CN105127580A - 一种薄壁不锈钢管端复合密封装置及密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁不锈钢管端复合密封装置及密封方法，包括用于支撑铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒的一端安装三爪卡盘上，所述铝合金棒另一端插入到薄壁不锈钢管中，铝合金棒与薄壁不锈钢管为过盈配合，在铝合金棒与薄壁不锈钢管配合处的上方安装有搅拌针，旋转臂与旋转筒固定连接，旋转筒一部分位于轴承内，轴承安装在固定筒内，固定筒通过支架固定；所述旋转筒的外壁设有若干圈轮齿，轮齿与齿轮啮合，齿轮通过齿轮轴与电机连接，电机安装在移动装置上。本发明利用对薄壁不锈钢管油浴加热使得薄壁不锈钢管膨胀，将低于室温的铝合金棒插入到薄壁不锈钢管中，不使用内部涨紧装置，在其他材料薄壁管件的焊接中具有通用性。

Description

一种薄壁不锈钢管端复合密封装置及密封方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁不锈钢管端复合密封装置及密封方法，属于金属材料加工领域。

背景技术

搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，简称FSW)是英国焊接研究所(TheWeldingInstitute)于1991年发明的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。搅拌摩擦焊技术已经在航空、航天、船舶、列车、电力和重型兵器等方面得到成功应用，然而当前在薄壁管的焊接方面仍然存在一些问题。

当管壁趋小时，焊接难度变大。专利(201410729971.X)提出了采用钨极惰性气体保护焊，解决小口径薄壁不锈钢管材的连接问题；专利(201010524846.7)提出一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，对小直径管嘴与铝合金薄壁结构结合处进行焊接，同样也是采用弧焊方法进行焊接。实际上，采用弧焊方法进行焊接(如交流钨极氩弧焊)对铝合金进行焊接时，极易导致裂纹和气孔，尤其在薄壁管件焊接时，焊接变形更为严重，废品率甚至达到70％。为了改进焊接质量，专利(201310096100.4)提出了一种热泵用小口径超薄壁高频焊接不锈钢管的生产方法，但焊接电流较高，达到230～235A，同时高频焊接的电效率低(约为50％左右)，工作电压电流太高，安全性差。郑英等人(专利号：201510118191.6、201510118211.X)提出了一种铝合金超大直径薄壁耐压管的生产方法，通过搅拌摩擦焊接的方法进行纵向焊缝焊接。但没有涉及不锈钢管的端面封焊技术。李辉等人(出自：AWJT2005，October20-23，Dalian，China，A42-A47)提出了一种薄壁铝合金筒体焊缝的搅拌摩擦焊接方法，但在焊接过程中，需要采用内部涨紧的装备保证焊件不变形，同时还需要从两边顶紧端盖，且所提出的方法适用于铝合金筒体端面具有开口的情况，即当端面要求彻底封闭时，所提出的方法将无法完成任务。在薄壁不锈钢管还没有检索到封闭方法。

可见，当薄壁金属管(壁厚小于1mm)需要端面封闭焊接时，面临着焊接难题，体现在：薄壁金属管端面封闭的要求，导致内部涨紧装置难以放入薄壁管件内部，从而由于缺乏内部支撑导致搅拌摩擦焊接失败。因此提出一种有效的薄壁不锈钢管端封焊方法和装置具有重要的现实意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种薄壁不锈钢管端复合密封装置及密封方法，不使用内部涨紧装置将薄壁不锈钢管和铝合金棒连接，通过旋转搅拌头焊接薄壁不锈钢管和铝合金棒，克服了薄壁不锈钢管抗扭性能差的缺点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种薄壁不锈钢管端复合密封装置，包括用于支撑铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒的一端安装三爪卡盘上，所述铝合金棒另一端插入到薄壁不锈钢管中，铝合金棒与薄壁不锈钢管为过盈配合，薄壁不锈钢管一端通过薄壁夹具安装在旋转筒内，在铝合金棒与薄壁不锈钢管配合处的上方安装有搅拌针，搅拌针与搅拌头连接，搅拌头安装在旋转壁上，旋转臂与旋转筒固定连接，旋转筒一部分位于轴承内，轴承安装在固定筒内，固定筒通过支架固定，支架焊接在移动装置上；所述旋转筒的外壁设有若干圈轮齿，轮齿与齿轮啮合，齿轮通过齿轮轴与电机连接，电机安装在移动装置上；所述移动装置包含伺服电机、直线滑台和滑板，伺服电机与滑动轴连接，滑动轴与直线滑台螺纹连接，直线滑台的两侧设有直线导轨，直线导轨上安装有轨道滑块，滑板与直线滑台和轨道滑块固定连接，支架和电机均位于滑板上，伺服电机带动直线滑台移动，从而带动滑板移动。

