周燦豐，焦向東，高　輝，郭麗峰

(北京石油化工學(xué)院 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 102617)

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深水結(jié)構(gòu)物維修摩擦疊焊設(shè)備研制

周燦豐，焦向東，高輝，郭麗峰

(北京石油化工學(xué)院 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 102617)

為了進(jìn)行深水結(jié)構(gòu)物的維修，采用可以適應(yīng)深水環(huán)境并易于實(shí)現(xiàn)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(jī)頭驅(qū)動方式， 通過計算機(jī)進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和壓力等焊接參數(shù)的自動控制。研制可以用于平板和管型結(jié)構(gòu)物焊接的摩擦疊焊設(shè)備，使得大厚度結(jié)構(gòu)物可以采用摩擦疊焊設(shè)備進(jìn)行自動化焊接，液壓驅(qū)動摩擦接機(jī)頭可以滿足水下應(yīng)用的需要。

摩擦疊焊；液壓驅(qū)動水下摩擦焊接機(jī)頭；摩擦焊接主軸；管型結(jié)構(gòu)物焊接工裝

深水結(jié)構(gòu)物的安裝施工，例如，海底管道的鋪設(shè)，是在起重鋪管船等工程船舶上采用自動焊接設(shè)備來進(jìn)行連接，然后鋪設(shè)到海床之上的[1]。但是深水結(jié)構(gòu)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(tǒng)的水下焊接方法相比，具有焊接參數(shù)受水深影響不大，不需要營造高壓環(huán)境等特殊空間，易于實(shí)現(xiàn)自動化等突出的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在深水結(jié)構(gòu)物維修場合具有良好的應(yīng)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(zhuǎn)速作用之下軟化，由下至上完成孔的填充，圖1a)的過程重復(fù)進(jìn)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(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究[2-6]，北京石油化工學(xué)院也對摩擦疊焊單元過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真研究[7-9]。但是這些研究研制的摩擦疊焊設(shè)備只能用于平板焊接，而不能用于管型結(jié)構(gòu)物焊接。

在此基礎(chǔ)之上研制液壓驅(qū)動的以水下大厚度鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物維修為目標(biāo)的摩擦疊焊設(shè)備。

1　液壓驅(qū)動水下摩擦焊接主軸設(shè)計

1.1水下摩擦焊接主軸結(jié)構(gòu)

水下摩擦焊接主軸需要完成旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給兩個運(yùn)動，均采用液壓驅(qū)動。焊接主軸的結(jié)構(gòu)形式見圖2，主要由驅(qū)動馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)芯軸、驅(qū)動活塞、主軸油缸和塞棒鎖緊機(jī)構(gòu)組成。

圖2　水下摩擦焊接主軸

主軸油缸安裝在機(jī)架上。驅(qū)動馬達(dá)通過法蘭與驅(qū)動活塞連接，旋轉(zhuǎn)芯軸安裝在驅(qū)動馬達(dá)輸出軸上，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動旋轉(zhuǎn)芯軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動活塞則完成進(jìn)給運(yùn)動。液壓馬達(dá)法蘭盤通過內(nèi)六角螺釘與活塞連接，活塞為空芯結(jié)構(gòu)?；钊据S與液壓馬達(dá)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(shí)現(xiàn)在活塞內(nèi)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(dān)。為了減輕重量、減小轉(zhuǎn)動慣量，芯軸設(shè)計成為內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)。

1.2主軸液壓馬達(dá)

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

1.3主軸加壓油缸

塞棒軸向運(yùn)動功率很小，焊接主軸加壓油缸采用齒輪泵供油?？紤]到加壓油缸尾端要安裝液壓馬達(dá)，故此加壓油缸采用雙活塞桿結(jié)構(gòu)?？紤]到液壓馬達(dá)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(dá)，液壓馬達(dá)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(dá)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(jī)械密封。主軸內(nèi)部安裝了轉(zhuǎn)速傳感器和磁致伸縮式位移傳感器，分別用于主軸轉(zhuǎn)速和主軸位移測量，電纜接頭硫化處理。

2　機(jī)頭及試驗(yàn)臺架液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1主泵及驅(qū)動電機(jī)

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

2.2輔泵及驅(qū)動電機(jī)

輔泵用于給主軸加壓油缸供油。輔泵選排量3.5 mL/r內(nèi)嚙合齒輪泵，電機(jī)選2.2 kW的四極電機(jī)。

2.3液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3　液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)分成主回路和輔助回路兩個部分，主回路實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，輔助回路實(shí)現(xiàn)主軸加壓油缸活塞進(jìn)給速度調(diào)節(jié)，以及試驗(yàn)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(dǎo)式電磁溢流閥設(shè)定泵的工作壓力。壓差溢流閥和比例節(jié)流閥共同作用實(shí)現(xiàn)調(diào)速閥的功能，其優(yōu)點(diǎn)是即使摩擦扭矩變化，主軸轉(zhuǎn)速同樣維持在設(shè)定數(shù)值，即實(shí)現(xiàn)了主軸液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，電液換向閥實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)進(jìn)油口和出油口安裝了壓力表以及相應(yīng)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(jìn)給速度調(diào)節(jié)回路，以及試驗(yàn)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(jìn)給速度調(diào)節(jié)回路與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主回路調(diào)節(jié)類似，比例調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)活塞進(jìn)給速度調(diào)節(jié)，電磁換向閥實(shí)現(xiàn)活塞下降和上升。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計

