水下摩擦叠焊质量提高方法技术

本发明专利技术公开水下摩擦叠焊质量提高方法，采用间隔焊接方式，先焊接奇数单元焊缝，再焊接偶数单元焊缝，这样来避免钻头的偏斜，提高钻孔质量乃至焊接质量，同时偶数单元焊缝的钻孔深度要大于奇数单元焊缝的钻孔深度，从而防止在偶数单元焊缝焊接时奇数单元焊缝的开裂。本发明专利技术在摩擦叠焊水下施焊止裂及提高焊接质量方面取得突破，使其在水下的应用成为可能，对其在深水焊接及修复中的应用及推广，有着深远的意义。

Quality improvement method of underwater friction overlap welding

The invention discloses a method for improving the quality of underwater friction overlapping welding, which adopts interval welding mode, first welds odd unit weld, then welds even unit weld, so as to avoid deviation of drill bit, improve drilling quality and even welding quality, and at the same time, the drilling depth of even unit weld is greater than that of odd unit weld. Thereby preventing cracking of odd number element weld during even number unit weld. The invention has made breakthroughs in friction overlapping underwater welding crack arrest and improvement of welding quality, making it possible for underwater application, and has far-reaching significance for its application and popularization in deep water welding and repair.

【技术实现步骤摘要】
水下摩擦叠焊质量提高方法
本专利技术属于水下焊接质量控制
，更加具体地说，涉及一种提升水下摩擦叠焊质量的方法。
技术介绍
海洋领域是二十一世纪全世界关注的焦点之一。我国在近年对海洋领域的关注度与日俱增。二十一世纪可以说是我国由近海走向远海、由浅海走向深海，实现海洋强国之梦的世纪。先进的水下焊接、切割、修复技术是海洋工程建设、维护的重要技术保障之一。海洋结构物的连接与修复要根据其水深、结构形式以及重要性等因素，选择合适的水下连接方法。机械连接器安装简单、不受水深影响，但有时会降低结构物性能，价格也不便宜；湿式焊接、半干式焊接因为焊接质量较差，不能应用于重要结构物焊接及修复，应用水深通常为40m以内；高压干式焊接接头的质量好，与陆地焊接的质量相当，但干式舱建造费用昂贵，若焊接水深过深，过高的舱内压力将导致焊接电弧稳定性大幅下降。我国目前只能独立开展浅水牺牲阳极等非重要结构物的水下湿式焊接或者半干式焊接。海底管道等重要结构物的修复则主要依靠国外的设备、技术和服务，修复代价高。因此，开发对水深不敏感、焊接质量好、自动化程度高、适用于重要水下结构物的焊接方法及设备成为了亟待解决的问题。摩擦焊(FrictionWelding)是在外力作用下，利用工件接触面之间相对摩擦所产生的热量，使其摩擦接触面及其附近区域的金属达到塑性状态并产生宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。摩擦焊具有焊接接头质量稳定、焊接效率高、易于实现自动化、节能、无污染等技术特点。因此水下摩擦焊技术成为了深水焊接与修复关注的热点。英国焊接研究所于1992年专利技术的摩擦叠焊技术是一项以海洋平台、海底管道修复为主要目的的固相连接技术，可以作为高压干式焊接技术的有效补充。摩擦叠焊作为水下焊接技术的一项重要分支与其它水下焊接方法相比有其突出的优点，对于有水环境和高压环境影响的敏感性相对较小，既能用于浅水也能用于3500m深水，既能用于海底管道维修也能用于海洋平台的修复，焊接过程可以直接在水中进行而不需要干式舱的支持。此外，该技术能够方便地采用机器人或焊接专机作业，容易发展成为深水应用所要求的无潜水员式全自动作业系统。摩擦叠焊的基本原理是由一系列摩擦叠焊单元成形过程相互搭接而成，如附图1所示。摩擦叠焊可用两种不同的技术来实现，一种采用圆柱孔和塞棒，另一种采用锥孔和塞棒，如附图1所示。当海洋结构出现表面裂纹时，在结构物表面打孔并焊接的方式来完成修复。水下摩擦叠焊以及单元焊缝在施焊过程中，收到水环境的强烈冷却作用，在焊接起始阶段往往热量不足，在塞孔底部圆角区域留下缺陷以及结合强度小等问题。因为水下淬硬作用明显，焊缝硬度一般很高，在后续单元焊缝钻孔过程中会引起钻头偏斜，塞孔精度出现问题，两侧圆角区域质量出现差异，且有一侧明显变坏。在后续单元焊缝施焊过程中也会施加大的焊接压力，结合强度不足的先焊单元焊缝(尤其实在圆角位置)在此力的作用下会出现开裂问题。这些缺陷及问题的存在，阻碍摩擦叠焊技术的推广。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，针对摩擦叠焊施焊环境及技术特点带来的问题，提供一种用于水下摩擦叠焊止裂并提高焊接质量的方法。