CN104759750A - 一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构 - Google Patents

Abstract

一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，通过具有开合功能的主、副夹紧支撑座对管线钢装夹定位，而搅拌摩擦焊机依次通过焊机安装升降板及回转架安装在主夹紧支撑座的夹头上，回转架通过其上的导轮安装在主夹紧支撑座夹头的圆环形轨道上，并通过回转驱动齿轮与主夹紧支撑座夹头的外齿圈啮合实现回转，进而实现搅拌摩擦焊机绕管线钢作圆周运动；焊机安装升降板通过其上的升降驱动齿条与回转架上的升降驱动齿轮啮合实现升降，并由升降导轨及升降导向滑块共同引导升降，实现搅拌摩擦焊机在焊接高度上的调整。本发明与传统熔焊方式相比，能够提高管线钢的焊接效率，由于较小的热输入量，避免了焊缝热影响区晶粒的粗化，提高了焊接接头的性能。

Description

一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构

技术领域

本发明属于管线钢焊接加工技术领域，特别是涉及一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构。

背景技术

现阶段，作为石油、天然气重要输送方式之一的油气管线运输，具有不可取代的优势，同时还具有很高的运输经济性和高效性，与传统的油轮和天然气运输船相比，几乎不受气候条件的影响。而油气管线的核心载体便是管线钢，随着经济的不断发展，人们对油气运输的要求也在不断提高。在建的油气管线普遍采用了大口径的管线钢进行铺设，同时还要满足高压输送要求，这便对管线钢的性能提出了更高要求。由于油气管线大多铺设于人烟稀少的偏远地区，不但气候恶劣且地质地貌条件复杂，因此就要求管线钢必须具有更高的低温韧性和韧脆转变特性。

迄今为止，无论是管线钢的制管阶段，还是油气管线的铺设阶段，管线钢的焊接都是采用传统的熔焊方式，而传统的熔焊方式具有较高的热输入，这就不可避免的造成了焊缝及近缝区金属的严重粗化和脆化，同时还会伴有裂纹、气孔、偏析等缺陷，随着管线钢强度的提高，焊接接头性能的恶化尤其严重。另外，由于高热输入导致的晶界偏析，还容易使焊接接头耐腐蚀性能的严重下降，为了减轻焊接接头晶粒粗大现象，管线钢焊接时普遍采用低热输入量，而低热输入量及焊接时多次预热和缓冷将严重降低油气管线的铺设效率，进而成为制约油气管线建设的重要因素之一。

因此，亟需找到一种全新的管线钢焊接方法，能够有效提高管线钢的焊接效率，提高焊接接头的性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，能够有效提高管线钢的焊接效率，同时提高焊接接头的性能，并有效缩短油气管线的建设周期。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，包括底座、主夹紧支撑座、副夹紧支撑座、搅拌摩擦焊机、回转架、焊机安装升降板、回转架驱动组件及焊机安装升降板驱动组件，管线钢通过主夹紧支撑座及副夹紧支撑座装夹定位；

所述主夹紧支撑座包括第一立柱和第一夹头，所述第一夹头包括第一下夹头和第一上夹头，所述第一立柱设置在底座上，第一下夹头固定设置在第一立柱顶端，第一下夹头与第一上夹头通过铰接方式相连，在第一上夹头与第一立柱之间设置有第一开合驱动缸，第一夹头的开启及闭合均通过第一开合驱动缸控制；

所述第一夹头闭合时整体呈圆柱筒型结构，管线钢通过第一夹头的内表面夹紧定位，在第一夹头的外表面沿周向设置有圆环形的轨道；在所述回转架上安装有若干导轮，回转架通过导轮安装在轨道上；所述回转架通过回转架驱动组件与第一夹头之间进行360度回转配合；

所述搅拌摩擦焊机设置在焊机安装升降板上，搅拌摩擦焊机的搅拌头与管线钢的环形焊缝相对应；所述焊机安装升降板安装在回转架上，焊机安装升降板通过焊机安装升降板驱动组件与回转架之间进行升降配合；

所述副夹紧支撑座布置于主夹紧支撑座侧部，副夹紧支撑座包括第二立柱和第二夹头，所述第二夹头包括第二下夹头和第二上夹头，所述第二立柱设置在底座上，第二下夹头固定设置在第二立柱顶端，第二下夹头与第二上夹头通过铰接方式相连，在第二上夹头与第二立柱之间设置有第二开合驱动缸，第二夹头的开启与闭合均通过第二开合驱动缸控制。