作为优选，所述铝合金棒上设有若干个环形密封槽，靠近薄壁不锈钢管的环形密封槽一部分位于薄壁不锈钢管内，相邻环形密封槽的距离不小于搅拌头直径的1.5倍。

作为优选，所述环形密封槽纵截面为等腰梯形状，远离铝合金棒的为等腰梯形的上底，上底为下底的两倍，等腰梯形的底角为45°。

作为优选，所述上底长度为：

当0<d₀<10mm时，H＝0.8d₀；

当10≤d₀≤50mm时，H＝0.6d₀；

当d₀大于50mm时，H＝0.4d₀，d₀为铝合金棒的直径。

作为优选，所述铝合金棒与薄壁不锈钢管的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时的温度，t₀为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l--被加热孔的内径。

作为优选，所述铝合金棒伸入薄壁不锈钢管的长度不小于搅拌头直径的1.5倍，搅拌针的长度不小于1.5倍薄壁不锈钢管的壁厚。

作为优选，所述旋转臂为可伸缩臂。

一种上述的薄壁不锈钢管端复合密封装置的密封方法，包括以下步骤：

(1)根据实际需要，利用δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀确定过盈量δ，加工符合要求的铝合金棒，根据薄壁不锈钢管壁厚选择合适的搅拌针；

(2)将薄壁不锈钢管通过油浴加热至100℃，铝合金棒所处温度低于室温，然后迅速装配薄壁不锈钢管和铝合金棒并快速冷却，使进入管内的环形密封槽的一半宽度伸出不锈钢管端；

(3)将装配好的工件一端通过三爪转盘固定，另一端通过薄壁夹具固定在旋转筒内，其余部分则安装在滚轮架组上随工件转动而运转；

(4)先启动搅拌头，并使其缓缓的压入被焊区域进行预热，预热结束后开始旋转旋转筒，使搅拌针旋转一周后停止旋转旋转筒，缓慢的抽出搅拌头，当搅拌针完全脱离工件后方可停止搅拌头的转动；

(5)沿薄壁不锈钢管端切除铝合金棒，在匙孔及环形密封槽内填满密封胶，等待其完全凝固；

(6)薄壁不锈钢管的另一端重复步骤(2)～(5)，则完成薄壁不锈钢管端两端的复合密封。

有益效果：本发明的薄壁不锈钢管端复合密封装置，利用对薄壁不锈钢管油浴加热使得薄壁不锈钢管膨胀，将低于室温的铝合金棒插入到薄壁不锈钢管中，不使用内部涨紧装置，在其他材料薄壁管件的焊接中具有通用性；采用搅拌摩擦搭接焊和密封胶组合的方式完成管端的密封，既保证了焊接接头的强度又保证了不锈钢管端的气密性；通过将支架和电机设置在滑板上，在加工薄壁不锈钢管另一端时，装夹速度快，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为焊接接头剖面结构示意图；

