深水结构物维修摩擦叠焊设备研制

周灿丰，焦向东，高　辉，郭丽峰

(北京石油化工学院 能源工程先进连接技术北京市高等学校工程研究中心，北京 102617)



深水结构物维修摩擦叠焊设备研制

周灿丰，焦向东，高辉，郭丽峰

(北京石油化工学院 能源工程先进连接技术北京市高等学校工程研究中心，北京 102617)

为了进行深水结构物的维修，采用可以适应深水环境并易于实现自动化的摩擦叠焊作为维修方法，以液压作为水下摩擦焊接机头驱动方式， 通过计算机进行主轴转速、进给速度和压力等焊接参数的自动控制。研制可以用于平板和管型结构物焊接的摩擦叠焊设备，使得大厚度结构物可以采用摩擦叠焊设备进行自动化焊接，液压驱动摩擦接机头可以满足水下应用的需要。

摩擦叠焊；液压驱动水下摩擦焊接机头；摩擦焊接主轴；管型结构物焊接工装

深水结构物的安装施工，例如，海底管道的铺设，是在起重铺管船等工程船舶上采用自动焊接设备来进行连接，然后铺设到海床之上的[1]。但是深水结构物损伤之后的维修，则只能在水下来完成。摩擦叠焊与高压焊接等传统的水下焊接方法相比，具有焊接参数受水深影响不大，不需要营造高压环境等特殊空间，易于实现自动化等突出的技术优点，在深水结构物维修场合具有良好的应用前景。

摩擦叠焊的原理如图1所示。图1a)是单元成形过程，塞棒在大压力、高转速作用之下软化，由下至上完成孔的填充，图1a)的过程重复进行则完成裂纹的维修，如图1b)所示。

图1　摩擦叠焊原理

德国GKSS研究中心等单位对摩擦叠焊成形过程FHPP进行了一系列实验研究[2-6]，北京石油化工学院也对摩擦叠焊单元过程进行了实验研究和数值仿真研究[7-9]。但是这些研究研制的摩擦叠焊设备只能用于平板焊接，而不能用于管型结构物焊接。

在此基础之上研制液压驱动的以水下大厚度钢质结构物维修为目标的摩擦叠焊设备。

1　液压驱动水下摩擦焊接主轴设计

1.1水下摩擦焊接主轴结构

水下摩擦焊接主轴需要完成旋转和进给两个运动，均采用液压驱动。焊接主轴的结构形式见图2，主要由驱动马达、旋转芯轴、驱动活塞、主轴油缸和塞棒锁紧机构组成。

图2　水下摩擦焊接主轴

主轴油缸安装在机架上。驱动马达通过法兰与驱动活塞连接，旋转芯轴安装在驱动马达输出轴上，马达旋转带动旋转芯轴旋转，驱动活塞则完成进给运动。液压马达法兰盘通过内六角螺钉与活塞连接，活塞为空芯结构。活塞芯轴与液压马达输出轴连接，穿过活塞的中心孔，通过向心推力球轴承和向心深沟球轴承实现在活塞内壁的安装和支承，摩擦焊接轴向推压力则主要由双列向心推力球轴承承担。为了减轻重量、减小转动惯量，芯轴设计成为内部空心结构。

1.2主轴液压马达

主轴液压马达选择PARKER公司小型油马达F11-10。F11-10的排量是10 mL/r，连续工作压力最高为35 MPa，连续工作转速最高为10 000 r/min，最高连续输入流量为97 L/min，重量为7.5 kg。F11-10在28 MPa时转矩输出为40 N·m，能够满足工况要求。如果将系统压力提高到35 MPa，液压马达的输出转矩将会得到进一步提高。

1.3主轴加压油缸

塞棒轴向运动功率很小，焊接主轴加压油缸采用齿轮泵供油。考虑到加压油缸尾端要安装液压马达，故此加压油缸采用双活塞杆结构。考虑到液压马达是装在加压油缸的活塞杆上，因此活塞杆直径要能满足安装上液压马达，液压马达为前端法兰安装，法兰形式为方形四孔法兰形式。

1.4主轴材料与密封

摩擦焊接主轴头基本材料采用不锈钢，液压马达可以长期用于水下，主轴头输出轴端部采用耐水压、高线速度机械密封。主轴内部安装了转速传感器和磁致伸缩式位移传感器，分别用于主轴转速和主轴位移测量，电缆接头硫化处理。