所述回转架驱动组件包括外齿圈、回转驱动齿轮及回转驱动电机，所述外齿圈与轨道同轴心设置，且外齿圈固装在轨道侧部；所述回转驱动电机固装在回转架上，所述回转驱动齿轮固定套装在回转驱动电机的电机轴上，且回转驱动齿轮与外齿圈相啮合。

所述焊机安装升降板驱动组件包括升降驱动齿条、升降驱动齿轮、升降驱动电机、升降导轨及升降导向滑块，所述升降驱动齿条及升降导轨平行安装在焊机安装升降板下部，且升降驱动齿条及升降导轨与搅拌摩擦焊机的搅拌头旋转中心线相平行；所述升降驱动电机固装在回转架上，所述升降驱动齿轮固定套装在升降驱动电机的电机轴上，且升降驱动齿轮与升降驱动齿条相啮合；所述升降导向滑块固装在回转架上，且升降导向滑块与升降导轨滑动配合。

所述副夹紧支撑座设有多套，多套副夹紧支撑座分别适配不同管径的管线钢。

在所述第一下夹头、第一上夹头的内表面还配装有调整垫板。

在所述底座下部还配装有可调支腿。

所述搅拌摩擦焊机还配装有惰性气体保护设备。

在所述第一下夹头和第一上夹头之间、第二下夹头和第二上夹头之间均设置有锁紧螺栓。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，摒弃了传统的熔焊方式，转而采用了搅拌摩擦焊方式，具有较小的热输入量，能够有效避免焊缝热影响区晶粒的严重粗化，还可避免在传统熔焊过程中因熔池凝固产生的裂纹、气孔、偏析等缺陷。为了将搅拌摩擦焊方式成功应用于管线钢焊接，本发明提供了一种具有全新结构的搅拌摩擦焊接机构，能够使机构内搅拌摩擦焊机轻松完成管线钢环形焊缝的焊接，并获得具有高强韧性的焊接接头。本发明与传统的熔焊方式相比，有效提高了管线钢的焊接效率，且有效缩短了油气管线的建设周期。

附图说明

图1为本发明的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1中A-A剖视图；

图5为图4中B-B剖视图；

图6为本发明的主夹紧支撑座(开启状态)与回转架、焊机安装板、搅拌摩擦焊机的结构示意图；

图7为本发明的副夹紧支撑座(开启状态)结构示意图；

图中，1—底座，2—主夹紧支撑座，3—副夹紧支撑座，4—搅拌摩擦焊机，5—回转架，6—焊机安装升降板，7—管线钢，8—第一立柱，9—第一下夹头，10—第一上夹头，11—第一开合驱动缸，12—第二立柱，13—第二下夹头，14—第二上夹头，15—第二开合驱动缸，16—轨道，17—导轮，18—外齿圈，19—回转驱动齿轮，20—回转驱动电机，21—升降驱动齿条，22—升降驱动齿轮，23—升降驱动电机，24—升降导轨，25—升降导向滑块，26—调整垫板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～7所示，一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，包括底座1、主夹紧支撑座2、副夹紧支撑座3、搅拌摩擦焊机4、回转架5、焊机安装升降板6、回转架驱动组件及焊机安装升降板驱动组件，管线钢7通过主夹紧支撑座2及副夹紧支撑座3装夹定位；

所述主夹紧支撑座2包括第一立柱8和第一夹头，所述第一夹头包括第一下夹头9和第一上夹头10，所述第一立柱8设置在底座1上，第一下夹头9固定设置在第一立柱8顶端，第一下夹头9与第一上夹头10通过铰接方式相连，在第一上夹头10与第一立柱8之间设置有第一开合驱动缸11，第一夹头的开启及闭合均通过第一开合驱动缸11控制；

所述第一夹头闭合时整体呈圆柱筒型结构，管线钢7通过第一夹头的内表面夹紧定位，在第一夹头的外表面沿周向设置有圆环形的轨道16；在所述回转架5上安装有若干导轮17，回转架5通过导轮17安装在轨道16上；所述回转架5通过回转架驱动组件与第一夹头之间进行360度回转配合；

