CN100584510C - 用在搅拌摩擦焊中的可扩张心轴和提供该心轴的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用在搅拌摩擦焊中的可扩张心轴和提供该心轴的方法。所述心轴(72)对由搅拌摩擦焊工具施加到管件(90)或其它弧形表面外侧上的压力提供对顶力，其中，心轴(72)可借助于楔形体(82)实现扩张，且心轴(72)能允许多个搅拌摩擦焊头同时在弧形表面上执行焊接操作。

Description

用在搅拌摩擦焊中的可扩张心轴和提供该心轴的方法
技术领域
本发明一般地涉及搅拌摩擦焊。更具体而言，本发明致力于提高对管件或其它弧形物体执行搅拌摩擦焊的能力，其中，需要利用心轴来提供对顶平衡力，以顶推着被焊接的弧形表面的内侧，由此来防止与弧形表面的外侧相接触的搅拌摩擦焊工具损坏被焊接的工件。
背景技术
搅拌摩擦焊(下文称为“FSW”)是一种为焊接金属和金属合金而开发出的技术。FSW工艺通常涉及这样的操作：利用旋转的搅动销杆或搅动轴杆将位于接缝两侧的两个相邻工件的材料接合起来。施加作用力以使轴杆与工件顶接在一起，利用轴杆与工件之间的相互作用来产生摩擦热，从而使位于接缝两侧的材料塑性化。轴杆沿着接缝来回移动，随着它的移动，材料被塑性化，处于前进着的轴杆的尾迹区中的塑化材料在冷却后就形成了焊缝。
图1中的透视图表示了一种工具，该工具正在被用来执行搅拌摩擦焊，该工具的特征在于其大致为柱形的工具10，其具有肩部12和从肩部向外伸出的销杆14。销杆14抵接着工件16进行旋转，直到产生足够的热量为止，此时，工具的销杆插入到塑化的工件材料中。工件16通常是两块在接缝线18处抵接到一起的材料薄板或板件。销杆14在接缝线18处被插入到工件16中。
由抵顶着工件材料16的销杆14旋转运动所产生的摩擦热使得工件材料软化，但不会达到熔融点。工具10沿着接缝线18横向移动，随着塑化的材料绕过销杆从前导边缘流到后边缘，就形成了焊缝。结果就在接缝线18处形成了固态相结合区20，与其它的焊接方法相比，该结合区与工件材料16自身基本上是没有区别的。
可以注意到：如果肩部12接触到工件的表面，则它的转动将产生额外的摩擦热，该摩擦热会使插入销杆14周围更大柱形条区内的材料塑化。肩部12产生了锻造力，其遏制了由工件销杆14造成的向上金属流动。
在FSW过程中，待焊接的区域与工具相对地运动，以使得工具移过所需长度的焊接接缝。旋转着的FSW工具实现了持续的热加工作用，随着工具沿基体金属横向运动，使得狭窄区域内的金属塑化，同时将金属从销杆的前导面移送到了其后边缘。由于工具的行经过程没有产生液体，所以，随着焊区的冷却，通常不会出现凝固过程。情况往往是这样的(但并非始终如此)：所形成的焊缝是没有缺陷的，并在焊接区域形成了再结晶的细晶粒微观结构。
先前的专利文件已经提到了如下的好处：能对那些以前被认为在实践中无法进行焊接的材料执行搅拌摩擦焊。这些材料中的某些材料是不可熔融焊接的，或者根本就难于进行焊接。这些材料例如包括金属基复合物、钢和不锈钢等的铁合金、以及有色材料。能利用搅拌摩擦焊的另一类材料是超耐热合金。超耐热合金可以是熔融温度较高的青铜材料或铝材料，且其中还可混有其它的元素。超耐热合金的某些实例是镍基、铁-镍基、以及钴基合金，它们通常被用在高于1000华氏度的温度中。通常被用在超耐热合金中的其它元素包括(但不限于此)：铬、钼、钨、铝、钛、铌、钽、以及铼。
应当指出的是：钛也是搅拌摩擦焊所需的材料。钛是有色金属材料，但其熔点要高于其它的有色材料。
现有的专利教导了如下的内容：所需要的工具通过这样的材料来形成，该材料的熔融温度高于被执行搅拌摩擦焊的材料的温度。在某些实施方式中，在工具中使用了超级研磨剂(superabrasive)。
该发明的实施方式基本上涉及的是这些无实用可焊性的材料以及超耐热合金，在下文中，这些材料通篇都被称为“高熔融温度”材料。
搅拌摩擦焊(FSW)技术方面的最新进展已开发出了这样的工具：其可被用来在搅拌摩擦焊的固态结合过程中，将钢和不锈钢等的高熔融温度材料结合到一起。
