CN103894729B - 管道高频振动径向线性摩擦焊接装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道高频振动径向线性摩擦焊接装置，包括能够套在管道外表面的径向环，管道内设置有支撑栓，径向环的外表面上与若干沿周向均匀布置的径向顶块一端接触，若干径向顶块分别插在限位槽体上的若干限位槽中，且径向顶块的另一端与径向换向夹具的楔形内壁接触；换向夹具夹在由控制器控制的振动体上，振动体对换向夹具施力，通过换向夹具接触的顶块带动径向环沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环与管道摩擦生热，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接。本发明同时还公开了利用该装置的焊接工艺。

Description

管道高频振动径向线性摩擦焊接装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺与装置，尤其是一种管道高频振动径向线性摩擦焊接装置及工艺。

背景技术

目前，管道运输作为铁路、公路、海运、民用航空和长输管道五大运输行业之一,在国民经济建设中发挥着重要作用。其输送介质以常见的石油、天然气为主,另外还有工业用气体和化学液体。管道网的构建需要有效的管道焊接工艺来实施；此外，高效节能理念的提倡，对管道的高效连接提出了要求。

实现管道焊接的途径有很多，常见的焊接方法是电弧焊、激光焊、闪光对焊、高频旋弧焊、轴向摩擦焊、径向摩擦焊等。电弧焊是应用最为广泛的熔焊方法，也是管道焊接中常用的焊接工艺之一。管道铺设中，环形焊缝的焊接需要全方位焊来实现，要求焊接技术工人有足够的施焊经验才能完成。此外，熔焊是一个快速的物理化学冶金过程，容易形成气孔、夹杂和微裂纹等缺陷，影响焊接质量。其他焊接方法，如激光焊、闪光对焊、高频旋弧焊等，焊接不适合野外作业，限制着在管道焊接中的推广。

摩擦焊是一种固态连接方法，该方法通过材料之间的相互摩擦生热来加热母材，当母材达到焊接温度时，在顶锻力下实现工件的焊接。采用摩擦焊焊接直径为70mm的管，仅需十几秒即可完成，大大提升了焊接效率。

轴向摩擦焊焊接管道时，需要其中一个管道固定不动，另一个管道旋转并施加轴向顶力，然而这种方法很难焊接比较长的管道。

二十世纪末，人们发明了径向摩擦焊，采用径向摩擦焊的方法焊接管道，可以在管道静止情况下，利用第三摩擦体（径向环）的旋转摩擦，来实现管道的摩擦焊接。然而，径向摩擦焊工艺要求径向环同时旋转并受到径向压力，这就造成了设备的复杂性。

线性摩擦焊是摩擦焊的一种。在焊接压力作用下，其中一个焊件相对另一个焊件沿直线方向以一定的振幅和频率作直线往复运动，利用摩擦生热加热待焊接部件的表面，当摩擦表面达到粘塑性状态时，迅速停止摩擦运动，并施加顶锻力，完成焊接。线性摩擦焊具有运动形式简单、加压方便的特点。

目前还没有将线性摩擦焊和径向摩擦焊结合的焊接工艺及装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种管道高频振动径向线性摩擦焊接装置及工艺，径向线性摩擦焊技术不仅可以大大提高生产效率，还可以降低对工人焊接技能的依赖，从而缩短施工周期，降低工作成本。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种管道高频振动径向线性摩擦焊接装置，包括能够套在管道外表面的径向环，管道内设置有支撑栓，径向环的外表面上与若干沿径向环周向均匀布置的径向顶块一端接触，若干径向顶块分别插在限位槽体上的若干限位槽中，且径向顶块的另一端与径向换向夹具的楔形内壁接触；换向夹具夹在由控制器控制的振动体上，振动体对换向夹具施力，通过换向夹具接触的径向顶块带动径向环沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环与管道摩擦生热，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接。

所述支撑栓包括一圆台体和套在圆台体外部的锥形套，所述圆台体的斜面角度为10°；所述锥形套由两对称的半环形体组成，两半环形体外表面沿轴向为水平面，两半环形体的内壁沿轴向为斜面，半环形体内壁沿轴线方向与轴线之间有10°夹角。