图3为带有环形密封槽的铝合金棒截面放大2倍示意图；

图4为图1中移动装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的一种薄壁不锈钢管1端复合密封装置，包括用于支撑铝合金棒6的滚轮架组7，所述铝合金棒6的一端安装三爪卡盘17上，所述铝合金棒6另一端插入到薄壁不锈钢管1中，铝合金棒6与薄壁不锈钢管1为过盈配合，薄壁不锈钢管1一端通过薄壁夹具9安装在旋转筒10内，在铝合金棒6与薄壁不锈钢管1的焊缝4处的上方安装有搅拌针2，搅拌针2与搅拌头3连接，搅拌头3安装在旋转壁上，所述旋转臂8为可伸缩臂，旋转臂8与旋转筒10固定连接，旋转筒10一部分位于轴承11内，轴承11安装在固定筒12内，固定筒12通过支架13固定，支架13焊接在移动装置上；所述旋转筒10的外壁设有若干圈轮齿，轮齿与齿轮啮合，齿轮通过齿轮轴与电机15连接，电机15安装在移动装置上，移动装置安装在工作台18上；所述移动装置包含伺服电机19、直线滑台20和滑板18，伺服电机19与滑动轴连接，滑动轴与直线滑台20螺纹连接，直线滑台20的两侧设有直线导轨21，直线导轨21上安装有轨道滑块，滑板18与直线滑台20和轨道滑块固定连接，支架13和电机15均位于滑板18上，伺服电机19带动直线滑台20移动，从而带动滑板18移动。

在本发明中，所述铝合金棒6上设有若干个环形密封槽5，靠近薄壁不锈钢管1的环形密封槽5一部分位于薄壁不锈钢管1内，相邻环形密封槽5的距离不小于搅拌头3直径的1.5倍。所述环形密封槽5纵截面为等腰梯形状，远离铝合金棒6的为等腰梯形的上底，上底为下底的两倍，等腰梯形的底角为45°。所述上底长度为：当0<d₀<10mm时，H＝0.8d₀；当10≤d₀≤50mm时，H＝0.6d₀；当d₀大于50mm时，H＝0.4d₀，d₀为铝合金棒6的直径。

在本发明中，所述铝合金棒6与薄壁不锈钢管1的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时的温度，t₀为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l--被加热孔的内径。所述铝合金棒6伸入薄壁不锈钢管1的长度不小于搅拌头3直径的1.5倍，搅拌针2的长度不小于1.5倍薄壁不锈钢管1的壁厚。滚轮架组7可以调节滚轮之间的距离，以适应不同直径的管件。

一种上述的薄壁不锈钢管1端复合密封装置的密封方法，包括以下步骤：

(1)根据实际需要，利用δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀确定过盈量δ，加工符合要求的铝合金棒6，根据薄壁不锈钢管1壁厚选择合适的搅拌针2；

(2)将薄壁不锈钢管1通过油浴加热至100℃，铝合金棒6所处温度低于室温，然后迅速装配薄壁不锈钢管1和铝合金棒6并快速冷却，使进入管内的环形密封槽5的一半宽度伸出不锈钢管1端；

(3)将装配好的工件一端通过三爪转盘固定，另一端通过薄壁夹具9固定在旋转筒10内，其余部分则安装在滚轮架组7上随工件转动而运转；

(4)先启动搅拌头3，并使其缓缓的压入被焊区域进行预热，预热结束后开始旋转旋转筒10，使搅拌针2旋转一周后停止旋转旋转筒10，缓慢的抽出搅拌头3，当搅拌针2完全脱离工件后方可停止搅拌头3的转动；