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：水下摩擦叠焊质量提高方法，采用间隔焊接方式，先焊接奇数单元焊缝，再焊接偶数单元焊缝，以避免钻头的偏斜，提高钻孔质量乃至焊接质量；偶数单元焊缝的钻孔深度要大于奇数单元焊缝的钻孔深度，一是为了能去除一部分紧邻先焊单元焊缝的缺陷或薄弱部位，此外还会使作用在薄弱区域的力或力矩的位置发生相应的改变，从而防止在偶数单元焊缝焊接时奇数单元焊缝的开裂。在上述技术方案中，选择碳含量低(用于提高塞棒的焊接性)、碳当量也低(用于降低水下焊接的淬硬倾向)的塞棒材料，来增加摩擦叠焊的可焊性，并降低接头硬度，例如ASTMA350LF2，X65，Q345钢。在上述技术方案中，增大焊接起始阶段塞棒与塞孔的接触面积，以提高摩擦产热，进而改善焊接起始阶段的塑性材料流动，减少甚至消除圆角区域缺陷。通常塞棒端部和塞孔底部要留有适当间隙，利用塑性材料流动；塞棒塞孔底部接触面积要尽量大一些；塞棒端部和塞孔底部倒角彼此配合。在上述技术方案中，焊接过程中施加合适的焊接压力。焊接压力的提高有利于当前所焊单元焊缝的质量，但是对于先焊焊缝也有一个较大的力和力矩的作用，造成开裂，因此焊接压力要适中，通常在30kN-35kN。在上述技术方案中，转速为7000—8000rpm，顶锻压力为35—40kN，保压时间为8—10s，消耗量为12—15mm。在上述技术方案中，偶数单元焊缝的钻孔深度比奇数单元焊缝的钻孔深度深至少10％，优选15—20％。在上述技术方案中，奇数和偶数焊接单元的截面(即奇数焊接单元和偶数焊接单元的塞孔的横截面)为等面积的圆形，相邻焊接单元的重叠面积为圆形截面的20—30％，优选25—30％，即奇数焊接单元和偶数焊接单元的塞孔的横截面的重叠面积/奇数焊接单元塞孔的横截面积。采用本专利技术的技术方案，可以在摩擦叠焊水下施焊时，减少或避免开裂，并提高焊接质量。本专利技术在摩擦叠焊水下施焊止裂及提高焊接质量方面取得突破，使其在水下的应用成为可能，对其在深水焊接及修复中的应用及推广，有着深远的意义。附图说明图1是本专利技术中摩擦叠焊基本原理的示意图。图2是本专利技术技术方案中间隔焊接方式的示意图，其中1为奇数焊接区域，2为偶数焊接区域。图3是本专利技术实施例中使用的塞棒和塞孔的结构示意图。图4是本专利技术实施例中焊接方案的结构示意图，其中1为试样，2为第一焊接区域，3为第三焊接区域，4-1为深度为13mm的塞孔，4-2为深度为16mm的塞孔，4-3为深度为19mm的塞孔。图5是本专利技术实施例中的中间孔深13mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图。图6是本专利技术实施例中的中间孔深16mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图。图7是本专利技术实施例中的中间孔深19mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图(1)。图8是本专利技术实施例中的中间孔深19mm的摩擦叠焊接头的形貌测试图(2)，其中(a)为整体形貌，(b)和(c)为各自部位的局部放大图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。在以DH36钢为母材的埋弧焊缝上进行摩擦叠焊研究。两侧塞孔(奇数焊接区域)的塞棒材料为Q345钢，中间塞孔(偶数焊接区域)的塞棒材料为X65钢。附表1和附表2为DH36、埋弧焊缝金属(Arcweld)、Q345钢和X65钢的主要成分和基本力学性能。附表3为摩擦叠焊实验的工艺参数。D13、D16和D19分别代表偶数孔深为13mm、16mm和19mm的塞棒，具体塞孔和塞棒结构如下(mm，°)：a:150，b:132，c:60，d:50，e:f:g:19°，h:R3，i:j:25°，k:16附表1试验材料化学成分(wt％)材料/元素CMnSiSPCuNiCrMoVFeCEDH360.150.900.500.0350.0350.0120.0100.0340.0040.047余量0.32Arcweld0.061.110.470.0070.0110.090.870.010.002---余量---Q3450.171.500.550.0400.0350.0160.0130.0230.002---本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水下摩擦叠焊质量提高方法，其特征在于，采用间隔焊接方式，先焊接奇数单元焊缝，再焊接偶数单元焊缝，奇数和偶数焊接单元的截面(即奇数焊接单元和偶数焊接单元的塞孔的横截面)为等面积的圆形，相邻焊接单元的重叠面积为圆形截面的20—30％；偶数单元焊缝的钻孔深度要大于奇数单元焊缝的钻孔深度，偶数单元焊缝的钻孔深度比奇数单元焊缝的钻孔深度深至少10％。

【技术特征摘要】
1.水下摩擦叠焊质量提高方法，其特征在于，采用间隔焊接方式，先焊接奇数单元焊缝，再焊接偶数单元焊缝，奇数和偶数焊接单元的截面(即奇数焊接单元和偶数焊接单元的塞孔的横截面)为等面积的圆形，相邻焊接单元的重叠面积为圆形截面的20—30％；偶数单元焊缝的钻孔深度要大于奇数单元焊缝的钻孔深度，偶数单元焊缝的钻孔深度比奇数单元焊缝的钻孔深度深至少10％。2.根据权利要求1所述的水下摩擦叠焊质量提高方法，其特征在于，偶数单元焊缝的钻孔深度比奇数单元焊缝的钻孔深度深15—20...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东坡，陈斯亮，王志江，滕金虎，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12