專利名稱：水下鋼結(jié)構(gòu)裂紋摩擦疊焊修復(fù)方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下萍接方法和其修復(fù)設(shè)備，尤其是實(shí)現(xiàn)連接的閨態(tài)焊接方 法何殳備。
背景技術(shù)：
摩^^^^在壓力作用下，通過待焊界面的摩HK吏界面及其附i^度升高， 材料的變形抗力降低、塑性提高、界面的氧^Ji破碎，伴W"材料產(chǎn)生塑性變形 與流動(dòng)，通it^面上的擴(kuò)^ft5L再結(jié)晶冶金反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)連接的固態(tài)焊接方法.摩擦焊#*^頭質(zhì)量高、適合異種材料的連接、生產(chǎn)效率高、尺寸精度高、設(shè)備易 于W^化自動(dòng)化、環(huán)境清潔等突出優(yōu)點(diǎn)。特別地，對(duì)于電 瓜焊接應(yīng)用困難的某些 場合，例如水下鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)，屬于固相焊接的摩擦焊接*^獨(dú)特的環(huán)*1應(yīng)優(yōu)勢。可供選擇的水下連接方法分為3類，即積^^接器、電弧焊接和固相焊接。 才> ^接器結(jié)構(gòu)簡單、相對(duì)便宜、安^i4JL^接質(zhì)量與水深無關(guān)，但是其長期 可靠性這一lt感問題的依然存在使得其應(yīng)用受到限制。電弧焊接分為濕式烀接、 局部干式焊接、干式高壓,和千式常壓焊接。濕式焊接、局部干式焊楱接頭質(zhì) 量較低，通常用于淺水、非重要結(jié)構(gòu)修復(fù)。干式高壓員可以獲得高質(zhì)量的焊縫， 目前廣泛應(yīng)用的水下干式維修系統(tǒng)采用^it式鵠;ML弧焊接，但是因?yàn)殡姽路€(wěn)定 性降低，通常用于300m水深以淺。鴒^iU瓜焊接的變異方式等離子弧焊接以;SJt ^fe氣體保護(hù)焊接可以實(shí)現(xiàn)1000m水深以深壓力下的焊接，但是，實(shí)施成本高昂、 難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，并JL^以應(yīng)用于海底管道"卜的海洋平臺(tái)等其它鋼結(jié)構(gòu)的維 修。干式常壓焊接則比干式高壓焊接的成本更高，難以推廣應(yīng)用。屬于固相焊接 的爆炸焊接，因?yàn)閷?duì)于實(shí)施安全性的擔(dān)心，未能推廣應(yīng)用。同樣屬于固相焊接的 摩擦焊接，則在海洋工程之中得到了比較廣泛的應(yīng)用，例如，摩擦螺在焊設(shè)備在 水下遙控機(jī)器人的支持下，完成了水深接近400米的海底立管陽極附件焊接。但 是，這種絲焊接只能完成類似螺在連接的簡單任務(wù)，不能完成海底管道破損、 海洋平臺(tái)m的修復(fù)等復(fù)雜任務(wù)。截止1998年時(shí)全世界就已經(jīng)有6500多座^M史海洋油氣平臺(tái)，我國也已有各類 海洋石油4^構(gòu)上百座，因?yàn)橐烟矫魇澜缡蛢?chǔ)量的80%以上的水^^過50001，因此深水(300 ~ 1500m)、超'深水(〉1500m)油氣資源開采必將成為世界海洋石油工業(yè) A艮的趨勢。由于受到波、浪、流、冰等的交變變?cè)院勺饔?，這些海洋石油鋼結(jié) 構(gòu)尤其是平臺(tái)的水下管式樁基等部位不可a地會(huì)出現(xiàn)各種疲勞裂紋。