如上文已解释的那样，这种金属涉及到使用特定搅拌摩擦焊工具的问题。图2表示出了多晶立方氮化硼(PCBN)顶端30、锁紧轴环32、用于防止运动的热电偶安装螺钉34、以及杆体36。发明人的已有技术也示出了该工具的其它设计，这些设计包括整体式的工具和其它的设计结构。
如果使用这种特殊的搅拌摩擦焊工具，能有效地对多种材料执行搅拌摩擦焊。在使用除PCBN和PCD(多晶金刚石)之外的各种工具顶端材料时，这种工具的设计也是有效的。某些此类材料包括难熔材料，例如钨、铼、铱、钛、以及钼等。
在研制用于高熔融温度合金的搅拌摩擦焊技术方面，本发明人处于领先地位，其中的高熔融温度合金例如为钢、不锈钢、镍基合金、以及许多其它的合金。该技术通常需要采用多晶立方氮化硼的工具、液冷型的工具夹架、温度探测系统、以及用于控制搅拌摩擦焊过程的适当设备。
在这种技术(现有文献将其称为当前技术状况)被确立为接合所述材料的领先方法之后，MegaDiamond公司和Advanced MetalProducts公司(一起被称为MegaStir Technologies)开始寻求能极大地获益于该技术的应用场合。搅拌摩擦焊(FSW)一个最大的应用就是对管线进行连接。由于人工劳动力的原因、用于焊接和移动所需部件而需要设备的原因，对管线进行连接的成本是很高的。图3表示了对典型管线执行熔融焊所需的劳动力和设备。图示的管道40上设置有多个焊接工位42(每个白色的围挡)，这些工位需要将焊条逐层地敷设上去，以便于在各个管段之间形成熔融焊接接缝。
由于只需要较少的材料、并能获得更高的强度特性、且能降低管线的总成本，所以，在管线上应用了先进的高强度钢(AHSS)。传统采用的熔融焊接方法对于AHSS存在难度。在工业界，每个管线接缝带有一个缺陷或裂缝是可被接受的。接受这些缺陷的原因在于：即使采用精细的自动熔融焊接系统，这些缺陷也无法被消除掉。对AHSS进行焊接要比对现有管线钢材进行焊接困难得多，原因在于：这些材料的组分本身就会形成更多的熔融焊接缺陷。
目前，FSW已被确立为连接管段的可行技术。图4中表示了一种已研制出的、用于连接管段的搅拌摩擦焊机50。转动的工具插入到接缝中，随之而产生摩擦热。在工具被插入到工件横截面中之后，使工具绕着管件圆周移动，同时将接缝“搅合”到一起。然后，将FSW工具撤出，并将焊机50沿管线移动到下一个需要执行搅拌摩擦焊的管线接缝处。
图4中的搅拌摩擦焊机50展示了在待焊接管件的外部工作的焊机。任何形式的FSW都存在一个要求：在被连接的工件的背面侧(工具的相反侧)存在对顶的平衡力。这一需求源于如下的事实：工具向工件施加了很大的作用力。搅拌摩擦焊的这一本质需要为工件提供一定的支撑，以防止工件弯曲或被损坏。图5表示了旋转心轴60或“管撑架”的一种现有设计结构，目前，当利用搅拌摩擦焊来焊接管道时会使用该心轴。
心轴60由液压驱动，以便于当工具在管件外部绕着管件接缝作圆周运动时能在管件的内部跟随工具的运动路线。当完成管件的接缝时，心轴60被重新设置，从而可移动到下一个管件接缝处。尽管该心轴60能有效地为位于相反侧的工具提供支撑，但液压装置和控制装置是昂贵的，因而管线的构建成本也很高。对直径为12英寸的管件执行FSW所需的心轴60如采用这样的设计，则其重量达到约800lb。这就意味着对心轴的移动需要额外的设备和支撑件。另外的缺陷在于该心轴结构还必须增加另外的液压装置和推压机构，以将两管段对齐，这进一步增加了心轴60的重量。尽管这种设计在本领域内是可行的，但心轴的设计最好是具有更轻的重量和更低的成本，这可提高管线FSW操作的速度，并降低成本。
因而，需要一种更便宜、更简单、重量更轻的管撑架，其可被更容易地部署到生产现场。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可扩张的心轴，其比现有技术中使用的心轴更为简单。
本发明的另一个目的是提供一种可扩张的心轴，其重量更轻，因而比现有技术中使用的那些心轴更易于使用。
本发明的再一个目的是提供一种可扩张的心轴，其易于沿管件的长度方向移动，以便于对其自身进行重新定位，以使用在随后的搅拌摩擦焊操作地点处。
