深水結構物維修摩擦疊焊設備研制

周燦豐，焦向東，高　輝，郭麗峰

(北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心，北京 102617)

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深水結構物維修摩擦疊焊設備研制

周燦豐，焦向東，高輝，郭麗峰

(北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心，北京 102617)

為了進行深水結構物的維修，采用可以適應深水環境并易于實現自動化的摩擦疊焊作為維修方法，以液壓作為水下摩擦焊接機頭驅動方式， 通過計算機進行主軸轉速、進給速度和壓力等焊接參數的自動控制。研制可以用于平板和管型結構物焊接的摩擦疊焊設備，使得大厚度結構物可以采用摩擦疊焊設備進行自動化焊接，液壓驅動摩擦接機頭可以滿足水下應用的需要。

摩擦疊焊；液壓驅動水下摩擦焊接機頭；摩擦焊接主軸；管型結構物焊接工裝

深水結構物的安裝施工，例如，海底管道的鋪設，是在起重鋪管船等工程船舶上采用自動焊接設備來進行連接，然后鋪設到海床之上的[1]。但是深水結構物損傷之后的維修，則只能在水下來完成。摩擦疊焊與高壓焊接等傳統的水下焊接方法相比，具有焊接參數受水深影響不大，不需要營造高壓環境等特殊空間，易于實現自動化等突出的技術優點，在深水結構物維修場合具有良好的應用前景。

摩擦疊焊的原理如圖1所示。圖1a)是單元成形過程，塞棒在大壓力、高轉速作用之下軟化，由下至上完成孔的填充，圖1a)的過程重復進行則完成裂紋的維修，如圖1b)所示。

圖1　摩擦疊焊原理

德國GKSS研究中心等單位對摩擦疊焊成形過程FHPP進行了一系列實驗研究[2-6]，北京石油化工學院也對摩擦疊焊單元過程進行了實驗研究和數值仿真研究[7-9]。但是這些研究研制的摩擦疊焊設備只能用于平板焊接，而不能用于管型結構物焊接。

在此基礎之上研制液壓驅動的以水下大厚度鋼質結構物維修為目標的摩擦疊焊設備。

1　液壓驅動水下摩擦焊接主軸設計

1.1水下摩擦焊接主軸結構

水下摩擦焊接主軸需要完成旋轉和進給兩個運動，均采用液壓驅動。焊接主軸的結構形式見圖2，主要由驅動馬達、旋轉芯軸、驅動活塞、主軸油缸和塞棒鎖緊機構組成。

圖2　水下摩擦焊接主軸

主軸油缸安裝在機架上。驅動馬達通過法蘭與驅動活塞連接，旋轉芯軸安裝在驅動馬達輸出軸上，馬達旋轉帶動旋轉芯軸旋轉，驅動活塞則完成進給運動。液壓馬達法蘭盤通過內六角螺釘與活塞連接，活塞為空芯結構。活塞芯軸與液壓馬達輸出軸連接，穿過活塞的中心孔，通過向心推力球軸承和向心深溝球軸承實現在活塞內壁的安裝和支承，摩擦焊接軸向推壓力則主要由雙列向心推力球軸承承擔。為了減輕重量、減小轉動慣量，芯軸設計成為內部空心結構。

1.2主軸液壓馬達

主軸液壓馬達選擇PARKER公司小型油馬達F11-10。F11-10的排量是10 mL/r，連續工作壓力最高為35 MPa，連續工作轉速最高為10 000 r/min，最高連續輸入流量為97 L/min，重量為7.5 kg。F11-10在28 MPa時轉矩輸出為40 N·m，能夠滿足工況要求。如果將系統壓力提高到35 MPa，液壓馬達的輸出轉矩將會得到進一步提高。

