专利名称：管板摩擦焊接方法
技术领域：
本发明属于焊接领域，具体地说涉及一种管板摩擦焊接方法。
背景技术：
摩擦焊(friction welding)是一种压焊方法，它是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的。
目前来说，在各类压力容器中，例如航天贮箱，由于各种原因要在容器表面安装各种管，这些管通常采用常规熔化焊接的方法进行焊接，例如手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等，接头形式一般采用角焊缝或平板翻边后与管进行对接焊。对于角焊缝连接，一方面在焊缝附近的材质因焊接热循环的影响会造成性能下降，而且焊接管板角焊缝焊接条件差，拘束度高，受力情况复杂，易产生未焊透、裂纹等缺陷，另一方面焊接残余应力比较大，这些因素使接管区成为容器中最薄弱的地方。如果采用翻边对焊，工艺比较复杂，对于一些材料翻边时容易形成表面裂纹，影响焊接质量。另外对于某些轻质合金(主要是铝合金)，这些常规焊接方法的缺点是在焊接铝合金的过程中，由于焊前清理、冶金及焊接方法本身等原因，容易在焊缝中产生气孔，在焊接应力的作用下容易产生裂纹等焊缝缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有管板焊接技术存在的不足，提供一种工艺简单、焊缝质量高、焊缝残余应力低的管板摩擦焊接方法。
为了实现上述目的，本发明包括如下步骤
(1)在需要焊接管的容器外壁加工一个锥形孔，将导管的一端加工为锥形，使加工的锥孔和管相配合，在待焊壁板的背部固定一个背部支撑垫板，用来抵抗焊接过程中的摩擦压力和顶锻压力及强制焊缝成形；(2)在导管内部穿上芯轴，在芯轴的一端用螺母将芯轴和导管紧固在一起，将芯轴的另一端固定在一个旋转装置上以2000～5000r/min的速度旋转；(3)在芯轴的带动下导管一边摩擦工进，一边以2000～5000r/min的速度旋转，使得导管和壁板上锥形摩擦界面紧密接触产生充分的摩擦热，经过0.5～5s，高速旋转的芯轴迅速制动急停；(4)顶锻保压，通过芯轴施加轴向压力，使导管和容器壁板锥形摩擦界面保持50～200MPa的轴向顶锻压力，以获得高质量的接头；(5)将超过板内表面管的多余部分去除、磨平，经检测完成焊接。
可应用本发明的材料包括铝合金、镁合金、铜及铜合金等各种有色金属和钢。
与以往的管板熔焊方法相比，本发明具有如下优点(1)采用固相工艺，没有母材金属熔化，焊缝残余应力低、残余变形小；(2)改善焊缝的力学性能、疲劳强度、断裂韧性和接头塑性；(3)焊接参数可以精确控制，工艺稳定性和再现性高；(4)机械原理简单、能量利用率高；(5)绿色环保，焊接过程不产生烟尘。
图1为本发明第一个实施例的结构示意图；图2为图1中芯轴和管未组合在一起前的结构示意图；图3为本发明第二个实施例的结构示意图；图4为利用本发明焊接接头的宏观金相组织照片(6.5X)；图5为利用本发明焊接焊缝观金相组织图(150X)。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明如图1和图2所示为本发明第一个实施例，第一阶段先在待焊平板1上待焊接管的部位加工一个孔，孔的形状是影响焊接的质量的一个因素，该孔可以全深度倒角也可以部分倒角，倒角的角度可以取10°～30°，孔的内径D1稍大于管外径D2，便于导管从孔中穿过，导管2的一端也要加工一个锥形的面，锥角的取值范围为10°～60°，管的外径D2＝12mm～50mm；在壁板1的背面安装一个背面垫板3；在导管内部穿上芯轴5，在芯轴5的一端用螺母4将芯轴5和导管2紧固在一起。