CN101559530B - 用于连接管底和管的方法以及用于实施该方法的摩擦工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于旋转的摩擦工具连接管束传热器中的管底(10)与管(11)的方法。在此，使所述摩擦工具旋转地沿其轴线方向运动到一个由所述管底(10)包围的管(11)的敞开端部中并且以如下方式压到管(11)的端面上，使得管端部(12)和所述管底(10)的包围该管端部的区域塑化并且相互形成焊接连接。

Description

用于连接管底和管的方法以及用于实施该方法的摩擦工具
技术领域
本发明涉及一种用于借助于旋转的摩擦工具连接管束传热器中的管底与管的方法。
背景技术
传热器是把一个介质的热向另一个介质传递的装置，其方式是，例如一个第一介质流过数个管，这些管位于第二介质中并且因此同样地由所述第二介质绕流。为了能够实现这一点，所述第一介质通常流过许多封闭在一个具有用于第二介质的进口和出口的容器或者套筒中的管。当所述第一介质例如是冷却水(该冷却水在冷却一个设备时强烈变热)时，第二介质例如可以是空气或者油，其在另一个部位上被使用来用于加热。管(所述第一介质被引导通过这些管)通常以彼此间的小间距保持在管底中，而所述管底本身由所述热交换器的外壳或者套筒承载。通常所述管通过辊压或者卷边固定在管底中，这在运行开始时对于存在的工作条件一般是足够的。在所述热交换器继续运行的进程中在此出现的温度负荷以及振动负荷，所述连接部分地松动并且于是不再满足密封性要求。结果是需要进行更新或者具有相应的设备停机时间的昂贵的维修。
因此现在已经有人借助于YAG激光器把管焊接在管底上，这要求高耗费的过程控制和过程引导。然而在此在焊缝中出现排气，这会导致微孔形成。这种激光焊接方法的另一个缺点在于，由于激光焊接的焊缝区域中很小的可延展性要求约0.8×管厚的、相当大的焊入深度。然而这样的焊入深度用所述YAG激光器不是在所有的构型中都能够达到。因为由于所要求的焊接速度和作为基础的几何形状的窄半径不能够用焊接填充料工作，所以在可预见的时间内用所述YAG激光器焊接方法不能够达到满意的结果。
另一个公知的焊接方法是MIG方法，用该MIG方法可以达到焊缝的视觉上良好的外观。然而由于复杂的热引导，总是出现几乎一直达到MIG焊缝表面以下的应力裂纹，这些应力裂纹有损于结构的完整性。一般的情况下处于铝工件上的高熔点氧化物外皮对于该焊接方法是一种妨碍，因为必须首先熔化该氧化物外皮，直到达到满意的连接。铝的约660℃的熔化温度与所述氧化物的约2050℃的熔化温度之间的差需要使氧化物熔化掉，否则这些氧化物就会作为扩散壁垒妨碍焊接。然而，为此所需要的高能量却对待焊接工件的低熔点的合金成分有负面影响。结果是在焊缝区域中导致最终固结或者硬化。
从DD 205 357公开了一种用于建立摩擦焊接连接的方法，其中例如制造用于热交换器的管底。为此目的，待连接的部分被固定地卡住并且在待焊接的焊缝的区域中借助于旋转的和产生焊接热的摩擦环加热并且焊接。在此使用的摩擦环用作焊接填充料并且可以根据待执行的焊接任务在横截面上不同地构成。因此导致作为所述摩擦工具的部分的摩擦环的损耗。
从US 2007/0138237公开了一种在管底中焊接热交换器管的管端部的方法，其中不同地形成的摩擦工具作用在所述管端部上并且通过加热焊接所述管端部。在一个实施方式中，该圆柱形的摩擦工具为此具有与待焊接的管相同的直径。在另一个实施方式中，所述摩擦工具的直径小于待焊接的管的外直径，但大于其内直径。在又一个实施方式中，所述圆柱形的摩擦工具的端侧轮廓成型部，所述管与这些轮廓成型部接触。
发明内容
本发明的任务是，提供一种相对现有技术改善了的、用于在一个管束传热器中连接管底和管的方法和一种适用于此的摩擦工具。
本文开头所述类型的方法用于解决该任务，该方法的特征在于，使所述摩擦工具旋转地沿其轴线方向运动到一个由所述管底包围的管的敞开端部中并且以如下方式压到该管的端面上，使得管端部和管底的包围该管端部的区域被塑化并且相互形成焊接连接。
用于实施该方法的摩擦工具的特征在于一个柄，该柄在其自由的、不被设置用于夹紧的端部上具有一个圆柱形的摩擦销，所述摩擦销在摩擦焊接时不损耗，其特征还在于一个与所述摩擦销连接的环圈，该环圈具有大于该摩擦销的外直径并且具有一个肩台，所述肩台形成从所述环圈到所述摩擦销的过渡。