對(duì)于平臺(tái)式水下管式樁基的裂紋，目前采用的水下修^復(fù)才支術(shù)在應(yīng)用時(shí)都存在 一些問題積*€接器不僅其水下應(yīng)用的長期可靠性問題一直沒有消除，而JLji 平臺(tái)裂紋附近的準(zhǔn)確就位和安裝非常困難；濕式焊接、局部千式焊接，通常只應(yīng) 用于60 m以淺7KJ咸；干式高壓焊接可以獲得高質(zhì)量的接頭，但是當(dāng)水深達(dá)到300m 時(shí)電弧難以穩(wěn)定，特別是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)與規(guī)則的海底管道不同，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且 作業(yè)空間受到很大限制，需要采用一系列組裝的高壓焊掩險(xiǎn)包圍待焊鋼結(jié)構(gòu)，整 套系統(tǒng)非常復(fù)雜、安裝費(fèi)時(shí)、費(fèi)用極高。為了降低水下維修作業(yè)成本、提高修復(fù)質(zhì)量，特別是適應(yīng)海洋石油開發(fā)已經(jīng) ^A^深水域的需要，本發(fā)明提出了水下鋼結(jié)構(gòu)裂,擦疊焊這種新型的修復(fù)方 法及其設(shè)備.發(fā)明內(nèi)容才艮據(jù)背景技術(shù)所述，本發(fā)明的目的在于^l供一種在鋼結(jié)構(gòu)的裂^Jt預(yù)鉆孔， 并插入高速旋轉(zhuǎn)的塞棒，同時(shí)施以軸向壓力，使其塞棒和焊孔受熱熔融，在界面 進(jìn)行結(jié)晶冶金M形成焊接單元， 一系列焊接單iUB互絲形成完整的焊縫的修 復(fù)方法；同時(shí)提供一種實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備，包括水下的摩擦主軸頭，水下攝像裝 置和水下遙控機(jī)器人，位于水面上的液壓動(dòng)力系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等， 通it^視器監(jiān)^f擦疊焊的修復(fù)過程。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 一種水下鋼結(jié)構(gòu)裂^擦疊,復(fù)方法，該方法包括下列步驟在待斧體(1)上鉆焊孔(11 )， ^^直徑略小于焊孔(11)的塞棒(2)在焊孔(11)中高速旋 轉(zhuǎn)，并軸向施加壓力P，偵塞棒(2)與焊孔(11)的接觸面受熱熔融，并進(jìn)行結(jié)晶冶金反應(yīng)形成一個(gè)焊接單元(3),完成一系列,單元(3)的相互皿， 而構(gòu)成完整的疊焊焊縫(4)。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的設(shè)備，主要包括位于水下的摩擦主軸頭(5 )、水下操 作W^手(6)、自動(dòng)刀庫(7)、換刀機(jī)構(gòu)(8)和水下遙控機(jī)器人(9)，以及位于 水上的艦動(dòng)力系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中水下遙控機(jī)器人(9)通過滑動(dòng)固定座(92)園定在#^裂紋附近位置合適的鋼梁上，并可沿鋼梁前后滑 動(dòng)，并由水下遙控機(jī)器人(9)操控水下HH^械手(6)、自動(dòng)刀庫(7)和換刀 機(jī)構(gòu)(8)，自動(dòng)刀庫(7)裝儲(chǔ)有鉆頭、塞棒、鋼刷、砂輪、探傷儀等，換刀# (8)在電控系統(tǒng)(10)程序控制下，通過水下遙控機(jī)器人(9)和換刀機(jī)構(gòu)(8)為水下 手(6)進(jìn)行工具拆卸、裝卡，摩擦主軸頭(5)安^水下^Mt 手(6)上，水下遙控機(jī)器人(9)上還設(shè)置有工作燈(91 )，液壓驅(qū)動(dòng)的摩擦主軸頭(5 )安裝在水下操作^手(6)上。由于采用了上迷j支術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果1、 本發(fā)明的焊接過程和工藝Wt不受水深的影響，也不需營造特殊的工藝 空間，與水下遙控機(jī)器人配套可實(shí)現(xiàn)全套作業(yè)自動(dòng)化，并且焊接質(zhì)量優(yōu)良，焊接 效率高。