水下摩擦焊接機(jī)頭控制系統(tǒng)主要功能為：控制主軸轉(zhuǎn)速、主軸進(jìn)給(速度、壓力)，采集傳感器信息(轉(zhuǎn)速、位移、壓力、溫度等)，控制電磁閥狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)工作流程自動化。主軸液壓測控系統(tǒng)采用NI公司的CompactDAQ模塊化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，系統(tǒng)原理框圖見圖4。

圖4　主軸液壓測控模塊組成

4　管型結(jié)構(gòu)物焊接工裝設(shè)計

管型結(jié)構(gòu)物包括海底管道，以及海洋平臺，維修時先要采用特殊設(shè)計的工裝夾緊鋼管，之后才能進(jìn)行摩擦疊焊焊接維修。

管型結(jié)構(gòu)焊接工裝主要由兩個伺服電機(jī)、機(jī)頭、液壓鎖緊機(jī)構(gòu)、絲杠導(dǎo)軌、電控柜、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、主機(jī)框架以及附具等部分組成，機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成見圖5。

圖5　管型結(jié)構(gòu)焊接工裝機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成

管型結(jié)構(gòu)焊接工裝主要實(shí)現(xiàn)軸向移動和周向旋轉(zhuǎn)的功能。伺服電機(jī)直連行星減速機(jī)，以增加輸出力矩。周向旋轉(zhuǎn)也是通過交流伺服電機(jī)驅(qū)動，交流電機(jī)配大減速比行星齒輪減速機(jī)，通過同步帶輪驅(qū)動齒輪沿著扇形齒圈旋轉(zhuǎn)，機(jī)架由鎖緊油缸鎖定在齒圈側(cè)面的圓弧軌道上，鎖緊油缸的活塞由液壓鎖鎖定，焊接機(jī)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(jī)頭上升下降，以滿足更換棒塞時調(diào)整試驗(yàn)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(jī)通過計算機(jī)輸出，來調(diào)整位移和角度。

5　焊接試驗(yàn)

5.1平板焊接試驗(yàn)

采用液壓驅(qū)動水下摩擦焊接機(jī)頭進(jìn)行平板焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置構(gòu)成見圖6。

圖6　平板焊接試驗(yàn)裝置構(gòu)成

工件裝夾在試驗(yàn)臺架的水槽內(nèi)，可以沿滑臺進(jìn)行縱向、橫向移動，摩擦焊接主軸在試驗(yàn)臺架上可以上下移動和鎖緊，計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集主軸參數(shù)，并對液壓閥組進(jìn)行伺服控制。焊接試驗(yàn)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(jī)頭控制系統(tǒng)摩擦疊焊操作界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。攜帶塞棒的主軸在升降油缸作用下到達(dá)預(yù)定位置，夾緊油缸夾緊。啟動自動焊接程序，塞棒以設(shè)定的進(jìn)給速度、旋轉(zhuǎn)速度和壓力完成預(yù)鉆焊孔的焊接，從開始焊接到焊接結(jié)束，需要根據(jù)塞棒燒損長度 ，在不同的段內(nèi)采用合適的焊接參數(shù)組合。

圖7　摩擦疊焊操作界面

進(jìn)行單元成形試驗(yàn)以及3個單元的搭接焊接試驗(yàn)，對該試件進(jìn)行超聲檢驗(yàn)，結(jié)果表明焊縫質(zhì)量優(yōu)良。

5.2管道焊接試驗(yàn)

將液壓驅(qū)動水下摩擦焊接機(jī)頭安裝在研制成功的管型結(jié)構(gòu)焊接工裝上進(jìn)行了管道焊接試驗(yàn)，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(yàn)表明，焊接機(jī)頭定位準(zhǔn)確、鎖緊可靠，焊接過程非常平穩(wěn)。

圖8　管道焊接試驗(yàn)

6　結(jié)論

1)液壓驅(qū)動水下摩擦焊接機(jī)頭主軸分別通過馬達(dá)和油缸實(shí)現(xiàn)塞棒的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給， 活塞為內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)，能夠有效減輕重量和轉(zhuǎn)動慣量。

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

3)焊接機(jī)頭控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和壓力等焊接參數(shù)的自動控制，自動焊接程序可以根據(jù)塞棒燒損長度設(shè)置合適的焊接參數(shù)組合，從而一次性完成整個孔的高質(zhì)量填充。

4)管型結(jié)構(gòu)物焊接工裝可以攜帶焊接機(jī)頭實(shí)現(xiàn)軸向移動和周向旋轉(zhuǎn)，并且在任意待焊位置進(jìn)行可靠的鎖緊。

5)平板水下焊接試驗(yàn)和管道焊接試驗(yàn)的成功，表明該設(shè)備在功能上基本可以滿足水下大厚度鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物維修的需要。

6)如果將摩擦疊焊設(shè)備用于工程，建議：摩擦焊接主軸頭材料由鋼材改成高強(qiáng)度鋁合金，實(shí)現(xiàn)輕量化；在塞棒區(qū)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(dǎo)致的氫致應(yīng)力腐蝕；采用更加簡單有效可靠的塞棒更換機(jī)構(gòu)，利于水下作業(yè)。

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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(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項(xiàng)目(2011AA090302)；北京市屬高等學(xué)校長城學(xué)者培養(yǎng)計劃(CIT&TCD20140316)；北京市教育委員會科技計劃資助項(xiàng)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