所述搅拌摩擦焊机4设置在焊机安装升降板6上，搅拌摩擦焊机4的搅拌头与管线钢7的环形焊缝相对应；所述焊机安装升降板6安装在回转架5上，焊机安装升降板6通过焊机安装升降板驱动组件与回转架5之间进行升降配合；

所述副夹紧支撑座3布置于主夹紧支撑座2侧部，副夹紧支撑座3包括第二立柱12和第二夹头，所述第二夹头包括第二下夹头13和第二上夹头14，所述第二立柱12设置在底座1上，第二下夹头13固定设置在第二立柱12顶端，第二下夹头13与第二上夹头14通过铰接方式相连，在第二上夹头14与第二立柱12之间设置有第二开合驱动缸15，第二夹头的开启与闭合均通过第二开合驱动缸15控制。

所述回转架驱动组件包括外齿圈18、回转驱动齿轮19及回转驱动电机20，所述外齿圈18与轨道16同轴心设置，且外齿圈18固装在轨道16侧部；所述回转驱动电机20固装在回转架5上，所述回转驱动齿轮19固定套装在回转驱动电机20的电机轴上，且回转驱动齿轮19与外齿圈18相啮合。

所述焊机安装升降板驱动组件包括升降驱动齿条21、升降驱动齿轮22、升降驱动电机23、升降导轨24及升降导向滑块25，所述升降驱动齿条21及升降导轨24平行安装在焊机安装升降板6下部，且升降驱动齿条21及升降导轨24与搅拌摩擦焊机4的搅拌头旋转中心线相平行；所述升降驱动电机23固装在回转架5上，所述升降驱动齿轮22固定套装在升降驱动电机23的电机轴上，且升降驱动齿轮22与升降驱动齿条21相啮合；所述升降导向滑块25固装在回转架5上，且升降导向滑块25与升降导轨24滑动配合。

所述副夹紧支撑座3设有多套，多套副夹紧支撑座3分别适配不同管径的管线钢7。

在所述第一下夹头9、第一上夹头10的内表面还配装有调整垫板26。为了适应不同管径管线钢7的焊接，由于第一下夹头9、第一上夹头10的尺寸是固定的，只要通过更换不同厚度的调整垫板26，即可满足不同管径管线钢7的装夹定位。

为了更好的适应施工现场的地面条件，在所述底座1下部还配装有可调支腿。即使地面条件并非十分平整，但通过调整可调支腿，可以很容易将底座1找平，更好的满足管线钢的焊接。

当搅拌头在搅拌摩擦焊接管线钢7的环形焊缝时，为了防止搅拌头与环形焊缝出现高温氧化，所述搅拌摩擦焊机4还配装有惰性气体保护设备。

为了保证第一夹头、第二夹头闭合时的牢固度，在所述第一下夹头9和第一上夹头10之间、第二下夹头13和第二上夹头14之间均设置有锁紧螺栓。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

在管线钢焊接之前，需要进行焊前准备工作，首先根据待焊接的管线钢7的管径，选择相适配的副夹紧支撑座3并安装到位，然后再为主夹紧支撑座2的第一夹头(第一下夹头9及第一上夹头10)选择适合厚度的调整垫板26(调整垫板可随本发明的搅拌摩擦焊接机构事先配有多套，以适配不同管径管线钢来使用)，通过第一开合驱动缸11控制主夹紧支撑座2处于开启状态，通过第二开合驱动缸15控制副夹紧支撑座3处于开启状态，再将之前选好的调整垫板26分别安装到第一下夹头9和第一上夹头10上；

将待焊接的管线钢7吊装到主夹紧支撑座2及副夹紧支撑座3上，同时调整好环形焊缝的位置，保证环形焊缝正对搅拌摩擦焊机4的搅拌头，然后通过第一开合驱动缸11控制主夹紧支撑座2闭合，通过第二开合驱动缸15控制副夹紧支撑座3闭合，最后利用锁紧螺栓紧固第一下夹头9与第一上夹头10、第二下夹头13和第二上夹头14，使待焊接的管线钢7被牢固的夹紧定位在主夹紧支撑座2及副夹紧支撑座3上。

启动搅拌摩擦焊机4，搅拌头高速转动，此时通过升降驱动电机23带动升降驱动齿轮22转动，通过升降驱动齿轮22的转动，带动升降驱动齿条21向管线钢7一侧移动，进而带动焊机安装升降板6向管线钢7一侧移动，最终使搅拌摩擦焊机4的搅拌头逐渐靠近环形焊缝，直到搅拌头到达起焊点。