本发明涉及一种心轴，其对由搅拌摩擦焊工具施加在管件或其它弧形表面外侧上的压力提供对顶的平衡力，其中，可借助于楔形体使该心轴扩张，且该心轴允许多个搅拌摩擦焊头同时在弧形表面上执行焊接操作。
为此，本发明提出一种用在管件的搅拌摩擦焊中的心轴，所述心轴包括：心轴壳体，其形成为中空的柱体，该柱体外径小于管件的内径，其中，该柱体在其上具有间隙，该间隙沿所述柱体的长度方向延伸；以及用于扩张心轴壳体的装置，以将间隙扩宽到所需的宽度。
本发明还提出一种用于给正在接受搅拌摩擦焊的管件的内部提供心轴的方法，所述方法包括如下步骤：(1)设置心轴壳体，该心轴壳体形成为中空的柱体，其外径小于管件的内径，其中，该柱体在其上具有间隙，该间隙沿所述柱体的长度方向延伸；并且设置用于扩张心轴壳体的装置，以能够将间隙扩宽到所需的宽度；以及(2)扩张心轴壳体，使得心轴壳体的外径与管件的内径相接触。
对本领域技术人员来讲，基于结合附图所作的以下详细描述，可清楚地认识到上述内容以及本发明的其它方面、特征、优点以及备选方面。
附图说明
图1是现有技术所教导的用于搅拌摩擦焊的工具的透视图；
图2是透视图，其表示可更换的多晶立方氮化硼(PCBN)顶端、锁紧轴环、以及杆体；
图3是透视图，其表示了现有技术中的多个焊接工位，这些工位用来将焊条逐层地敷设上去，以在管段之间形成熔融焊接接缝；
图4是透视图，其表示了能对管段进行连接的搅拌摩擦焊机；
图5是透视图，其表示了目前对管件执行搅拌摩擦焊时使用的旋转心轴“管撑架(pipe pig)”的现有设计；
图6是心轴壳体的透视图；
图7是透视图，其表示了连接有用于扩张间隙的唇缘的心轴壳体；
图8是心轴壳体的透视图，其表示出了用于扩张心轴壳体上间隙的装置；
图9是剖面透视图，其表示了心轴壳体以及用于扩张该心轴壳体上间隙的装置；
图10是剖面透视图，其表示了心轴壳体以及布置在管件内的用于扩张该心轴壳体上间隙的装置；以及
图11是心轴壳体的端视图，其表示出了缆索系统以及用于在扩张楔形体回缩时将间隙封闭的销体。
具体实施方式
下面将参照本发明的细节内容，其中，将对本发明的各个组成元件进行描述和讨论，以使得本领域技术人员能制出并使用本发明。可以理解：下文的描述仅是对本发明原理的示例性解释，不应当被看作是限制性的。
本发明的当前优选实施方式是一种可扩张的心轴，其用在对管件等弧形表面执行搅拌摩擦焊的操作中。所开发出的可扩张心轴的设计理念被证明是简单、轻量化、且便宜的方案。下面将逐步地对该心轴的结构进行描述。
图6表示了心轴壳体72的第一种实施方式，该壳体构成了本发明心轴或“管撑架(pipe pig)”70的外壳。心轴壳体72是中空的柱体，沿其长度方向设置有开口或间隙74。心轴壳体72的直径被选定为：当允许间隙74闭合时，使得心轴壳体可在需要焊接的管段(未示出)内滑动。
图6还表示出了制在心轴壳体72的内径78上的消力切口76，从而使得心轴壳体在这些消力切口76的位置处能弹性弯折。一旦心轴壳体72被机加工而成之后，唇缘80就被焊接到心轴壳体72内径78上的适当位置处，如图7所示，该位置紧邻着间隙74。
在唇缘80被焊接就位之后，对心轴壳体72进一步进行改造，以便于当没有外力施加到心轴壳体上时间隙74自然地处于闭合状态。如本领域技术人员公知的那样，通过使熔融焊道与消力切口76的长度方向平行，并使其相互之间等角距分布，就能实现间隙74的这种闭合状态。换言之，在心轴壳体72的内侧以均匀的位置间距设置足够数目的焊道，以使得心轴壳体出现变形，从而，由于使焊道固化会产生残余应力，从而使得间隙74被闭合。因而，如果间隙74被强制地分开，则心轴壳体72现在将回弹至闭合状态。
在图8中，管撑架70的下一个部件提供了这样的机构：当需要时，其可将心轴壳体72扩张开，并将间隙74张开。因而，设置了扩张楔形体82，其可被插入到心轴壳体72的各唇缘80之间。需要注意的是：与唇缘80接触的扩张楔形体82的角度构造成使扩张楔形体易于向上移动到间隙74中，从而，只要扩张楔形体被推顶在唇缘80上，就能将间隙不断地扩宽。
