CN103170724B - 一种新的管板焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种新的管板焊接方法，其特征在于：针对管与板的连接对象，采用旋转的焊具通过摩擦、搅拌和顶锻的方式实现管与板的焊接；（1）焊具：焊具的工作端依次由球头、颈部和肩部三段连接组成；球头的直径与管的内径为过盈配合；肩部上第四圆弧段的顶点直径大于管的外径；球头的顶点至肩部上第四圆弧段的顶点在轴线方向的投影距离小于板的厚度；（2）焊接步骤：第一步，管与板支撑固定；第二步，球头嵌入管内；第三步，焊具一边旋转，一边作圆摆运动和轴向往复运动，以使板和管的结合部材料发生塑性变形；第四步，焊具退出管和板。本发明可适用于薄壁管和厚板的焊接，具有无需焊料和助焊剂、焊接强度高且环保、焊接后结构的残余应力和变形小等优点。

Description

一种新的管板焊接方法

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，具体涉及一种管板焊接方法。该管板焊接方法是一种专用于对接管和板的，类似于搅拌摩擦焊的固相焊接方法。

背景技术

现有技术中，对于管和板的焊接，通常采用氩弧焊，氩弧焊需用焊料，焊料与母料为不同材质，强度较低，且因为焊接时热影响区域大，焊接后结构的残余应力大，易发生变形。

另外，现有技术有一种名为搅拌摩擦焊的焊接方式。搅拌摩擦焊，是将一个焊具的突出段伸入工件的接缝处，通过焊具的高速旋转，焊具的突出段在材料内部进行摩擦和搅拌，焊具的肩部与工件表面摩擦生热，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时焊具还沿工件的接缝向前移动，使金属向焊具后方流动从而形成致密焊缝。此种焊接方式，无需焊料和助焊剂，焊接强度高且环保，同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力和变形也较氩弧焊等熔化焊小得多。但，搅拌摩擦焊有一特点：焊缝宽而浅，焊缝宽度至少是焊缝的深度的3-5倍。若将搅拌摩擦焊用于焊接管和板，焊接时焊具要绕管周向作圆周运动，对于壁厚7.5mm的管焊接后的焊缝深度也最多达到3-5mm，这样焊接强度完全不够，是没有意义的，故，可以说现有的搅拌摩擦焊不适用于管和板的焊接。并且，目前搅拌摩擦焊仅能焊接同种材料或硬度差异较小的两种材料，如铜-铝，但对于铝-钢这种硬度差异大的两种材料无法焊接。

发明内容

本发明目的是提供一种新的管板焊接方法，完成管和板的焊接并仍具有现有搅拌摩擦焊的焊接强度高、环保，焊接后结构的残余应力和变形小的优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新的管板焊接方法，针对管与板的连接对象，采用旋转的焊具通过摩擦和顶锻的方式实现管与板的焊接；

（1）焊具

所述焊具具有一段柱体，柱体的一端为焊接的工作端，所述工作端为一个以各段母线绕柱体轴线旋转而形成的旋转体结构，该旋转体结构在柱体轴向上依次由球头、颈部和肩部三段连接组成，球头位于工作端的前端中心位置，肩部位于工作端的后端周边位置，颈部位于球头与肩部之间位置；球头对应的母线为一外凸的第一圆弧段，颈部对应的母线为与第一圆弧段连接的内凹的第二圆弧段，肩部对应的母线是由与第二圆弧段连接的一内凹的第三圆弧段以及与第三圆弧段连接的一外凸的第四圆弧段组成；

所述球头的直径与管的内径为过盈配合的尺寸关系；所述肩部上第四圆弧段的顶点直径大于管的外径；所述球头的顶点至肩部上第四圆弧段的顶点在轴线方向的投影距离小于板的厚度；

（2）焊接步骤

第一步，将管的端部装入板上所设的焊接孔中，使管的端面与焊接孔的孔端面平齐，并支撑固定；

第二步，焊具绕柱体轴线旋转，并伸向所述管端部，使焊具的球头嵌入管内，焊具的肩部第四圆弧的顶点与板上的焊接孔孔端面接触；

第三步，焊具一边旋转，一边作圆摆运动和轴向往复运动，以使板和管的结合部材料发生塑性变形；所述圆摆运动是指焊具以球头为中心倾斜，使焊具的柱体轴线与管的轴心线形成一夹角后，焊具绕管的轴心线的转动；所述轴向往复运动是指焊具沿柱体轴线的往复直线移动；