2、 本發(fā)明所提供的修復(fù)設(shè)備采用高壓液壓缸，大流量液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可用于 1000m以深的水下鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)作業(yè)，水下 手1漆了鋼刷、鉆頭、塞棒、 砂輪、探傷儀等能完成裂紋修復(fù)所需的全部工作，水面監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)W^修復(fù) 過程，還能采 測修復(fù)工藝的焊接#。3、 本發(fā)明提供的焊接方法高效可靠，所提供的修復(fù)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，簡單， 造價(jià)^J:， ^t^維護(hù)修理簡易。


圖1A為本發(fā)明摩擦疊焊原理示意1B為本JL明圖1A的A-A剖視示意2為本發(fā)明水下鋼結(jié)構(gòu)裂紋修復(fù)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖M實(shí)施方式一種水下鋼結(jié)構(gòu)^bf擦疊,復(fù)方法，該方法包括下列步驟在#^沐1 上鉆焊孔ll，使用直徑略小于焊孔11的塞棒2在焊孔11中高速旋轉(zhuǎn)，并軸向施加壓 力P,使塞棒2與焊孔11的接觸面受熱熔融，并進(jìn)行結(jié)晶冶金反應(yīng)形成一個(gè)焊接單 元3，完成一系列焊接單元3的相互搭接，而構(gòu)成完整的疊焊焊縫4。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的i殳備，主要包^r位于水下的摩擦主軸頭5、水下操作 才;i^手6、自動(dòng)刀庫7、換刀機(jī)構(gòu)8和水下遙控機(jī)器人9，以及位于水上的液壓動(dòng) 力系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中水下遙控機(jī)器人9通過滑動(dòng)固定座92 固定在待修裂紋附近位置合適的鋼梁上，并可沿鋼梁前后滑動(dòng)，并由水下遙控機(jī) 器人9操控水下IMtM手6、自動(dòng)刀庫7和換刀機(jī)構(gòu)8，自動(dòng)刀庫7裝儲(chǔ)有鉆頭、 塞棒、鋼刷、砂輪、探傷儀等，換刀機(jī)構(gòu)8在電控系統(tǒng)10程序控制下，通過水下 遙控機(jī)器人9和換刀機(jī)構(gòu)8為水下，才成手6進(jìn)行工具拆卸、裝卡，水下遙控 機(jī)器人9上還設(shè)置有工作燈91 ，液壓驅(qū)動(dòng)的摩擦主軸頭5安裝在水下操作;I/L^手 6上，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為工作水深〉1000m,最大軸向壓力〉2T，最高轉(zhuǎn)速> 4700rpm，最大扭矩不〈50N.m，塞棒直徑(10 ~ 20)咖，待修結(jié)構(gòu)厚度〉40mm，焊 接ii^為(40~ 120)鵬/ffiin;電控系統(tǒng)的A^L齊面實(shí)時(shí)顯示和控制焊接軸向壓力、 旋#^1、插^i^等g工藝M，并通過監(jiān)視器監(jiān)^f擦疊焊修復(fù)過程。另知，本發(fā)明設(shè)計(jì)的摩擦疊,復(fù)設(shè)備進(jìn)行水下鋼結(jié)構(gòu)裂紋修復(fù)作業(yè)的典型過程(1) 水下遙控機(jī)器AJ^v水下工作場i^Ml后，通過滑動(dòng)固定座92固定在待 修裂紋附近位置合適的銅乘上，并自行完成在鋼結(jié)構(gòu)之上的三維就位和固定。(2) 從自動(dòng)刀庫7中取出^HN，通過換刀^J 8作為水下搡作Wfe手清理 裂"面的工具。