当扩张楔形体82与管件的内部接触到时，或者当心轴壳体72的外径抵接住管件内径而不再向外扩张时，心轴壳体72的扩张便停止。
图8还表示出了平台或板件84、以及设置在该板件上的多个液压缸86。液压缸86推顶着板件84和扩张楔形体82，以使得扩张楔形体向上移动到间隙74中。可以设想：还可对液压缸86的底部进行改造，以使其配合于心轴壳体72的内侧。但是，由于心轴壳体被设计成可扩张和回缩，所以，液压缸86的底部应当能补偿形状的变换。
应当指出的是：可使用单个液压缸86来取代图示的多个液压缸。另外，心轴壳体72、唇缘80、可扩张楔形体82、以及板件84的长度都可根据所要求的场合进行改造。因而，在管件内部的空间或水平截面长度受限的应用场合中，可使用长度较小的系统。
类似地，上文列出的各个部件的长度也可被扩大，以便于在管件被该单个管撑架70支撑着的情况下，能用多个工具对管件同时执行搅拌摩擦焊。
图9和图10表示了如何将楔形体82定位成可经由心轴壳体72的唇缘80向外滑动，当间隙达到其所允许的最大宽度时，如果间隙74足以容纳扩张楔形体，则就实现上述定位。图9是本发明的剖面视图，其还表示出了液压缸86的剖面图。图10中的剖面图表示出了图9中的所有元件，但还表示出了管件90。该视图还表示出了接缝96，该接缝是被执行搅拌摩擦焊的管件之间的接缝。
图10表示完全插入到唇缘80之间的扩张楔形体82。当卸载液压缸86中的液压时，心轴壳体72回缩，心轴壳体在弹力作用下将闭合。这样，心轴壳体72就可在管件90中被移动到不同的位置处。心轴壳体72被移动到需要扩张的下一处管件接缝处。图中未表示出通向液压缸86的液压软管和配件。但是，这些软管和配件被布置在心轴壳体72的一端处，以便于与液压缸86进行连接。
应当指出的是：管撑架70不仅提供了对管件90执行搅拌摩擦焊所必需的对顶平衡力，而且还具有使管件90的各段进一步对齐的功能。
还可以注意到：支撑着液压缸86的板件84与心轴壳体72连接，从而，扩张楔形体82能够从间隙74处退回，而不会将板件抬起。
下文描述的是一些针对上述设计的心轴壳体72可作的改进措施，这些改进能提高管撑架70的操作。例如，可以机加工出一些贯通心轴壳体72的孔，以使得心轴壳体塌缩时能允许空气经这些孔流动。这将在心轴壳体72的底部处形成“空气轴承”，从而一个人就可以将管撑架70容易地移动到需要执行搅拌摩擦焊的下一管件接缝处。
本发明的再一个方面是可在与液压缸86相连的液压软管上使用快速脱开件，从而，当将管撑架70重新定位到下一管件接缝处时，能快速地脱开软管并重新进行连接。
在本发明的再一方面，可使用多种材料来制造心轴壳体72。可以采用弹簧钢，以便使心轴壳体72始终保持在放松的闭合状态。该材料必须要始终处于弹性范围，且不易于释放应力。这样将使心轴壳体72始终保持其形状。如果心轴壳体的确开始丧生其保形性，且在放松状态时向外弹扩从而能看到间隙74，则可沿内径的长度方向设置更多的焊道，以恢复残余应力，该残余应力将使得心轴壳体72闭合。
本发明的再一方面在于：扩张楔形体可被制成不同的尺寸，以补偿管段的不同误差限。
本发明的另一方面在于：可在心轴壳体72的外表面上使用涂敷层(TiN、TiCN等)，由此来防止在执行搅拌摩擦焊的过程中管件接缝与心轴壳体发生扩散焊接。
本发明的又一方面在于：本发明可用于任意直径的管件。
应当指出的是：连接了杆柱(未示出)，其用于将液压软管传送经过下一管段。
本发明的另一方面是由一种装置实现的，该装置用于将心轴壳体72在处于放松状态时牵拉为闭合态。如图11所示，扩张楔形体82可包括支柱或销体92、以及布置在这些支柱或销体之间的缆索94。缆索94绕过位于心轴壳体72两唇缘80上的销体92。当扩张楔形体82回缩时，缆索94实现了对两唇缘80进行牵拉的功能，从而使它们强制靠近，进而将间隙74闭合。可以预计：如果需要的话，可在心轴壳体72的两端都设置这种由销体92和缆索94构成的系统。
可以理解：上文描述的各种布置仅是本发明原理的应用示例。本领域技术人员在不脱离本发明范围和基本思想的前提下可设想出多种变型和替换方案。本申请提出的权利保护应涵盖这些变型和替换方案。