第四步，焊具退出管和板，板和管的结合部材料沉积连接成一体。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述焊具旋转的具体速度的选择范围较大，从20r/min至20000r/min都有可能，这是因为焊具的旋转速度是与被焊的管与板的材料硬度和管的直径相关，是要根据被焊的管与板的材料硬度和管的直径来进行设定的。焊具旋转速度的设定的目标是要焊具旋转后与被焊的管与板间的摩擦可以产生足够的热量使结合部的材料达到塑性变形状态。如管与板的材料硬度越低时，转速就需设定地越高，这是因为在同等转速下材料硬度越低磨擦产生的热量越少，要产生足够的热量就需要高的转速。如管的直径越大时，转速就需设定地越低，这是因为管直径越大，同等转速下的线速度就越大磨擦产生的热量也就越大，较低的转速就可以产生足够的热量。本领域的技术人员针对选定的管和板的材料、管的尺寸大小经有限次的试验即可确定合适的焊具旋转速度。

2、上述方案中，所述焊具的圆摆运动的速度以及柱体轴线与管的轴心线的夹角大小是与被焊的管与板的材料硬度、管的直径以及需要达到的焊缝深度相关，是要根据被焊的管与板的材料硬度、管的直径以及需要达到的焊缝深度来进行设定的。在被焊的管与板的材料硬度、管的直径以及需要达到的焊缝深度的这三个因素的变化影响下，圆摆运动的速度以及柱体轴线与管的轴心线的夹角大小的变化幅度也较大，通常焊具的圆摆运动的速度在焊具旋转速度的0.1%—10%范围内选择，柱体轴线与管的轴心线的夹角在1°—30°范围内选择。本领域的技术人员针对选定的管和板的材料、管的尺寸以及需要达到焊缝深度，通过有限次试验即可确定合适的圆摆运动的速度以及柱体轴线与管的轴心线的夹角大小。

3、上述方案中，所述焊具的轴向往复运动的行程和速度也同样与板的材料硬度、管的直径以及需要达到的焊缝深度相关，一般来说焊具的轴向往复运动的行程不是很大，一般在管的壁厚的0.1-5倍范围内选择，而焊具的轴向往复运动的速度在60-1000次/min范围内选择。本领域的技术人员针对选定的管和板的材料、管的尺寸以及需要达到焊缝深度，通过有限次试验即可确定合适的焊具的轴向往复运动的行程和速度。

本发明作用原理是：本发明专门设计了特殊形状的焊具，并以该焊具沿管的轴向伸向管端，使焊具的球头嵌入管内，焊具旋转，使焊具的球头与管内壁摩擦，焊具的肩部与板面摩擦，从而使管和板同步产生热量，使管和板的结合部材料温度升高而软化；并且，焊具同时作圆摆运动，该圆摆运动是对管和板的结合部进行搅拌使两者间的界线模糊，两者相互融合；同时，焊具还作轴向往复运动，该轴向往复运动是对管和板的结合部产生了近似锻的效果，将管和板的结合部材料顶压得更为融合、更为紧密，连接成一体。特别是对于管和板的材料硬度差异大的情况，焊具的这种轴向往复运动的作用更为重要也更为明显，焊具的轴向往复运动能很有效地将两种硬度差异大的材料融合并压紧成为一体。故，总得来说本发明是采用旋转的焊具通过摩擦、搅拌和顶锻的方式来实现了管与板的焊接，是一种全新的固相焊接方法，与现有搅拌摩擦焊从针对对象、方法步骤上均有着明显的不同。

由于上述技术方案运用，本发明具有以下优点：

1、本发明具有现有搅拌摩擦焊的一系列优点，如无需焊料和助焊剂，焊接强度高且环保，焊接温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力和变形也较氩弧焊等熔化焊小得多；

2、本发明专门针对管与板的焊接，特别适用于薄壁管和厚板的焊接，解决了现有薄壁管和厚板无法焊接的难题；

3、本发明不仅适用于同种材质的管与板的焊接，还适用于异种材质的管与板的焊接，特别是不管是硬度差异小的异种材质还是硬度差异大的异种材质均可焊接，如铝-铝、铜-铜、铝-铜、铜-钢、铝-钢、铝-钛、钢-钢。