(3 )水下##*1^手6以鉆頭為工具預(yù)鉆焊孔11。(4) 換刀4場8為水下操作城手卸下鉆頭、安絲棒2,摩擦主軸頭5高 速旋轉(zhuǎn)并下降，完成單元成型。(5) 電控系,制引導(dǎo)水下操作Wfe手6,裂玟，在新的合適位置，開始 下一個(gè)單元過程。再知，自動(dòng)刀庫7為水下,^a手6存放了裂故修復(fù)所需的鋼刷、鉆頭、 塞棒、妙輪、探傷儀等。換刀^8在電控系^f呈序控制下，按照工序需要為水 下鰣城手6進(jìn)行工絲卸、裝卡。塞棒2形狀和單元過程的相互M形式影響著焊接質(zhì)量，塞棒2可以是圃柱 形，也可以是圃錐形。權(quán)利要求
1. 一種水下鋼結(jié)構(gòu)裂紋摩擦疊焊修復(fù)方法，該方法包括下列步驟在待焊體(1)上鉆焊孔(11)，使用直徑略小于焊孔(11)的塞棒(2)在焊孔(11)中高速旋轉(zhuǎn)，并軸向施加壓力P，使塞棒(2)與焊孔(11)的接觸面受熱熔融，并進(jìn)行結(jié)晶冶金反應(yīng)形成一個(gè)焊接單元(3)，完成一系列焊接單元(3)的相互搭接，而構(gòu)成完整的疊焊焊縫(4)。
2、 一種用予實(shí)m利要求l的方法的設(shè)備，主要包括位于水下的摩擦主軸頭(5 )、 水下操作,手(6 )、自動(dòng)刀庫(7 )、換刀機(jī)構(gòu)(8 )、和水下遙控機(jī)器人(9 )， 以及位于水上的液壓動(dòng)力系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于水 下遙控機(jī)器人(9)通itJf動(dòng)固定座(92)固定在待修裂故附近位置合適的鋼 梁上，并可沿鋼梁前后滑動(dòng)，并由水下遙控機(jī)器人(9)操控水下操作Wfe手(6)、自動(dòng)刀庫(7)和換刀機(jī)構(gòu)(8)，自動(dòng)刀庫(7)裝儲(chǔ)有鉆頭、塞棒、 鋼刷、砂輪、探傷儀等，換刀機(jī)構(gòu)(8)在電控系統(tǒng)(10)程序控制下，通過 水下遙控才幾器人(9)和換刀機(jī)構(gòu)(8)為水下 手(6)進(jìn)行工具拆卸、 裝卡，摩擦主軸頭(5 )安#水下操作才城手(6)上，水下遙控機(jī)器人(9) 上還設(shè)置有工作燈(91)，液壓驅(qū)動(dòng)的摩擦主軸頭(5)安裝在水下操作M 手(6)上。
3、 ,權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于塞棒的形狀是圓柱形或圃錐形。
全文摘要
一種水下鋼結(jié)構(gòu)裂紋摩擦疊焊修復(fù)方法和設(shè)備，由摩擦疊焊方法和其修復(fù)設(shè)備組成，其中，摩擦疊焊方法是在預(yù)鉆焊孔(11)中插入高速旋轉(zhuǎn)，并施以軸向壓力的塞棒(2)，使焊孔(11)和塞棒(2)接觸界面受熱熔融，并使其界面結(jié)晶冶金反應(yīng)形成一焊接單元(3)，一系列焊接單元(3)相互搭接成完整的疊焊焊縫(4)。同時(shí)提供一種采用摩擦疊焊方法的水下鋼結(jié)構(gòu)裂紋修復(fù)設(shè)備，水下主要有摩擦主軸頭(5)，水下操作機(jī)械手(6)，自動(dòng)刀庫(7)，換刀機(jī)構(gòu)(8)，和水下遙控機(jī)器人(9)，水上主要有液壓動(dòng)力系統(tǒng)，電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。采用本發(fā)明的方法和設(shè)備焊接質(zhì)量優(yōu)秀，設(shè)備簡單，可靠易行，成本低廉，使用維護(hù)修理簡易。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101244485SQ20071007932
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者周燦豐, 焦向東, 龍 薛, 陳家慶, 輝 高 申請(qǐng)人:北京石油化工學(xué)院