，L2距上表面2mm，L3距焊接接头底部2mm， 硬度值如图5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5中 L2，L3表现为硬度值在熔合线之后剧烈降低，随后升高。
[0046] 以上对本实用新型进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例， 不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型申请范围所作的均等变化与 改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。
【主权项】
1. 一种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所述的一种管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，其特征在于，所述的 搭接板完全覆盖管壁裂缝，裂缝位于搭接板的中间位置。3. 根据权利要求1所述的一种管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，其特征在于，所述塞 棒的整体为柱形。4. 根据权利要求1所述的一种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1/5-1/4〇5. 根据权利要求1所述的一种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。6. 根据权利要求1所述的一种管道贯穿缺陷的摩擦叠焊修复结构，其特征在于，盲孔和 塞棒的形状尺寸相匹配。
【文档编号】B23K20/12GK205684900SQ201620615081
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月16日 公开号201620615081.0, CN 201620615081, CN 205684900 U, CN 205684900U, CN-U-205684900, CN201620615081, CN201620615081.0, CN205684900 U, CN205684900U
【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