当搅拌头位于起焊点时，通过搅拌摩擦焊机4控制搅拌头不断前伸，直到搅拌头完全伸入环形焊缝，焊接开始，此时通过回转驱动电机20带动回转驱动齿轮19转动，通过回转驱动齿轮19在外齿圈18上啮合转动，带动回转架5绕管线钢7作圆周运动，进而带动焊机安装升降板6及搅拌摩擦焊机4绕管线钢7作圆周运动，在此过程中，实现了搅拌头对环形焊缝的焊接。

在焊接进行一段时间后，在起焊点位置处安装一块楔形垫块，该楔形垫块作为焊接结束时的搅拌头退出孔的引出板使用，防止焊后的搅拌头退出孔留在管线钢7的本体上，而是让焊后的搅拌头退出孔留在楔形垫块上，当焊接完全结束后，再将楔形垫块切掉，此时才算完成了整条环形焊缝的焊接。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：包括底座、主夹紧支撑座、副夹紧支撑座、搅拌摩擦焊机、回转架、焊机安装升降板、回转架驱动组件及焊机安装升降板驱动组件，管线钢通过主夹紧支撑座及副夹紧支撑座装夹定位；

所述主夹紧支撑座包括第一立柱和第一夹头，所述第一夹头包括第一下夹头和第一上夹头，所述第一立柱设置在底座上，第一下夹头固定设置在第一立柱顶端，第一下夹头与第一上夹头通过铰接方式相连，在第一上夹头与第一立柱之间设置有第一开合驱动缸，第一夹头的开启及闭合均通过第一开合驱动缸控制；

所述第一夹头闭合时整体呈圆柱筒型结构，管线钢通过第一夹头的内表面夹紧定位，在第一夹头的外表面沿周向设置有圆环形的轨道；在所述回转架上安装有若干导轮，回转架通过导轮安装在轨道上；所述回转架通过回转架驱动组件与第一夹头之间进行360度回转配合；

所述搅拌摩擦焊机设置在焊机安装升降板上，搅拌摩擦焊机的搅拌头与管线钢的环形焊缝相对应；所述焊机安装升降板安装在回转架上，焊机安装升降板通过焊机安装升降板驱动组件与回转架之间进行升降配合；

所述副夹紧支撑座布置于主夹紧支撑座侧部，副夹紧支撑座包括第二立柱和第二夹头，所述第二夹头包括第二下夹头和第二上夹头，所述第二立柱设置在底座上，第二下夹头固定设置在第二立柱顶端，第二下夹头与第二上夹头通过铰接方式相连，在第二上夹头与第二立柱之间设置有第二开合驱动缸，第二夹头的开启与闭合均通过第二开合驱动缸控制。

2.根据权利要求1所述的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：所述回转架驱动组件包括外齿圈、回转驱动齿轮及回转驱动电机，所述外齿圈与轨道同轴心设置，且外齿圈固装在轨道侧部；所述回转驱动电机固装在回转架上，所述回转驱动齿轮固定套装在回转驱动电机的电机轴上，且回转驱动齿轮与外齿圈相啮合。

3.根据权利要求1所述的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：所述焊机安装升降板驱动组件包括升降驱动齿条、升降驱动齿轮、升降驱动电机、升降导轨及升降导向滑块，所述升降驱动齿条及升降导轨平行安装在焊机安装升降板下部，且升降驱动齿条及升降导轨与搅拌摩擦焊机的搅拌头旋转中心线相平行；所述升降驱动电机固装在回转架上，所述升降驱动齿轮固定套装在升降驱动电机的电机轴上，且升降驱动齿轮与升降驱动齿条相啮合；所述升降导向滑块固装在回转架上，且升降导向滑块与升降导轨滑动配合。

4.根据权利要求1所述的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：所述副夹紧支撑座设有多套，多套副夹紧支撑座分别适配不同管径的管线钢。

5.根据权利要求1所述的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：在所述第一下夹头、第一上夹头的内表面还配装有调整垫板。

6.根据权利要求1所述的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：在所述底座下部还配装有可调支脚。

7.根据权利要求1所述的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：所述搅拌摩擦焊机还配装有惰性气体保护设备。

8.根据权利要求1所述的一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，其特征在于：在所述第一下夹头和第一上夹头之间、第二下夹头和第二上夹头之间均设置有锁紧螺栓。