所述限位槽体包括一环形体，所述环形体的圆周上均布有若干与环形体内腔相通的用于径向顶块插入其中的限位槽。

所述换向夹具为一圆环形结构，该圆环形结构的内表面成楔形，且楔形表面与圆环的中心线之间的夹角为15°。

所述径向顶块与换向夹具接触的端面与水平面之间具有15°夹角，且所述端面的倾斜方向与换向夹具的楔形表面倾斜方向相匹配。

一种利用管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，步骤如下：

第一、利用车床车削加工径向环与管道摩擦表面，对径向环与管道焊接处清洗，除去氧化物、油渍杂质，以免影响焊接质量；并将径向环与管道装配好；

第二步，把装配好的径向环与管道放置在限位槽体中，使其精确安装；

第三步，将管道对接，把支撑栓放在被焊管道内的接缝处，再将径向环套在管道外面的对接处，在焊接结束后，该支撑栓能够轻松被取出，减小了工作量，使用支撑栓能够避免焊接过程中管道产生较大的变形；

第四步，将限位槽体套在径向环的外面，把径向顶块精确插到限位槽中，限位槽用来导引径向顶块的径向运动，径向顶块顶端与径向环接触，焊接中径向顶块推动径向环，实现径向加压；

第五步，将换向夹具与径向顶块配合装配，换向夹具有15°斜面，径向顶块与换向夹具的接触面也成15°斜面；主要作用是把焊接中的轴向推力转换为径向推力；

第五步，换向夹具与径向顶块装配好后，将换向夹具夹在振动体上，在各组件完成装配后，由控制器控制的振动体对换向夹具施力，通过换向夹具接触的径向顶块带动径向环沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环与管道摩擦生热，由于摩擦生热，摩擦界面上的材料发生塑性变形、表面激活、扩散和动态再结晶而达到冶金接合，整个焊接过程分为三级加压，即一级初始摩擦压力、二级稳定摩擦压力和三级顶锻摩擦压力，摩擦压力逐级升高，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接；

第六步、焊接完成后，将整个装置由外至内逐个拆卸，得到符合要求的管道接头。

所述第五步中整个焊接过程的具体步骤如下：

1）整套装置装配完成后，由控制器设定各级压力和各级的摩擦时间参数；

2）启动施焊的振动体，实施高频振动径向摩擦焊接；

3）防止径向环与管道之间的摩擦阻力过大引起的系统抱死；当摩擦界面温度升高到1100℃后，施加50MPa～100MPa二级稳定摩擦压力,摩擦时间为3～50s，该压力能保证摩擦产热与热量的耗散的动态平衡；瞬间通过径向顶块施加100MPa～200MPa的三级顶锻摩擦压力，顶锻时间为0.2s到1s，同时振动频率降至为零，完成焊接。

本发明结合径向摩擦焊和线性摩擦焊的特点，提出了采用线性运动代替旋转运动应用到径向摩擦焊管道焊接技术上。本发明提出了一种快速高效高质的金属管道的连接方法，即管道的径向加压、线性摩擦的摩擦焊接方法。

本发明与径向摩擦焊所不同的是径向环不是旋转，而是高频振动线性摩擦，本发明设计了一套用于实现管道径向线性摩擦焊接的装置，该装置包括支撑栓、顶块、限位槽体、换向夹具。限位槽体由一系列的环形排列的凹槽组成，每个凹槽中能够放置一枚径向顶块，焊接中径向环做往复运动，顶块推动径向环与管道做往复摩擦运动，机械能转换成摩擦热能，在顶锻力作用下实现径向环与管道的有效连接。

本发明中的振动体和控制器为现有的设备，在此不再赘述。

本发明是将径向摩擦焊与线性摩擦焊技术综合应用到管道的连接中，焊接过程完全由焊接设备自动控制，人为因素很小。焊接过程中所需控制的焊接参数较少.只有压力、时间、频率和振幅等参数，有利于实现焊接自动化，提高生产效率，具有高效、高质和低污染等优点。与电弧焊、激光焊、闪光对焊、高频旋弧焊等熔焊技术相比，径向线性摩擦焊技术不仅可以大大提高生产效率，还可以降低对工人焊接技能的依赖，从而缩短施工周期，降低工作成本。