附图说明

附图1为本发明的焊具及焊接步骤一中被焊的管、板定位后的状态示意图；

附图2为本发明焊接步骤二的状态示意图；

附图3为本发明焊接步骤三的状态示意图；

附图4为本发明焊接步骤四的状态示意图；

附图5为应用本发明焊接的管与板实例示意图。

以上附图中：1、管；2、板；3、焊具；4、球头；5、颈部；6、肩部；7、焊接孔；8、焊缝；a、第一圆弧段；b、第二圆弧段；c、第三圆弧段；d、第四圆弧段。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1-附图5所示：

一种新的管板焊接方法，针对管1与板2的连接对象，采用旋转的焊具3通过摩擦、搅拌和顶锻的方式实现管1与板2的焊接。

（1）焊具

如附图1所示，所述焊具3具有一段柱体，柱体的一端为焊接的工作端，所述工作端为一个以各段母线绕柱体轴线旋转而形成的旋转体结构，该旋转体结构在柱体轴向上依次由球头4、颈部5和肩部6三段连接组成，球头4位于工作端的前端中心位置，肩部6位于工作端的后端周边位置，颈部5位于球头4与肩部6之间位置。球头4对应的母线为一外凸的第一圆弧段a，颈部5对应的母线为与第一圆弧段a连接的内凹的第二圆弧段b，肩部6对应的母线是由与第二圆弧段b连接的一内凹的第三圆弧段c以及与第三圆弧段c连接的一外凸的第四圆弧段d组成；

所述球头4的直径A1与管1的内径B1为过盈配合的尺寸关系，即球头4的直径A1等于或略大于管1的内径B1。所述肩部6上第四圆弧段d的顶点直径A2大于管1的外径B2。所述球头4的顶点至肩部6上第四圆弧段d的顶点在轴线方向的投影距离A3小于板2的厚度B3。

（2）焊接步骤

第一步，将管1的端部装入板2上所设的焊接孔7中，使管1的端面与焊接孔7的孔端面平齐，并支撑固定，如附图1所示；

第二步，焊具3绕柱体轴线旋转，并伸向所述管1端部，使焊具3的球头4嵌入管1内，焊具3的肩部6第四圆弧d的顶点与板2上的焊接孔7孔端面接触，如附图2所示；

第三步，焊具3一边旋转，一边作圆摆运动和轴向往复运动，以使板2和管1的结合部材料发生塑性变形；所述圆摆运动是指焊具3以球头4为中心倾斜，使焊具3的柱体轴线与管1的轴心线形成一夹角α后，焊具3绕管1的轴心线的转动；所述轴向往复运动是指焊具3沿柱体轴线的往复直线移动，如附图3所示；

第四步，焊具3退出管1和板2，板1和管2的结合部材料沉积连接成一体，如附图4所示。

上述管1和板2的具体参数为：管1的材质为6063牌号的铝合金，管1外径B2为10mm，管1壁厚为1mm，板2的材质也为6063牌号的铝合金，板2的厚度B3为8mm，焊接所需达到的焊缝8的深度为3mm。这样的管1和板2的焊接即为典型的薄壁管与厚板焊接。

焊具3的肩部6上第四圆弧段d的顶点直径A2的大小决定了肩部6与板2的接触面积，实际中需根据板2厚度和管1壁厚的比值、管1的管径、管1材质、板2材质等因素来确定A2，目的是要通过调整肩部6与板2的接触面积来保证管1和板2能同步升温软化。根据上述具体参数，较佳可将肩部6上第四圆弧段d的顶点直径A2设定为14 mm左右。

焊具3的球头4的顶点至肩部6上第四圆弧段d的顶点在轴线方向的投影距离A3需小于板2的厚度B3，再要考虑管壁厚以及焊接所需达到的焊缝8的深度，故在本实施例将A3设定为3-7mm较佳。

在焊接步骤中，根据上述管1和板2的具体参数，可将焊具3的旋转速度设定为1000r/min—10000r/min，焊具3的圆摆运动的速度设定为焊具3旋转速度的1%，焊具3的圆摆运动时其柱体轴线与管的轴心线的夹角α为5°左右。焊具3的轴向往复运动的行程设定为1mm左右，速度为300次/min左右。

本实施例中焊具3采用硬质合金钢。

本实施例具有无需焊料和助焊剂，焊接强度高且环保，焊接温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力和变形也较氩弧焊等熔化焊小得多等优点。

