CN105127581A - 一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法，该装置包括夹持铝合金棒的三爪卡盘、支撑铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒插入到薄壁铝合金管内，薄壁铝合金管通过薄壁夹具夹持在旋转筒内，旋转筒通过轴承与固定筒连接，旋转筒的外壁上设有若干圈齿条，齿条与齿轮啮合，齿轮通过齿轮轴安装在电机上，所述旋转筒外壁上固定连接有旋转臂，旋转臂的端部安装有搅拌头，铝合金棒一端为直径小于铝合金棒的为轴身，轴身插入到薄壁铝合金管中。本发明的薄壁铝合金管端封焊装置，利用对薄壁铝合金管油浴加热使得薄壁铝合金管膨胀，将低于室温的铝合金棒插入到薄壁铝合金管中，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

一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法，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，然而当前在薄壁铝合金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，解决小口径薄壁铝合金管材的连接问题；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铝合金管的生产方法，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。但没有涉及铝合金管的端面封焊技术。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。

可见，当薄壁铝合金管(壁厚小于1mm)需要端面封闭焊接时，面临着焊接难题，体现在：1、壁厚较薄导致刚度和抗扭性能较差，难以直接夹持转动焊接；2、铝合金端面封闭的要求，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铝合金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铝合金管端封焊装置及焊接方法，不使用内部涨紧装置将薄壁铝合金管和铝合金棒连接，通过旋转搅拌头焊接薄壁铝合金管和铝合金棒，克服了薄壁铝合金管抗扭性能差的缺点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种薄壁铝合金管端封焊装置，包括夹持铝合金棒的三爪卡盘、支撑铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒插入到薄壁铝合金管内，薄壁铝合金管通过薄壁夹具夹持在旋转筒内，旋转筒通过轴承与固定筒连接，固定筒通过支架安装在工作台上，旋转筒的外壁上设有若干圈齿条，齿条与齿轮啮合，齿轮通过齿轮轴安装在电机上，电机固定在工作台上，所述旋转筒外壁上固定连接有可伸缩的旋转臂，旋转臂的端部安装有搅拌头，搅拌头下方安装有搅拌针，铝合金棒一端为直径小于铝合金棒的为轴身，轴身与铝合金棒形成轴肩，轴身插入到薄壁铝合金管中，轴身与薄壁铝合金管为过盈配合，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管上形成H型焊缝，从而实现薄壁铝合金管端的封焊。

作为优选，所述轴身与薄壁铝合金管的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管的温度，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--薄壁铝合金管的内径。

作为优选，所述轴身的长度不小于搅拌头直径的3.5倍，搅拌头上安装有搅拌针，搅拌针长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管壁厚。

作为优选，所述H型焊缝包括第一道环焊缝和第二道环焊缝，第一道环焊缝完成了铝合金管与轴肩的搭接焊，第二道环焊缝完成铝合金管与铝合金棒的对接焊。

一种如上述的薄壁铝合金管端封焊装置的焊接方法，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和轴身的直径，选取合适的轴身长度，加工符合要求的铝合金棒，根据薄壁铝合金管壁厚选择合适的搅拌针的长度；

(2)将薄壁铝合金管油浴加热至100℃，然后迅速装配薄壁铝合金管和铝合金棒并快速冷却后风干；

(3)将装配好的工件中铝合金棒一端安装在三爪卡盘上，另一端薄壁铝合金管通过薄壁夹具固定，调整搅拌头使其垂直向下对准薄壁铝合金管及铝合金棒的中轴线，并且搅拌针距离轴身边缘的距离要大于等于D，其中D为搅拌头的直径，搅拌头位于轴身端部的正上方；

(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，启动电机带动旋转筒转动，从而带动搅拌头转动，搅拌头搅拌一周后，电机停止工作，伸缩臂伸长，搅拌针继续保持高速转动并且沿铝合金棒轴线向铝合金棒一侧水平焊接一段距离，直到铝合金管与铝合金棒对接处停止移动，准备开始对接环焊缝的焊接；

(5)再次启动电机且旋转方向与之前一致，旋转筒旋转一周后对接环焊缝的焊接完成，此时停止电机，搅拌头继续保持高速转动并且向铝合金棒一侧水平移动一小段距离后，缓缓提升搅拌头，直到搅拌针完全脱离焊缝后再停止搅拌头的旋转，该侧管端焊接结束；