(5)沿薄壁不锈钢管1端切除铝合金棒6，在匙孔及环形密封槽5内填满密封胶，等待其完全凝固；

(6)薄壁不锈钢管1的另一端重复步骤(2)～(5)，则完成薄壁不锈钢管1端两端的复合密封。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种薄壁不锈钢管端复合密封装置，其特征在于：包括用于支撑铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒的一端安装三爪卡盘上，所述铝合金棒另一端插入到薄壁不锈钢管中，铝合金棒与薄壁不锈钢管为过盈配合，薄壁不锈钢管一端通过薄壁夹具安装在旋转筒内，在铝合金棒与薄壁不锈钢管配合处的上方安装有搅拌针，搅拌针与搅拌头连接，搅拌头安装在旋转壁上，旋转臂与旋转筒固定连接，旋转筒一部分位于轴承内，轴承安装在固定筒内，固定筒通过支架固定，支架焊接在移动装置上；所述旋转筒的外壁设有若干圈轮齿，轮齿与齿轮啮合，齿轮通过齿轮轴与电机连接，电机安装在移动装置上；所述移动装置包含伺服电机、直线滑台和滑板，伺服电机与滑动轴连接，滑动轴与直线滑台螺纹连接，直线滑台的两侧设有直线导轨，直线导轨上安装有轨道滑块，滑板与直线滑台和轨道滑块固定连接，支架和电机均位于滑板上，伺服电机带动直线滑台移动，从而带动滑板移动。

2.根据权利要求1所述的薄壁不锈钢管端复合密封装置，其特征在于：所述铝合金棒上设有若干个环形密封槽，靠近薄壁不锈钢管的环形密封槽一部分位于薄壁不锈钢管内，相邻环形密封槽的距离不小于搅拌头直径的1.5倍。

3.根据权利要求2所述的薄壁不锈钢管端复合密封装置，其特征在于：所述环形密封槽纵截面为等腰梯形状，远离铝合金棒的为等腰梯形的上底，上底为下底的两倍，等腰梯形的底角为45°。

4.根据权利要求3所述的薄壁不锈钢管端复合密封装置，其特征在于：所述上底长度为：

当0<d₀<10mm时，H＝0.8d₀；

当10≤d₀≤50mm时，H＝0.6d₀；

当d₀大于50mm时，H＝0.4d₀，d₀为铝合金棒的直径。

5.根据权利要求4所述的薄壁不锈钢管端复合密封装置，其特征在于：所述铝合金棒与薄壁不锈钢管的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时的温度，t₀为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l--被加热孔的内径。

6.根据权利要求5所述的薄壁不锈钢管端复合密封装置，其特征在于：所述铝合金棒伸入薄壁不锈钢管的长度不小于搅拌头直径的1.5倍，搅拌针的长度不小于1.5倍薄壁不锈钢管的壁厚。

7.根据权利要求6所述的薄壁不锈钢管端复合密封装置，其特征在于：所述旋转臂为可伸缩臂。

8.一种如权利要求7所述的薄壁不锈钢管端复合密封装置的密封方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据实际需要，利用δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀确定过盈量δ，加工符合要求的铝合金棒，根据薄壁不锈钢管壁厚选择合适的搅拌针；

(2)将薄壁不锈钢管通过油浴加热至100℃，铝合金棒所处温度低于室温，然后迅速装配薄壁不锈钢管和铝合金棒并快速冷却，使进入管内的环形密封槽的一半宽度伸出不锈钢管端；

(3)将装配好的工件一端通过三爪转盘固定，调整滑板到合适的位置，另一端通过薄壁夹具固定在旋转筒内，其余部分则安装在滚轮架组上随工件转动而运转；

(4)先启动搅拌头，并使其缓缓的压入被焊区域进行预热，预热结束后开始旋转旋转筒，使搅拌针旋转一周后停止旋转旋转筒，缓慢的抽出搅拌头，当搅拌针完全脱离工件后方可停止搅拌头的转动；

(5)沿薄壁不锈钢管端切除铝合金棒，在匙孔及环形密封槽内填满密封胶，等待其完全凝固；

(6)薄壁不锈钢管的另一端重复步骤(2)～(5)，则完成薄壁不锈钢管端两端的复合密封。