1.3主軸加壓油缸

塞棒軸向運動功率很小，焊接主軸加壓油缸采用齒輪泵供油。考慮到加壓油缸尾端要安裝液壓馬達，故此加壓油缸采用雙活塞桿結構。考慮到液壓馬達是裝在加壓油缸的活塞桿上，因此活塞桿直徑要能滿足安裝上液壓馬達，液壓馬達為前端法蘭安裝，法蘭形式為方形四孔法蘭形式。

1.4主軸材料與密封

摩擦焊接主軸頭基本材料采用不銹鋼，液壓馬達可以長期用于水下，主軸頭輸出軸端部采用耐水壓、高線速度機械密封。主軸內部安裝了轉速傳感器和磁致伸縮式位移傳感器，分別用于主軸轉速和主軸位移測量，電纜接頭硫化處理。

2　機頭及試驗臺架液壓系統設計

2.1主泵及驅動電機

主泵用于給主軸液壓馬達供油。選用軸向柱塞泵，恒壓變量方式，在其變量范圍內保持系統壓力恒定，不受泵流量變化的影響，變量泵僅供應工作必須的油液體積，如果工作壓力超過設定值，則泵自動擺回小角度。主泵電機功率應計算時，預留一定的富裕量。

2.2輔泵及驅動電機

輔泵用于給主軸加壓油缸供油。輔泵選排量3.5 mL/r內嚙合齒輪泵，電機選2.2 kW的四極電機。

2.3液壓系統原理

液壓系統原理圖如圖3所示。

圖3　液壓系統原理

液壓系統分成主回路和輔助回路兩個部分，主回路實現液壓馬達轉速調節，輔助回路實現主軸加壓油缸活塞進給速度調節，以及試驗臺架的升降油缸、夾緊油缸的作動動作。主回路中軸向柱塞泵通過先導式電磁溢流閥設定泵的工作壓力。壓差溢流閥和比例節流閥共同作用實現調速閥的功能，其優點是即使摩擦扭矩變化，主軸轉速同樣維持在設定數值，即實現了主軸液壓馬達的轉速調節，電液換向閥實現液壓馬達的正轉和反轉。液壓馬達進油口和出油口安裝了壓力表以及相應的壓力傳感器，用于壓力測量。輔助回路又分成兩個部分，即主軸加壓油缸活塞進給速度調節回路，以及試驗臺架的升降油缸、夾緊油缸的作動動作控制回路。主軸加壓油缸活塞進給速度調節回路與液壓馬達轉速調節主回路調節類似，比例調速閥實現活塞進給速度調節，電磁換向閥實現活塞下降和上升。

3　控制系統設計

水下摩擦焊接機頭控制系統主要功能為：控制主軸轉速、主軸進給(速度、壓力)，采集傳感器信息(轉速、位移、壓力、溫度等)，控制電磁閥狀態、實現液壓系統工作流程自動化。主軸液壓測控系統采用NI公司的CompactDAQ模塊化數據采集系統方案，系統原理框圖見圖4。

圖4　主軸液壓測控模塊組成

4　管型結構物焊接工裝設計

管型結構物包括海底管道，以及海洋平臺，維修時先要采用特殊設計的工裝夾緊鋼管，之后才能進行摩擦疊焊焊接維修。

管型結構焊接工裝主要由兩個伺服電機、機頭、液壓鎖緊機構、絲杠導軌、電控柜、計算機數據處理系統、主機框架以及附具等部分組成，機械系統構成見圖5。

圖5　管型結構焊接工裝機械系統構成

管型結構焊接工裝主要實現軸向移動和周向旋轉的功能。伺服電機直連行星減速機，以增加輸出力矩。周向旋轉也是通過交流伺服電機驅動，交流電機配大減速比行星齒輪減速機，通過同步帶輪驅動齒輪沿著扇形齒圈旋轉，機架由鎖緊油缸鎖定在齒圈側面的圓弧軌道上，鎖緊油缸的活塞由液壓鎖鎖定，焊接機頭通過連接板固定在垂直安裝的油缸上，兩個垂直油缸舉升機頭上升下降，以滿足更換棒塞時調整試驗空間，舉升油缸的活塞也是由液壓鎖鎖定。軸向移動距離和周向選裝角度由伺服電機通過計算機輸出，來調整位移和角度。