经加压试验证明，管1原能承受8.0MPa压力，经本实施例焊接后仍能承受8.0MPa压力，即焊接处能承受的压力能达到了原材料所能承受的压力。

实施例二：参见附图1-附图5所示：

一种新的管板焊接方法，针对管1与板2的连接对象，采用旋转的焊具3通过摩擦、搅拌和顶锻的方式实现管1与板2的焊接。焊具3的结构以及焊接步骤大体如实施例一，其不同之处在于：管1和板2的具体参数：管1的材质为6063牌号的铝合金，管1外径B2为8mm，管1壁厚为1mm，板2的材质为钢，板2的厚度B3为5mm，焊接所需达到的焊缝8的深度为3mm。对于这个管1和板2，可将焊具3的肩部6上第四圆弧段d的顶点直径A2设定为12mm左右，焊具3的球头4的顶点至肩部6上第四圆弧段d的顶点在轴线方向的投影距离A3设定为3-5mm较佳。在焊接步骤中，根据上述管1和板2的具体参数，可将焊具3的旋转速度设定为950r/min—9500r/min，焊具3的圆摆运动的速度设定为焊具3旋转速度的1%以内，焊具3的圆摆运动时其柱体轴线与管的轴心线的夹角α为4.5°左右。焊具3的轴向往复运动的行程设定为1mm左右，速度为400次/min左右。

其他同实施例一，这里不再赘述。

上述实施例中，焊接步骤中涉及的焊具的旋转速度、焊具的圆摆运动的速度以及柱体轴线与管的轴心线的夹角大小、焊具的轴向往复运动的行程和速度这些具体参数均与管与板的材料硬度、管的直径、需要达到的焊缝深度相关。通过本发明原理的说明以及上述实施例的启发，本领域的技术人员针对选定的管和板的材料、管的尺寸以及需要达到焊缝深度，通过有限次试验即可确定合适的数值。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新的管板焊接方法，其特征在于：针对管与板的连接对象，采用旋转的焊具通过摩擦、搅拌和顶锻的方式实现管与板的焊接；

（1）焊具

所述焊具具有一段柱体，柱体的一端为焊接的工作端，所述工作端为一个以各段母线绕柱体轴线旋转而形成的旋转体结构，该旋转体结构在柱体轴向上依次由球头、颈部和肩部三段连接组成，球头位于工作端的前端中心位置，肩部位于工作端的后端周边位置，颈部位于球头与肩部之间位置；球头对应的母线为一外凸的第一圆弧段，颈部对应的母线为与第一圆弧段连接的内凹的第二圆弧段，肩部对应的母线是由与第二圆弧段连接的一内凹的第三圆弧段以及与第三圆弧段连接的一外凸的第四圆弧段组成；

所述球头的直径与管的内径为过盈配合的尺寸关系；所述肩部上第四圆弧段的顶点直径大于管的外径；所述球头的顶点至肩部上第四圆弧段的顶点在轴线方向的投影距离小于板的厚度；

（2）焊接步骤

第一步，将管的端部装入板上所设的焊接孔中，使管的端面与焊接孔的孔端面平齐，并支撑固定；

第二步，焊具绕柱体轴线旋转，并伸向所述管的端部，使焊具的球头嵌入管内，焊具的肩部第四圆弧的顶点与板上的焊接孔孔端面接触；

第三步，焊具一边旋转，一边作圆摆运动和轴向往复运动，以使板和管的结合部材料发生塑性变形；所述圆摆运动是指焊具以球头中心为基点倾斜，使焊具的柱体轴线与管的轴心线形成一夹角后，焊具绕管的轴心线的转动；所述轴向往复运动是指焊具沿柱体轴线的往复直线移动；

第四步，焊具退出管和板，板和管的结合部材料沉积连接成一体。

2.根据权利要求1所述的管板焊接方法，其特征在于：所述焊具旋转的速度在20r/min至20000r/min范围内选择。

3.根据权利要求1所述的管板焊接方法，其特征在于：所述焊具的圆摆运动的速度在焊具旋转速度的0.1%—10%范围内选择。

4.根据权利要求1所述的管板焊接方法，其特征在于：所述圆摆运动时焊头的柱体轴线与管的轴心线的夹角在1°—30°范围内选择。

5.根据权利要求1所述的管板焊接方法，其特征在于：所述焊具的轴向往复运动的行程在管的壁厚的0.1-5倍范围内选择。

6.根据权利要求1所述的管板焊接方法，其特征在于：所述焊具的轴向往复运动的速度在60-1000次/min范围内选择。