2　机头及试验台架液压系统设计

2.1主泵及驱动电机

主泵用于给主轴液压马达供油。选用轴向柱塞泵，恒压变量方式，在其变量范围内保持系统压力恒定，不受泵流量变化的影响，变量泵仅供应工作必须的油液体积，如果工作压力超过设定值，则泵自动摆回小角度。主泵电机功率应计算时，预留一定的富裕量。

2.2辅泵及驱动电机

辅泵用于给主轴加压油缸供油。辅泵选排量3.5 mL/r内啮合齿轮泵，电机选2.2 kW的四极电机。

2.3液压系统原理

液压系统原理图如图3所示。

图3　液压系统原理

液压系统分成主回路和辅助回路两个部分，主回路实现液压马达转速调节，辅助回路实现主轴加压油缸活塞进给速度调节，以及试验台架的升降油缸、夹紧油缸的作动动作。主回路中轴向柱塞泵通过先导式电磁溢流阀设定泵的工作压力。压差溢流阀和比例节流阀共同作用实现调速阀的功能，其优点是即使摩擦扭矩变化，主轴转速同样维持在设定数值，即实现了主轴液压马达的转速调节，电液换向阀实现液压马达的正转和反转。液压马达进油口和出油口安装了压力表以及相应的压力传感器，用于压力测量。辅助回路又分成两个部分，即主轴加压油缸活塞进给速度调节回路，以及试验台架的升降油缸、夹紧油缸的作动动作控制回路。主轴加压油缸活塞进给速度调节回路与液压马达转速调节主回路调节类似，比例调速阀实现活塞进给速度调节，电磁换向阀实现活塞下降和上升。

3　控制系统设计

水下摩擦焊接机头控制系统主要功能为：控制主轴转速、主轴进给(速度、压力)，采集传感器信息(转速、位移、压力、温度等)，控制电磁阀状态、实现液压系统工作流程自动化。主轴液压测控系统采用NI公司的CompactDAQ模块化数据采集系统方案，系统原理框图见图4。

图4　主轴液压测控模块组成

4　管型结构物焊接工装设计

管型结构物包括海底管道，以及海洋平台，维修时先要采用特殊设计的工装夹紧钢管，之后才能进行摩擦叠焊焊接维修。

管型结构焊接工装主要由两个伺服电机、机头、液压锁紧机构、丝杠导轨、电控柜、计算机数据处理系统、主机框架以及附具等部分组成，机械系统构成见图5。

图5　管型结构焊接工装机械系统构成

管型结构焊接工装主要实现轴向移动和周向旋转的功能。伺服电机直连行星减速机，以增加输出力矩。周向旋转也是通过交流伺服电机驱动，交流电机配大减速比行星齿轮减速机，通过同步带轮驱动齿轮沿着扇形齿圈旋转，机架由锁紧油缸锁定在齿圈侧面的圆弧轨道上，锁紧油缸的活塞由液压锁锁定，焊接机头通过连接板固定在垂直安装的油缸上，两个垂直油缸举升机头上升下降，以满足更换棒塞时调整试验空间，举升油缸的活塞也是由液压锁锁定。轴向移动距离和周向选装角度由伺服电机通过计算机输出，来调整位移和角度。

5　焊接试验

5.1平板焊接试验

采用液压驱动水下摩擦焊接机头进行平板焊接试验，试验装置构成见图6。

图6　平板焊接试验装置构成

工件装夹在试验台架的水槽内，可以沿滑台进行纵向、横向移动，摩擦焊接主轴在试验台架上可以上下移动和锁紧，计算机通过数据采集系统采集主轴参数，并对液压阀组进行伺服控制。焊接试验用母材和塞棒材料均为DH36钢，孔的深度30 mm，孔为锥形，底部为直径10 mm的半球形，塞棒形状与之匹配。

通过如图7所示的焊接机头控制系统摩擦叠焊操作界面进行参数设定。携带塞棒的主轴在升降油缸作用下到达预定位置，夹紧油缸夹紧。启动自动焊接程序，塞棒以设定的进给速度、旋转速度和压力完成预钻焊孔的焊接，从开始焊接到焊接结束，需要根据塞棒烧损长度 ，在不同的段内采用合适的焊接参数组合。