5　焊接試驗

5.1平板焊接試驗

采用液壓驅動水下摩擦焊接機頭進行平板焊接試驗，試驗裝置構成見圖6。

圖6　平板焊接試驗裝置構成

工件裝夾在試驗臺架的水槽內，可以沿滑臺進行縱向、橫向移動，摩擦焊接主軸在試驗臺架上可以上下移動和鎖緊，計算機通過數據采集系統采集主軸參數，并對液壓閥組進行伺服控制。焊接試驗用母材和塞棒材料均為DH36鋼，孔的深度30 mm，孔為錐形，底部為直徑10 mm的半球形，塞棒形狀與之匹配。

通過如圖7所示的焊接機頭控制系統摩擦疊焊操作界面進行參數設定。攜帶塞棒的主軸在升降油缸作用下到達預定位置，夾緊油缸夾緊。啟動自動焊接程序，塞棒以設定的進給速度、旋轉速度和壓力完成預鉆焊孔的焊接，從開始焊接到焊接結束，需要根據塞棒燒損長度 ，在不同的段內采用合適的焊接參數組合。

圖7　摩擦疊焊操作界面

進行單元成形試驗以及3個單元的搭接焊接試驗，對該試件進行超聲檢驗，結果表明焊縫質量優良。

5.2管道焊接試驗

將液壓驅動水下摩擦焊接機頭安裝在研制成功的管型結構焊接工裝上進行了管道焊接試驗，見圖8。管道直徑24″，固定在管道上的弧形工件厚度為40 mm，母材和塞棒材料均為X52鋼，孔的深度30 mm，孔為錐形，底部為直徑10 mm的半球形，塞棒形狀與之匹配。焊接試驗表明，焊接機頭定位準確、鎖緊可靠，焊接過程非常平穩。

圖8　管道焊接試驗

6　結論

1)液壓驅動水下摩擦焊接機頭主軸分別通過馬達和油缸實現塞棒的旋轉和進給， 活塞為內部空心結構，能夠有效減輕重量和轉動慣量。

2)對于摩擦疊焊，主軸轉速和位移是主要參數，分別通過轉速傳感器和位移傳感器進行測量。

3)焊接機頭控制系統實現了主軸轉速、進給速度和壓力等焊接參數的自動控制，自動焊接程序可以根據塞棒燒損長度設置合適的焊接參數組合，從而一次性完成整個孔的高質量填充。

4)管型結構物焊接工裝可以攜帶焊接機頭實現軸向移動和周向旋轉，并且在任意待焊位置進行可靠的鎖緊。

5)平板水下焊接試驗和管道焊接試驗的成功，表明該設備在功能上基本可以滿足水下大厚度鋼質結構物維修的需要。

6)如果將摩擦疊焊設備用于工程，建議：摩擦焊接主軸頭材料由鋼材改成高強度鋁合金，實現輕量化；在塞棒區域加裝排水氣罩，一方面降低降低摩擦力矩需求，另一方面解決材料水下焊接硬化導致的氫致應力腐蝕；采用更加簡單有效可靠的塞棒更換機構，利于水下作業。

[1] 周燦豐，焦向東，陳家慶，等.深水海底管線鋪設自動焊接技術研究[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 aplica??es[C]∥Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabrica??o(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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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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2011AA090302)；北京市屬高等學校長城學者培養計劃(CIT&TCD20140316)；北京市教育委員會科技計劃資助項目(KM201310017007)

周燦豐(1970-)，男，博士，教授

U671.81;TG456.5

A

1671-7953(2016)01-0147-04

研究方向:焊接與連接

E-mail:canfeng@bipt.edu.cn