附图说明

图1是本发明一个实施例的整体装配剖视图；

图2是换向夹具结构示意图；

图3是径向顶块结构示意图；

图4是限位槽体结构示意图；

图5是支撑栓的圆台体结构示意图；

图6是支撑栓的锥形套结构示意图；

其中1换向夹具；2径向顶块；3限位槽体；4支撑栓；5径向环；6.管道；7.15°斜面，9.限位槽，10.环形体，11.斜面角度10°，12.圆台体端面，13.半环形体外表面，14.锥形套内斜10°面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以45钢径向环与45钢钢管的管道搭接径向线性摩擦焊接为例具体说明径向线性摩擦焊在管道焊接中的连接工艺与装置使用。

如图1-图6所示，一种管道高频振动径向线性摩擦焊接装置，包括能够套在管道6外表面的径向环5，管道6内设置有支撑栓4，径向环5的外表面上与若干沿径向环5周向均匀布置的径向顶块2一端接触，若干径向顶块2分别插在限位槽体3上的若干限位槽9中，且径向顶块2的另一端与径向换向夹具1的楔形内壁接触；换向夹具1夹在由控制器控制的振动体上，振动体对换向夹具1施力，通过换向夹具1接触的径向顶块2带动径向环5沿管道6轴向往复高频振动，同时换向夹具1受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环5与管道6摩擦生热，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接。

支撑栓4包括一圆台体和套在圆台体外部的锥形套，所述圆台体的斜面角度为10°（即圆台体端面12与侧面之间的夹角为80°或100°，其中，上端面与侧面之间的夹角为100°，下端面与侧面之间的夹角为80°）11,；所述锥形套由两对称的半环形体组成，两半环形体外表面13沿轴向为水平面，两半环形体的内壁沿轴向为斜面，半环形体内壁沿轴线方向与轴线之间有10°夹角（即锥形套内斜10°面14）。

限位槽体3包括一环形体10，所述环形体10的圆周上均布有若干与环形体10内腔相通的用于径向顶块2插入其中的限位槽9。

换向夹具1为一圆环形结构，该圆环形结构的内表面成楔形，且楔形表面与圆环的中心线之间的夹角为15°（即楔形表面为15°斜面7）。

径向顶块2与换向夹具1接触的端面与水平面之间具有15°夹角，且所述端面的倾斜方向与换向夹具1的楔形表面倾斜方向相匹配。

一种利用管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，步骤如下：

第一、利用车床车削加工径向环5与管道6摩擦表面，对径向环5与管道6焊接处清洗，除去氧化物、油渍杂质，以免影响焊接质量；并将径向环5与管道6装配好；

第二步，把装配好的径向环5与管道6放置在限位槽体3中，使其精确安装；

第三步，将需要焊接的两个管道6对接，把支撑栓4放在被焊管道6内的接缝处，再将径向环5套在管道6外面的对接处，在焊接结束后，该支撑栓4能够轻松被取出，减小了工作量，使用支撑栓4能够避免焊接过程中管道6产生较大的变形；

第四步，将限位槽体3套在径向环5的外面，把径向顶块2精确插到限位槽9中，限位槽9用来导引径向顶块2的径向运动，径向顶块2顶端与径向环5接触，焊接中径向顶块2推动径向环5沿着径向方向运动，实现径向加压；径向推块沿径向推挤径向环的同时，也在做轴向的往复运动。

第五步，将换向夹具1与径向顶块2配合装配，换向夹具1有15°斜面，径向顶块2与换向夹具1的接触面也成15°斜面；主要作用是把焊接中的轴向推力转换为径向推力；

第五步，换向夹具1与径向顶块装配好后，将换向夹具1夹在振动体上，在各组件完成装配后，由控制器控制的振动体对换向夹具1施力，通过换向夹具1接触的径向顶块带动径向环5沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具1受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环5与管道6摩擦生热，由于摩擦生热，摩擦界面上的材料发生塑性变形、表面激活、扩散和动态再结晶而达到冶金接合，整个焊接过程分为三级加压，即一级初始摩擦压力、二级稳定摩擦压力和三级顶锻摩擦压力，摩擦压力逐级升高，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接；