(6)按照步骤(1)和(2)，加工相同的轴身，装配好薄壁铝合金管和铝合金棒；

(7)再一次将装配好的薄壁铝合金管和铝合金棒重复步骤(3)至(5)，即可完成薄壁铝合金管两端的封焊。

本发明中，薄壁铝合金管没有采用夹持或支撑装置，仅仅与铝合金棒过盈配合，保证初始焊接时，一方面，铝合金管与铝合金棒之间能够紧密贴合；另一方面，通过过盈配合阻止两者之间轴向相对移动；正常焊接时，已完成的焊缝会逐步加强铝合金管与铝合金棒之间的连接强度。该过盈配合的选择与机械中常用的方法相比，不需要较大的过盈量，搅拌针插入搭接焊缝内部，搅拌针本身就起着“钉扎”作用，不需要太强的力量来阻止两者的轴向相对移动，此外焊接过程中过盈配合处处于高温(500℃左右)，过大的过盈量会造成铝合金管上很强的拉应力，不利于焊缝成形。而选择常规铝合金材料的过盈量时，由于在100℃的温度下，铝合金较之钢而言，是比较软的，因此，需要有较大的过盈量。

有益效果：本发明的薄壁铝合金管端封焊装置，利用对薄壁铝合金管油浴加热使得薄壁铝合金管膨胀，将低于室温的铝合金棒插入到薄壁铝合金管中，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H型焊缝一次性完成焊接，保证了焊接的精准度的同时又保证焊接的质量及铝合金管的气密性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为H型焊缝主视图；

图3为H型焊缝A-A截面示意图；

图4为焊接接头剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的一种薄壁铝合金管1端封焊装置，包括夹持铝合金棒5的三爪卡盘17、支撑铝合金棒5的滚轮架组7，所述铝合金棒5插入到薄壁铝合金管1内，薄壁铝合金管1通过薄壁夹具9夹持在旋转筒内，旋转筒通过轴承11与固定筒12连接，固定筒12通过支架13安装在工作台14上，旋转筒的外壁上设有若干圈齿条，齿条与齿轮16啮合，齿轮16通过齿轮16轴安装在电机15上，电机15固定在工作台14上，所述旋转筒外壁上固定连接有可伸缩的旋转臂8，旋转臂8的端部安装有搅拌头3，搅拌头3下方安装有搅拌针，铝合金棒5一端为直径小于铝合金棒5的轴身10，轴身10与铝合金棒5形成轴肩，轴身10插入到薄壁铝合金管1中，轴身10与薄壁铝合金管1为过盈配合，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管1上形成H型焊缝，从而实现薄壁铝合金管1端的封焊。

在本发明中，所述轴身10与薄壁铝合金管1的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管1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--薄壁铝合金管1的内径。所述轴身10的长度不小于搅拌头3直径的3.5倍，搅拌头3上安装有搅拌针，搅拌针长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管1壁厚。

在本发明中，所述H型焊缝包括第一道环焊缝和第二道环焊缝，第一道环焊缝完成了铝合金管1与轴肩的搭接焊，第二道环焊缝完成铝合金管1与铝合金棒5的对接焊。H型焊缝4的第一道环焊缝4-1完成了铝合金管1与轴肩的搭接焊，H型焊缝4的第二道环焊缝4-3完成铝合金管1与铝合金棒的对接焊，H型焊缝中第一道环焊缝4-1到第二道环焊缝4-3为过渡焊缝4-2。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。

一种如上述的薄壁铝合金管1端封焊装置的焊接方法，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和轴身10的直径，选取合适的轴身10长度，加工符合要求的铝合金棒5，根据薄壁铝合金管1壁厚选择合适的搅拌针的长度；

(2)将薄壁铝合金管1油浴加热至100℃，然后迅速装配薄壁铝合金管1和铝合金棒5并快速冷却后风干；

(3)将装配好的工件中铝合金棒5一端安装在三爪卡盘17上，另一端薄壁铝合金管1通过薄壁夹具9固定，调整搅拌头3使其垂直向下对准薄壁铝合金管1及铝合金棒5的中轴线，并且搅拌针距离轴身10边缘的距离要大于等于D，其中D为搅拌头3的直径，搅拌头3位于轴身10端部的正上方；