图7　摩擦叠焊操作界面

进行单元成形试验以及3个单元的搭接焊接试验，对该试件进行超声检验，结果表明焊缝质量优良。

5.2管道焊接试验

将液压驱动水下摩擦焊接机头安装在研制成功的管型结构焊接工装上进行了管道焊接试验，见图8。管道直径24″，固定在管道上的弧形工件厚度为40 mm，母材和塞棒材料均为X52钢，孔的深度30 mm，孔为锥形，底部为直径10 mm的半球形，塞棒形状与之匹配。焊接试验表明，焊接机头定位准确、锁紧可靠，焊接过程非常平稳。

图8　管道焊接试验

6　结论

1)液压驱动水下摩擦焊接机头主轴分别通过马达和油缸实现塞棒的旋转和进给， 活塞为内部空心结构，能够有效减轻重量和转动惯量。

2)对于摩擦叠焊，主轴转速和位移是主要参数，分别通过转速传感器和位移传感器进行测量。

3)焊接机头控制系统实现了主轴转速、进给速度和压力等焊接参数的自动控制，自动焊接程序可以根据塞棒烧损长度设置合适的焊接参数组合，从而一次性完成整个孔的高质量填充。

4)管型结构物焊接工装可以携带焊接机头实现轴向移动和周向旋转，并且在任意待焊位置进行可靠的锁紧。

5)平板水下焊接试验和管道焊接试验的成功，表明该设备在功能上基本可以满足水下大厚度钢质结构物维修的需要。

6)如果将摩擦叠焊设备用于工程，建议：摩擦焊接主轴头材料由钢材改成高强度铝合金，实现轻量化；在塞棒区域加装排水气罩，一方面降低降低摩擦力矩需求，另一方面解决材料水下焊接硬化导致的氢致应力腐蚀；采用更加简单有效可靠的塞棒更换机构，利于水下作业。

[1] 周灿丰，焦向东，陈家庆，等.深水海底管线铺设自动焊接技术研究[J].船海工程，2012，41(1)：96-98.

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[3] PINHEIRO G A. Local reinforcement of magnesium components by friction processing: determination of bonding mechanisms and assessment of joint properties[D]. Geesthacht: GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, 2008.

[4] Gustavo Alves Pinheiro, Alexandre Queiroz Bracarense, Paulo Villani Marques, et al. Costura por fric??o: fundamentos e aplicações[C]∥Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricaçõo(1°COBEF), 02 a 04 de abril de 2001, Curitiba-Paraná-Brasil.

[5] Axel Meyer, Dirk Pauly, Jorge F. et al. Blakemore. considerations on robotic friction stitch welding for the repair of marine structures[C]. Proceedings of 20th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, June 3-8, 2001, Rio de Janeiro, Brazil. OMAE2001/MAT-3162: 145-151.

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[8] 高辉,焦向东,周灿丰，等.Q235钢摩擦叠焊单元成形焊接接头金相组织分析[J].焊接技术，2013，42(6)：12-14.

[9] 高辉,焦向东,周灿丰，等.网格重划分技术在摩擦叠焊仿真中的应用[J].热加工工艺，2013，43(1)：161-163.

Development of a Friction Stitch Welding Equipment for Deepwater Structures Repair

ZHOU Can-feng, JIAO Xiang-dong, GAO Hui, GUO Li-feng

(Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Energy Engineering Advanced Joining Technology, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China)

To satisfy deepwater structures repair, the friction stitch welding process is selected for it can be automatically applied easily in deepwater, the friction welding head is driven by hydraulic fluid in equipment design, and automatic control of welding parameters such as rotation, feed speed and pressure of the spindle are realized by computer. The friction stitch welding equipment is developed which can produce welds in plate and tubular structure, it has been proven by welding tests that high thickness structures can be welded by the Friction Stitch Welding equipment automatically, and the friction welding head can be applied in water.

friction stitch welding; hydraulic driven underwater friction welding head; friction welding spindle; tubular structure welding jig

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.030

2015-10-10

2015-11-20

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2011AA090302)；北京市属高等学校长城学者培养计划(CIT&TCD20140316)；北京市教育委员会科技计划资助项目(KM201310017007)

周灿丰(1970-)，男，博士，教授

U671.81;TG456.5

A

1671-7953(2016)01-0147-04

研究方向:焊接与连接

E-mail:canfeng@bipt.edu.cn