CN102806420A - 一种提高薄壁管摩擦焊接头强度的新型加工方法 - Google Patents

Abstract

一种提高薄壁管摩擦焊接头强度的新型加工方法，如下：(1)根据所要求薄壁管尺寸，选择外径大于其外径5-20mm，内径小于其内径5-20mm的两个管材进行摩擦焊接；(2)摩擦焊接完成后，将以焊缝为中心的一段5-10mm管材加工成局部厚壁管以实现连接界面面积的增加，将两侧加工成所要求薄壁管尺寸，并实现厚壁与薄壁的圆滑过渡；其中，所述的薄壁管尺寸范围为：壁厚1～3mm，外径Φ30～80mm。本发明的优点在于：一、增加了过渡接头界面连接面积，接头质量大大提高。二、采用先焊厚壁管后加工接头的方法，解决了卡具使工件产生的塑性变形及装卡过程产生偏心的问题，接头质量得到保证。

Description

一种提高薄壁管摩擦焊接头强度的新型加工方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体说是一种提高薄壁管摩擦焊接头强度的新型加工方法。

背景技术

铝与不锈钢的焊接存在如下难点：

(1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点高、非常稳定、能吸潮、不易去除，在高真空下也不分解，可妨碍焊接过程的进行，可在焊接接头内生成气孔、夹渣、未熔合、未焊透等缺陷；

(2)铝与不锈钢物理性能上有很大差异，两者熔点、膨胀系数及导热系数相差悬殊，它们将影响焊接的热循环和结晶过程、焊接接头的应力状态及接头的焊接质量；

(3)两者有结晶化学性的差异，不锈钢主要成分是铁，铁与铝的晶格常数、原子半径、核外电子结构等差别较大，这决定了二者在液态和固态下几乎不能够相互溶解，二者主要是以脆性的金属间化合物的形式存在，使接头性能变脆，界面的结合性能大大降低。在焊接过程中极容易在界面上造成成分的不均匀、夹渣、微细裂纹等缺陷，因此普通的熔化焊接无法实现铝与不锈钢的优质连接。

摩擦焊是利用工件表面相互摩擦所产生的热，使端面达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法。连接铝与不锈钢的接头，具有外观美、气密性好、质量稳定、焊接强度高等特点。

摩擦焊原理为在压力作用下，被焊界面通过相对运动进行摩擦时，机械能转变为热能，被焊材质温度不断上升，伴随着摩擦过程的进行，工件亦产生一定的变形量，在适当的时刻，停止工件间的相对运动，同时施加较大的顶锻力并维持一定的时间，即可实现材质间的固相连接。

摩擦焊在实际生产中，尤其对于薄壁管的连接，常出现以下三个问题：

(1)对于薄壁管，任何一个缺陷都是极为严重的，接头质量往往得不到保证；

(2)卡具容易使薄壁管产生较大塑性变形，导致连接界面偏离标准圆形而无法对齐，使得接头质量大大降低；

(3)装卡工件时总会有不同程度的偏心，对薄壁管的对中性影响尤为巨大。

因此，如何实现薄壁管的优质摩擦焊连接已经成为生产中一重大问题。

发明内容

本发明是基于传统摩擦焊方法焊接薄壁管时卡具易使工件变形、装卡时易产生偏心及管壁过薄导致接头强度较低的问题，提出了一种先焊接两段外径大于要求薄壁管外径、内径小于要求薄壁管内径的厚壁管，后在机械加工过程中通过增加焊接界面面积以提高接头强度的新工艺。

本发明采用如下方法：

一种提高薄壁管摩擦焊接头强度的新型加工方法，方法如下：

(1)根据所要求薄壁管尺寸，选择外径大于其外径5-20mm，内径小于其内径5-20mm的两个管材进行摩擦焊接；

(2)摩擦焊接完成后，将以焊缝为中心的一段5-10mm管材加工成局部厚壁管以实现连接界面面积的增加，将两侧加工成所要求薄壁管尺寸，并实现厚壁与薄壁的圆滑过渡；

其中，所述的薄壁管尺寸范围为：壁厚1～3mm，外径Φ30～80mm。

本发明还具有如下特征：

所述的摩擦焊接方法为：

(1)一级摩擦阶段：在2-4Mpa的轴向压力下，将两个管材需要焊接的表面的相互摩擦5-10秒，此时焊接表面温度不断上升，摩擦表面两试件间动摩擦因数下降；

(2)二级摩擦阶段：增加轴向压力到4-6Mpa，并继续摩擦20-30秒，焊材温度进一步上升，使得靠近摩擦面铝合金达到热塑性状态；

(3)顶锻阶段：两个管材相对转动停止，同时施加12-15Mpa轴向压力，高温材料被大量挤出，飞边增大，焊缝金属产生变形、扩散以及再结晶。

相对于运用传统摩擦焊方法直接焊接薄壁管的方法，本发明具有如下显著效果：

一、增加了过渡接头界面连接面积，接头质量大大提高。

二、采用先焊厚壁管后加工接头的方法，解决了卡具使工件产生的塑性变形及装卡过程产生偏心的问题，接头质量得到保证。

附图说明

图1焊前厚壁管材示意图；

图2焊后连接接头示意图；

图3机械加工后对于内壁有较高要求的管的示意图。

图4为接头形式适用于对内壁无特殊要求的管的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种加强薄壁管摩擦焊接头强度的新型工艺流程。