第二阶段为摩擦加热阶段，芯轴5的另一端加工一个凹槽6，便于固定在摩擦焊机夹头上施加轴向力，摩擦焊机通过芯轴带动导管一边摩擦工进，一边高速旋转，壁板上加工出的孔和导管2锥形表面相互紧密接触，产生充分的摩擦热，接触界面的温度升高，接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，在此过程中，背部垫板3用来支撑施加的摩擦压力，采用的摩擦焊工艺参数为主轴转速N＝1500～5000r/min摩擦压力P1＝10～100KN摩擦加热时间T1＝1～5s摩擦变形量L＝1～10mm；第三阶段进入急停制动阶段，在该阶段导管转速迅速从工作速度下降到零，急停时间影响接头变形层厚度和焊接质量，一般要求急停时间T2＜0.2s；第四阶段为顶锻保压阶段，是指在急停制动后保持施加到摩擦面上的轴向力，顶锻压力作用是挤出摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害夹杂，并使焊缝得到锻压，结合牢靠，晶粒细化，有助于于形成致密良好的焊缝，采用的工艺参数为顶锻压力P2＝15～100KN顶锻保压时间T3＝2s～20s最后将超过平板内表面管的多余的部分去除、磨平、检测、完成焊接。
背部支撑垫板3是影响摩擦焊接质量的一个关键因素，一方面它用来抵抗焊接过程中的摩擦压力和顶锻压力，并且要储存焊缝背面挤出飞边，因此，其深度、直径和形状对于形成一个无缺陷的焊缝非常重要，其结构要针对每一个情况进行优化设计，设计依据主要是焊接参数、管/孔结构、工件厚度等。一般情况下背面支撑垫板孔直径D3要大于管的外径D2，尺寸为D3＝D2(管外径)+(0.1～1)mm，背面支撑垫板上的孔一般要加工一个倒角或凹槽，用来储存塑性流动的金属，其中倒角的角度可以取值10°～20°。
如图3所示为本发明的第二个实施例，其与第一个实施例的区别仅在于待焊板1为弧形板。
如图4所示，为管板摩擦焊接接头的宏观金相组织(6.5X)，其中7为壁板一侧的金相组织，8为管一侧的金相组织，其中管和板的材料都是2014铝合金，材料状态为淬火+人工时效。
如图5所示，管板摩擦焊接焊缝金相组织(150X)，焊缝金属晶粒细小，焊缝内部无任何缺陷。
权利要求
1.一种管板摩擦焊接方法，其特征在于包括如下步骤(1)在需要焊接管的容器外壁加工一个锥形孔，将导管(2)的一端加工为锥形，使加工的锥孔和管相配合，在待焊壁板(1)的背部固定一个背部支撑垫板(3)，用来抵抗焊接过程中的摩擦压力和顶锻压力及强制焊缝成形；(2)在导管内部穿上芯轴(5)，在芯轴(5)的一端用螺母(4)将芯轴(5)和导管(2)紧固在一起，将芯轴(5)的另一端固定在一个旋转装置上以2000～5000r/min的速度旋转；(3)在芯轴(5)的带动下导管(2)一边摩擦工进，一边以2000～5000r/min的速度旋转，使得导管(2)和壁板(1)上锥形摩擦界面紧密接触产生充分的摩擦热，经过0.5～5s，高速旋转的芯轴(5)迅速制动急停；(4)顶锻保压，通过芯轴(5)施加轴向压力，使导管(2)和容器壁板(1)锥形摩擦界面保持50～200MPa的轴向顶锻压力，以获得高质量的接头；(5)将超过板内表面管的多余部分去除、磨平，经检测完成焊接。
2.根据权利要求1所述的管板摩擦焊接方法，其特征在于所述的背部垫板(3)用来支撑施加的摩擦压力，采用的摩擦焊工艺参数为主轴转速N＝1500～5000r/min摩擦压力P1＝10～100KN摩擦加热时间T1＝1～5s摩擦变形量L＝1～10mm。
3.根据权利要求1所述的管板摩擦焊接方法，其特征在于所述的锥形孔可以全深度倒角也可以部分倒角，倒角的角度可以取10°～30°，孔的内径D1稍大于管外径D2，便于导管从孔中穿过，导管(2)的一端也要加工一个锥形的面，锥角的取值范围为10°～60°。
全文摘要
一种管板摩擦焊接方法，具有工艺简单、焊缝质量高、焊缝残余应力低等特点，可用于包括铝合金、镁合金、铜及铜合金等各种有色金属和钢的焊接。
文档编号B29C65/06GK1876307SQ20061008661
公开日2006年12月13日 申请日期2006年6月23日 优先权日2006年6月23日
发明者王国庆, 陈浩, 刘宪力, 刘景铎, 杜岩峰 申请人:首都航天机械公司