[发明专利]摩擦叠焊方法和实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接方法和其实验装置，尤其是可实现连接的固态焊接方法及采用该方法进行平板焊接、管道焊接和水下焊接的实验装置。

背景技术

当前应用的焊接方法种类非常繁多，以适应各种的连接状况和对不同材料的焊接。摩擦焊接是在压力作用下，通过待焊界面的摩擦使界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性变形与流动，通过界面上的扩散及再结晶冶金反应而实现连接的固态焊接方法。摩擦焊接具备接头质量高、适合异种材料的连接、生产效率高、尺寸精度高、设备易于机械化自动化、环境清洁等突出优点。特别地，对于电弧焊接应用困难的某些场合，例如水下钢结构修复，属于固相焊接的摩擦焊接具备独特的环境适应优势。

可供选择的水下连接方法分为3类，即机械连接器、电弧焊接和固相焊接。机械连接器结构简单、相对便宜、安装迅速且连接质量与水深无关，但是其长期可靠性这一敏感问题的依然存在使得其应用受到限制。电弧焊接分为湿式焊接、局部干式焊接、干式高压焊接和干式常压焊接。湿式焊接、局部干式焊接接头质量较低，通常用于浅水、非重要结构修复。干式高压焊接可以获得高质量的焊缝，目前广泛应用的水下干式维修系统采用轨道式钨极氩弧焊接，但是因为电弧稳定性降低，通常用于300m水深以浅。钨极氩弧焊接的变异方式等离子弧焊接以及熔化极气体保护焊接可以实现1000m水深以深压力下的焊接，但是，实施成本高昂、难以实现全自动化，并且难以应用于海底管道之外的海洋平台等其它钢结构的维修。干式常压焊接则比干式高压焊接的成本更高，难以推广应用。属于固相焊接的爆炸焊接，因为对于实施安全性的担心，未能推广应用。同样属于固相焊接的摩擦焊接，则在海洋工程之中得到了比较广泛的应用，例如，摩擦螺柱焊设备在水下遥控机器人的支持下，完成了水深接近400米的海底立管阳极附件焊接。但是，这种摩擦焊接只能完成类似螺柱连接的简单任务，不能完成海底管道破损、海洋平台裂纹的修复等复杂任务。

为了降低水下维修作业成本、提高修复质量，特别是适应海洋石油开发已经进入超深水域的需要，本发明提出了摩擦叠焊这种新型的焊接方法，以及用于该焊接方法研究的摩擦叠焊实验装置。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种在待焊体上预钻孔，插入塞棒，使塞棒高速旋转，并同时施以轴向压力，受热熔融塞棒及焊孔，使其表面结晶冶金反应形成焊接单元，一系列焊接单元相互搭接成完整焊缝的摩擦叠焊方法；本发明的又一目的在于提供一种由底座、移动滑台、工件夹具、横梁和控制台组成的实现该方法的实验装置。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种摩擦叠焊方法，该方法包括下列步骤：在待焊体(1)上钻焊孔(11)，使用直径略小于焊孔(11)的塞棒(2)在焊孔(11)中高速旋转，并轴向施加压力P，使塞棒(2)与焊孔(11)的接触面受热熔融，并进行结晶冶金反应形成一个焊接单元(3)，完成一系列焊接单元(3)的相互搭接，而构成完整的叠焊焊缝(4)。

用于实现该方法的实验装置，主要由底座(5)、移动滑台(6)、工件夹具(7)、横梁(8)、摩擦主轴头(9)和控制台(10)组成，其中：在底座(5)上螺接有横梁(8)，其上还设置有摩擦主轴头(9)，在底座(5)上安装有移动滑台(6)，工件夹具(7)与连接板(61)固定，由固定在滑道(62)的驱动油缸(63)驱动工件夹具(7)沿滑道(62)上滑行，通过控制台(10)按计算机软件自动控制摩擦主轴头(9)的转速，下降速度，轴向压力P，位置坐标等焊接参数。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明焊接质量优良，焊接效率高，并可广泛应用于海洋平台，海底管道，船体修理等众多水下，尤其深水钢结构的修复，其焊接参数不受水深影响，浅水参数可以直接应用于深水，作业在水中直接实施，不需要营造高压环境等特殊空间，可以与水下遥控机器人配套，实现全套作业自动化，可突破人类饱和潜水深度限制，从而有可能真正促使水下连接技术应用于深水。

2、本发明实验装置所用的摩擦主轴头采用高压液压缸，大流量液压马达驱动，摩擦主轴头的密封设计，使其能用于水下，通过更换夹具，既可用于平板焊接，也可用于管道焊接，采用配套水槽，可使塞棒没于水中，可以进行水下摩擦叠焊实验。本发明结构简单，工作可靠，使用维护修理简易。

附图说明

图1A为本发明摩擦叠焊方法原理剖视图

图1B为本发明图1A的A-A剖视示意图

图2A为本发明摩擦叠焊实验装置结构总体立体示意图