实例1

以焊接外径Φ60mm、壁厚1mm的薄壁铝-不锈钢过渡接头为例，结合附图对具体实施步骤做详细说明：

一、如图1，准备外径Φ70mm、内径Φ40mm的铝管、不锈钢管各一段；

二、运用摩擦焊方法将两段管材连接起来，焊接过程分为如下阶段：

(1)一级摩擦阶段：在一个较小轴向压力下实现工件表面的相互摩擦，焊材温度不断上升，直至工件摩擦表面动摩擦因数达到一较小值，可有效防止“闷车”情况发生。

(2)二级摩擦阶段：工件相互摩擦同时增加大轴向压力，焊材温度进一步上升，使得靠近摩擦面铝合金达到热塑性状态。

(3)顶锻阶段：工件间相对转动停止，同时施加一巨大轴向压力，高温材料被大量挤出，飞边增大，焊缝金属产生变形、扩散以及再结晶。

摩擦焊工艺参数如下：

焊后情况如图2。

三、将焊后管件进行机械加工，将以界面为中心的一段5mm长的管件加工成尺寸如图3所示，外径Φ62mm、内径Φ58mm，并进行圆滑过渡，以减少应力集中。其中，对于内壁有较高要求的管产品可采用图3中形式。

实例2

以焊接外径Φ80mm、壁厚3mm的薄壁铝-不锈钢过渡接头为例，结合附图对具体实施步骤做详细说明：

一、如图1，准备外径Φ90mm、内径Φ65mm的铝管、不锈钢管各一段；

二、运用摩擦焊方法将两段管材连接起来，摩擦焊工艺参数如下：

焊后情况如图2。

三、将焊后管件进行机械加工，将以界面为中心的一段10mm长的管件加工成尺寸为外径Φ84mm、内径Φ74mm或外径Φ82mm、内径Φ72mm的管，两侧加工成所要求的薄壁尺寸，即外径Φ80mm、内径Φ74mm，并进行圆滑过渡。

实例3

以焊接外径Φ30mm、壁厚2mm的薄壁铝-不锈钢过渡接头为例，结合附图对具体实施步骤做详细说明：

一、如图1，准备外径Φ40mm、内径Φ20mm的铝管、不锈钢管各一段；

二、运用摩擦焊方法将两段管材连接起来，摩擦焊工艺参数如下：

焊后情况如图2。

三、将焊后管件进行机械加工，将以界面为中心的一段5mm长的管件加工成尺寸为如图4所示，外径Φ42mm、内径Φ36mm或外径Φ41mm、内径Φ35mm的管，两侧加工成所要求的薄壁尺寸，即外径Φ40mm、内径Φ36mm，并进行圆滑过渡，图4中接头形式适用于对内壁无特殊要求的管产品。

本技术的应用领域：

适用于薄壁管的摩擦焊连接，本技术可完美解决装卡过程中薄壁管易发生变形、偏心的问题；

适用于异种金属及需要大幅提高接头强度的管材摩擦焊连接，本技术通过增加焊接界面面积可大大提高接头强度。

Claims (2)

1.一种提高薄壁管摩擦焊接头强度的新型加工方法，其特征在于：方法如下：

(1)根据所要求薄壁管尺寸，选择外径大于其外径5-20mm，内径小于其内径5-20mm的两个管材进行摩擦焊接；

(2)摩擦焊接完成后，将以焊缝为中心的一段5-10mm管材加工成局部厚壁管以实现连接界面面积的增加，将两侧加工成所要求薄壁管尺寸，并实现厚壁与薄壁的圆滑过渡；

其中，所述的薄壁管尺寸范围为：壁厚1～3mm，外径Φ30～80mm。

2.根据权利要求1所述的一种提高薄壁管摩擦焊接头强度的新型加工方法，其特征在于：所述的摩擦焊接方法为：

(1)一级摩擦阶段：在2-4Mpa的轴向压力下，将两个管材需要焊接的表面的相互摩擦5-10秒，此时焊接表面温度不断上升，摩擦表面两试件间动摩擦因数下降；

(2)二级摩擦阶段：增加轴向压力到4-6Mpa，并继续摩擦20-30秒，焊材温度进一步上升，使得靠近摩擦面铝合金达到热塑性状态；

(3)顶锻阶段：两个管材相对转动停止，同时施加12-15Mpa轴向压力，高温材料被大量挤出，飞边增大，焊缝金属产生变形、扩散以及再结晶。

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