(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，启动电机15带动旋转筒转动，从而带动搅拌头3转动，搅拌头3搅拌一周后，电机15停止工作，伸缩臂伸长，搅拌针继续保持高速转动并且沿铝合金棒5轴线向铝合金棒5一侧水平焊接一段距离，直到铝合金管1与铝合金棒5对接处停止移动，准备开始对接环焊缝的焊接；

(5)再次启动电机15且旋转方向与之前一致，旋转筒旋转一周后对接环焊缝的焊接完成，此时停止电机15，搅拌头3继续保持高速转动并且向铝合金棒5一侧水平移动一小段距离后，缓缓提升搅拌头3，直到搅拌针完全脱离焊缝后再停止搅拌头3的旋转，该侧管端焊接结束；

(6)按照步骤(1)和(2)，加工相同的轴身10，装配好薄壁铝合金管1和铝合金棒5；

(7)再一次将装配好的薄壁铝合金管1和铝合金棒5重复步骤(3)至(5)，即可完成薄壁铝合金管1两端的封焊。

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 (5)

1.一种薄壁铝合金管端封焊装置，其特征在于：包括夹持铝合金棒的三爪卡盘、支撑铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒插入到薄壁铝合金管内，薄壁铝合金管通过薄壁夹具夹持在旋转筒内，旋转筒通过轴承与固定筒连接，固定筒通过支架安装在工作台上，旋转筒的外壁上设有若干圈齿条，齿条与齿轮啮合，齿轮通过齿轮轴安装在电机上，电机固定在工作台上，所述旋转筒外壁上固定连接有可伸缩的旋转臂，旋转臂的端部安装有搅拌头，搅拌头下方安装有搅拌针，铝合金棒一端为直径小于铝合金棒的为轴身，轴身与铝合金棒形成轴肩，轴身插入到薄壁铝合金管中，轴身与薄壁铝合金管为过盈配合，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管上形成H型焊缝，从而实现薄壁铝合金管端的封焊。

2.根据权利要求1所述的薄壁铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述轴身与薄壁铝合金管的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管的温度，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--薄壁铝合金管的内径。

3.根据权利要求2所述的薄壁铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述轴身的长度不小于搅拌头直径的3.5倍，搅拌头上安装有搅拌针，搅拌针长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管壁厚。

4.根据权利要求3所述的薄壁铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述H型焊缝包括第一道环焊缝和第二道环焊缝，第一道环焊缝完成了铝合金管与轴肩的搭接焊，第二道环焊缝完成铝合金管与铝合金棒的对接焊。

5.一种如权利要求4所述的薄壁铝合金管端封焊装置的焊接方法，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和轴身的直径，选取合适的轴身长度，加工符合要求的铝合金棒，根据薄壁铝合金管壁厚选择合适的搅拌针的长度；

(2)将薄壁铝合金管油浴加热至100℃，然后迅速装配薄壁铝合金管和铝合金棒并快速冷却后风干；

(3)将装配好的工件中铝合金棒一端安装在三爪卡盘上，另一端薄壁铝合金管通过薄壁夹具固定，调整搅拌头使其垂直向下对准薄壁铝合金管及铝合金棒的中轴线，并且搅拌针距离轴身边缘的距离要大于等于D，其中D为搅拌头的直径，搅拌头位于轴身端部的正上方；

(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，启动电机带动旋转筒转动，从而带动搅拌头转动，搅拌头搅拌一周后，电机停止工作，伸缩臂伸长，搅拌针继续保持高速转动并且沿铝合金棒轴线向铝合金棒一侧水平焊接一段距离，直到铝合金管与铝合金棒对接处停止移动，准备开始对接环焊缝的焊接；

(5)再次启动电机且旋转方向与之前一致，旋转筒旋转一周后对接环焊缝的焊接完成，此时停止电机，搅拌头继续保持高速转动并且向铝合金棒一侧水平移动一小段距离后，缓缓提升搅拌头，直到搅拌针完全脱离焊缝后再停止搅拌头的旋转，该侧管端焊接结束；

(6)按照步骤(1)和(2)，加工相同的轴身，装配好薄壁铝合金管和铝合金棒；

(7)再一次将装配好的薄壁铝合金管和铝合金棒重复步骤(3)至(5)，即可完成薄壁铝合金管两端的封焊。