Claims (20)

1.一种用在管件的搅拌摩擦焊中的心轴，所述心轴包括：
心轴壳体，其形成为中空的柱体，该柱体外径小于管件的内径，其中，该柱体在其上具有间隙，该间隙沿所述柱体的长度方向延伸；以及
用于扩张心轴壳体的装置，以将间隙扩宽到所需的宽度。
2.根据权利要求1所述的心轴，其特征在于，所述用于扩张心轴壳体的装置还包括：
至少一个液压驱动装置；以及
扩张楔形体，其与所述至少一个液压驱动装置相连，并布置成当所述至少一个液压驱动装置被操作时将间隙扩宽。
3.根据权利要求2所述的心轴，其特征在于，所述至少一个液压驱动装置是液压缸。
4.根据权利要求2所述的心轴，其特征在于，所述至少一个液压驱动装置还包括平台，所述至少一个液压驱动装置可安置在该平台上。
5.根据权利要求4所述的心轴，其特征在于，所述平台还包括多个将其贯穿的孔。
6.根据权利要求2所述的心轴，其特征在于，所述心轴还包括位于其内径上的多个消力切口，其中，消力切口平行于所述柱体的长度方向。
7.根据权利要求2所述的心轴，其特征在于，所述心轴还包括两个唇缘，各唇缘布置在间隙两侧的附近。
8.根据权利要求7所述的心轴，其特征在于，各唇缘锥形地相互离开并且远离间隙。
9.根据权利要求2所述的心轴，其特征在于，当心轴壳体静止时，心轴壳体上的间隙是闭合的。
10.根据权利要求9所述的心轴，其特征在于，心轴壳体具有残余应力，这些残余应力使得心轴壳体在间隙处闭合。
11.根据权利要求10所述的心轴，其特征在于，通过平行于间隙并且彼此等距间隔地在心轴壳体上布置多条熔融焊道，而产生所述残余应力。
12.根据权利要求2所述的心轴，其特征在于，扩张楔形体的尺寸可改造成：当使用较大的扩张楔形体时，能将心轴扩得更大，当使用较小的扩张楔形体时，能使心轴壳体扩张较小的幅度，由此能够采用同一心轴壳体来容纳不同直径的管件。
13.根据权利要求2所述的心轴，其特征在于，心轴壳体的外径上涂覆有一种材料，其防止管件在搅拌摩擦焊过程中与心轴壳体发生扩散焊接。
14.根据权利要求7所述的心轴，其特征在于，所述心轴还包括用于将间隙的边缘与可扩张楔形体连接起来的装置，其中，使可扩张楔形体从间隙处回缩的操作使得间隙的边缘相互移近。
15.根据权利要求7所述的心轴，其特征在于，所述心轴还包括：
设置在各唇缘第一端的第一和第二支柱；
设置在可扩张楔形体第一端的第三和第四支柱；以及
与第三和第四支柱相连的缆索，其布置成绕过第一和第二支柱，其中，使可扩张楔形体从间隙处回缩的操作使得缆索将间隙闭合。
16.一种用于给正在接受搅拌摩擦焊的管件的内部提供心轴的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)设置心轴壳体，该心轴壳体形成为中空的柱体，其外径小于管件的内径，其中，该柱体在其上具有间隙，该间隙沿所述柱体的长度方向延伸；并且设置用于扩张心轴壳体的装置，以能够将间隙扩宽到所需的宽度；以及
(2)扩张心轴壳体，使得心轴壳体的外径与管件的内径相接触。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法还包括如下的步骤：
(1)设置至少一个液压驱动装置，并设置扩张楔形体，其与所述至少一个液压驱动装置相连；以及
(2)当所述至少一个液压驱动装置被操作时，将间隙扩宽。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在心轴壳体中产生残余应力的步骤，残余应力使得心轴壳体在没有受到外力作用时在间隙处闭合。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：使可扩张楔形体从间隙处回缩，由此使得间隙的边缘相互移近。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：在心轴壳体上形成多个切口，以使得心轴壳体能扩张和收缩。
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