CN105127582A - 一种薄壁铝合金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铝合金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铝合金管中，铝合金棒与薄壁铝合金管为过盈配合，在铝合金棒与薄壁铝合金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，电机安装在工作台上。本发明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复合密封装置及密封方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁铝合金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：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复合密封装置及密封方法，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铝合金管中，铝合金棒与薄壁铝合金管为过盈配合，薄壁铝合金管一端通过薄壁夹具安装在旋转筒内，在铝合金棒与薄壁铝合金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，支架焊接在工作台上；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，电机安装在工作台上。

作为优选，所述铝合金棒上设有若干个环形密封槽，靠近薄壁铝合金管的环形密封槽一部分位于薄壁铝合金管内，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为被加热工件的内径。

作为优选，所述铝合金棒伸入薄壁铝合金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倍薄壁铝合金管的壁厚。

一种如上述的薄壁铝合金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，根据薄壁铝合金管壁厚选择合适的搅拌针；

(2)将薄壁铝合金管通过油浴加热至100℃，铝合金棒所处温度低于室温，然后迅速装配薄壁铝合金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铝合金管端；

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

(6)薄壁铝合金管的另一端重复步骤(2)～(5)，则完成薄壁铝合金管端两端的复合密封。

在本发明中，选用梯形槽，相对圆形槽来说，梯形槽易于加工；在填入密封胶体后，圆弧形状的凹槽所能容纳的胶体体积较小，与铝合金棒的接触面积也较小，易于在外力作用下脱落；上底的长度决定了密封胶的体积、密封胶与铝合金管、铝合金铝合金棒的接触面积，因此必须根据铝合金棒的直径，确定出一定体积和形状的密封槽。因此上底太小了，密封胶体积太小，起不了密封效果；上底越大，密封效果会越好；但上底不是越大越好，太大了会造成浪费，还会挖空了铝合金棒。

本专利中，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，这是因为：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复合密封装置，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铝合金管端的气密性。

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。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的一种薄壁铝合金管端复合密封装置，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另一端插入到薄壁铝合金管1中，铝合金棒6与薄壁铝合金管1为过盈配合，薄壁铝合金管1一端通过薄壁夹具9安装在旋转筒10内，在铝合金棒6与薄壁铝合金管1的焊缝4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，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焊接在工作台14上；所述旋转筒10的外壁设有若干圈轮齿，轮齿与齿轮16啮合，齿轮16通过齿轮轴与电机15连接，电机15安装在工作台14上。

在本发明中，所述铝合金棒6上设有若干个环形密封槽5，靠近薄壁铝合金管1的环形密封槽5一部分位于薄壁铝合金管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66的直径。作为优选，所述铝合金棒6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为被加热工件的内径。

在本发明中，所述铝合金棒66与薄壁铝合金管11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被加热薄壁铝合金管11的内径。所述铝合金棒66伸入薄壁铝合金管11的长度不小于搅拌头33直径的1.5倍，搅拌头33延伸有搅拌针2，搅拌针2的长度不小于1.5倍薄壁铝合金管11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。

一种如上述的薄壁铝合金管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，根据薄壁铝合金管1壁厚选择合适的搅拌针2；

(2)将薄壁铝合金管1通过油浴加热至100℃，铝合金棒6所处温度低于室温，然后迅速装配薄壁铝合金管1和铝合金棒6并快速冷却，使进入管内的环形密封槽5的一半宽度伸出铝合金管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)沿薄壁铝合金管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)薄壁铝合金管1的另一端重复步骤(2)～(5)，则完成薄壁铝合金管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 (7)

1.一种薄壁铝合金管端复合密封装置，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铝合金管中，铝合金棒与薄壁铝合金管为过盈配合，薄壁铝合金管一端通过薄壁夹具安装在旋转筒内，在铝合金棒与薄壁铝合金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，支架焊接在工作台上；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，电机安装在工作台上。

2.根据权利要求1所述的薄壁铝合金管端复合密封装置，其特征在于：所述铝合金棒上设有若干个环形密封槽，靠近薄壁铝合金管的环形密封槽一部分位于薄壁铝合金管内，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所述的薄壁铝合金管端复合密封装置，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所述的薄壁铝合金管端复合密封装置，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所述的薄壁铝合金管端复合密封装置，其特征在于：所述铝合金棒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为被加热工件的内径。

6.根据权利要求5所述的薄壁铝合金管端复合密封装置，其特征在于：所述铝合金棒伸入薄壁铝合金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倍薄壁铝合金管的壁厚。

7.一种如权利要求6所述的薄壁铝合金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，根据薄壁铝合金管壁厚选择合适的搅拌针；

(2)将薄壁铝合金管通过油浴加热至100℃，铝合金棒所处温度低于室温，然后迅速装配薄壁铝合金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铝合金管端；

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

(6)薄壁铝合金管的另一端重复步骤(2)～(5)，则完成薄壁铝合金管端两端的复合密封。