根据本发明，首先制造一个具有专门用于当时的应用情况的形状的摩擦工具并且使之设有适配于当时的材料对的轮廓成型部。然后使所述摩擦工具以其圆柱形的摩擦销运动到一个自由的管端部中并且快速旋转，就像其对于摩擦搅拌焊接通常的并且由此对于本领域技术人员所公知的那样。最后，通过使所述摩擦销进一步向内运动到所述自由的、图中未示出的管端部中，一个设有轮廓成型部的肩台与所述自由的管端部发生接触并且在此产生这样高的摩擦热，使得所述自由的管端部和管底的包围该管端部的区域被塑化并且相互形成环形连接(Kreisverbindung)。
附图说明
下面参照附图详细地说明本发明；在附图中：
图1示出一个带有管的管底和插入到管端部中的摩擦工具的局部；
图2示出图1中的摩擦工具的立体图；及
图3示出图2中的沿箭头A的方向观察的摩擦工具的端面视图。
具体实施方式
图1示出一个管底10的剖面，一个管11以轻微的、向上的突出距离插入并且保持在该管底中。在所述管11的自由端部中插入一个摩擦工具11，所述摩擦工具在上端具有一个柄1，用于夹紧到一个未示出的摩擦搅拌焊接机的焊接主轴中。在相反对置的下端设置一个圆柱形的摩擦销2，该摩擦销在工作时运动到管11的自由端部中。本领域技术人员清楚的是，为此要进行摩擦销2的外直径与管11的内直径的匹配。
在摩擦销2与柄1之间设置一个第一环圈(Bund)3和一个第二环圈5，这些环圈的外直径不同，确切地说，其方式是，第一环圈3的外直径大于摩擦销2的外直径，而第二环圈5的外直径大于第一环圈3的外直径。通过这种方式，第一环圈3在向摩擦销2的过渡部上构成一个轴向取向的第一肩台4并且在向第二环圈5的过渡部上构成一个第二肩台6。然而在焊接时所述第二肩台6一般情况下不具有功能。因此该第二肩台也可以锥形地或者球形地形成。所述工具利用平行于第二肩台6、然而有间距地在其上方延伸的环形面支撑在未示出的焊接主轴上。
所述摩擦工具在例如沿箭头X的方向旋转时接触管11的端面12并且在此产生这样高的热，使得所述管11的在端面12的区域中的材料被塑化。此外，因为第一肩台4的径向延伸大于管11的外直径，所以该第一肩台4还接触所述管底10的邻近管11的区域并且同样通过在摩擦过程中产生的热塑化该区域，由此使这两个塑化了部分10和11连接并且形成一个焊缝。
为了改善待形成焊缝的区域中的热产生并且从而快速地塑化管底10和管11，第一肩台设有例如一个或者多个螺旋形延伸的槽形式的轮廓成型部，其具有半圆形、三角形或者矩形的横截面。在图3所示的实施例中可以看到两个螺旋形的槽，它们相互错位并且从内向外延伸、即从圆柱形的摩擦销2的外直径向第一环圈3的外直径延伸。
摩擦销2既用于支撑也用于通过摩擦进一步加热所述管。理想的是，摩擦销首先与管11的内部接触。因此也可以考虑所述摩擦销的锥形造型。然后，肩台4使管4与板11的过渡部变热和塑化。在试验中不仅在肩台4上而且在摩擦销2上沉积的铝表明，摩擦销2也参与摩擦过程。

Claims (6)

1.一种用于借助于旋转的摩擦工具连接管束传热器中的管底(10)与管(11)的方法，其特征在于，使所述摩擦工具旋转地沿其轴线方向运动到一个由所述管底(10)包围的管(11)的敞开端部中并且以如下方式压到管(11)的端面上，使得管端部(12)和所述管底(10)的包围该管端部的区域塑化并且相互形成焊接连接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用摩擦工具，该摩擦工具的特征在于柄(1)，该柄在其不是设置用于夹紧的自由端部上具有一个圆柱形的摩擦销(2)，该摩擦销在摩擦焊接时不损耗，其特征还在于一个与该摩擦销(2)连接的环圈(3)，该环圈外直径大于所述摩擦销(2)的外直径并且具有一个肩台(4)，该肩台构成从环圈(3)到摩擦销(3)的过渡部。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述环圈(3)的肩台(4)设有至少一个轮廓成型部(7)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述肩台(4)中的轮廓成型部(7)从摩擦销(2)的方向观察是凹的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述肩台(4)中的轮廓成型部(7)的横截面为半圆形、矩形或者三角形。
6.一种用于制造管束传热器的方法，其特征在于，管(11)和管底(10)通过如权利要求1所述的方法结合。
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