第六步、焊接完成后，将整个装置由外至内逐个拆卸，得到符合要求的管道接头。

所述第五步中整个焊接过程的具体步骤如下：

1）整套装置装配完成后，由控制器设定各级压力和各级的摩擦时间参数；

2）启动施焊的振动体，实施高频振动径向摩擦焊接；

3）防止径向环5与管道之间的摩擦阻力过大引起的系统抱死；当摩擦界面温度升高到1100℃后，施加50MPa～100MPa二级稳定摩擦压力,摩擦时间为3～50s，该压力能保证摩擦产热与热量的耗散的动态平衡；瞬间通过径向顶块施加100MPa～200MPa的三级顶锻摩擦压力，顶锻时间为0.2s到1s，同时振动频率降至为零，完成焊接。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，其特征是，所述焊接装置包括能够套在管道外表面的径向环，管道内设置有支撑栓，径向环的外表面上与若干沿径向环周向均匀布置的径向顶块一端接触，若干径向顶块分别插在限位槽体上的若干限位槽中，且径向顶块的另一端与径向换向夹具的楔形内壁接触；换向夹具夹在由控制器控制的振动体上，振动体对换向夹具施力，通过换向夹具接触的顶块带动径向环沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环与管道摩擦生热，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接；

所述焊接工艺步骤如下：

第一步、利用车床车削加工径向环与管道摩擦表面，对径向环与管道焊接处清洗，除去氧化物、油渍杂质，以免影响焊接质量；并将径向环与管道装配好；

第二步，把装配好的径向环与管道放置在限位槽体中，使其精确安装；

第三步，将管道对接，把支撑栓放在被焊管道内的接缝处，再将径向环套在管道外面的对接处；在焊接结束后，该支撑栓能够轻松被取出，减小了工作量，使用支撑栓能够避免焊接过程中管道产生较大的变形；

第四步，将限位槽体套在径向环的外面，把径向顶块精确插到限位槽中，限位槽用来导引径向顶块的径向运动，径向顶块顶端与径向环接触，焊接中径向顶块推动径向环沿着径向方向运动，实现径向加压；

第五步，将换向夹具与顶块配合装配，换向夹具有15°斜面，顶块与换向夹具的接触面也成15°斜面；主要作用是把焊接中的轴向推力转换为径向推力；

第六步，换向夹具与顶块装配好后，将换向夹具夹在振动体上，在各组件完成装配后，由控制器控制的振动体对换向夹具施力，通过换向夹具接触的顶块带动径向环沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环与管道摩擦生热，由于摩擦生热，摩擦界面上的材料发生塑性变形、表面激活、扩散和动态再结晶而达到冶金接合，整个焊接过程分为三级加压，即一级初始摩擦压力、二级稳定摩擦压力和三级顶锻摩擦压力，摩擦压力逐级升高，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接；

第七步、焊接完成后，将整个装置由外至内逐个拆卸，得到符合要求的管道接头。

2.如权利要求1所述的管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，其特征是，所述支撑栓包括一圆台体和套在圆台体外部的锥形套，所述圆台体的斜面角度为10°；所述锥形套由两对称的半环形体组成，两半环形体外表面沿轴向为水平面，两半环形体的内壁沿轴向为斜面，半环形体内壁沿轴线方向与轴线之间有10°夹角。

3.如权利要求1所述的管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，其特征是，所述限位槽体包括一环形体，所述环形体的圆周上均布有若干与环形体内腔相通的用于径向顶块插入其中的限位槽。

4.如权利要求1所述的管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，其特征是，所述换向夹具为一圆环形结构，该圆环形结构的内表面成楔形，且楔形表面与圆环的中心线之间的夹角为15°。

5.如权利要求4所述的管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，其特征是，所述径向顶块与换向夹具接触的端面与水平面之间具有15°夹角，且所述端面的倾斜方向与换向夹具的楔形表面倾斜方向相匹配。

6.如权利要求1所述的管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，其特征是，所述第六步中整个焊接过程的具体步骤如下：

1）整套装置装配完成后，由控制器设定各级压力和各级的摩擦时间参数；

2）启动施焊的振动体，实施高频振动径向摩擦焊接；

3）防止径向环与管道之间的摩擦阻力过大引起的系统抱死；当摩擦界面温度升高到1100℃后，施加50MPa~100MPa二级稳定摩擦压力,摩擦时间为3~50s，该压力能保证摩擦产热与热量的耗散的动态平衡；瞬间通过径向顶块施加100MPa~200MPa的三级顶锻摩擦压力，顶锻时间为0.2s到1s，同时振动频率降至为零，完成焊接。