CN105414738A - 一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,为解决利用胀接、熔焊及其组合的方法实现换热器管子与管板之间连接时出现的高温接头松弛、间隙腐蚀、生产工艺复杂、成本高等问题。方法:一、管板内壁开设环形槽;二:采用有机溶剂或清洗剂擦拭管子和管板的表面;三:管子与管板装卡采用间隙配合;四:摩擦焊接;由于摩擦针的大端直径大于管子内径a、小于管子外径b,热塑性化的管子材料在摩擦针的挤压作用下,逐渐将环形凹槽填满并形成机械啮合;五:当摩擦头的轴肩压入管板上表面深度t时,摩擦头保持高速旋转并停留3s~15s,之后将摩擦头匀速提起,从而获得环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接的换热管。本发明用于管板焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦焊接方法,具体涉及一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法。
背景技术
换热器在化工、石油、食品等许多工业生产中占有重要地位,应用广泛。管-板结构是目前应用广泛的换热器形式,这种结构常采用胀接、焊接和胀焊并用的方式进行连接,由于管口接头长期承受压差对管子产生的轴向负荷、多次反复冷却、加热、高压和介质腐蚀疲劳破坏等作用,管口焊缝质量尤为重要,特别是力学性能和密封性。胀接是依靠管子的塑性变形达到密封和机械连接,在高温下蠕变释放残余应力,并使材料的刚性下降,热膨胀应力增大,引起接头处发生松弛,甚至脱落。特别是针对管子-管板异种材料的熔化焊接,极易产生裂纹、应力集中等缺欠。
发明内容
本发明为解决换热器管子与管板之间连接时出现的高温接头松弛、间隙腐蚀、强度低、生产工艺复杂、成本高的问题,提供了一种利用环形槽辅助强化管-板结构摩擦形变扩散焊接方法。
本发明的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法是通过以下步骤实现的:
步骤一、管板内壁开设环形槽:焊接前在距离管板上表面距离s处开设1~3个环形槽;
步骤二、焊前处理:先通过机械打磨除去管子内外壁、管板上表面、环形槽表面的氧化膜,再采用有机溶剂或清洗剂擦拭管子和管板的表面,去除油污和金属粉尘;
步骤三、管子与管板的装卡:装卡时管子外壁与管板内孔之间的间隙为e,且管子上端伸出管板上端面的长度为k,在管板另一端对管子进行机械夹紧;
步骤四、摩擦焊接:使高速旋转的摩擦头以一定的压入速度扎入管子的内孔中,使管子在摩擦头与管子之间的摩擦产热,管子形变产热逐渐达到热塑性状态;由于摩擦针的大端直径大于管子内径a、小于管子外径b,热塑性化的管子材料在摩擦针的挤压作用下,逐渐将环形槽填满并形成机械啮合;
步骤五、当摩擦头的轴肩压入管板上表面深度t时,摩擦头保持高速旋转并停留3s~15s,以保证管板与管子之间原子扩散以形成冶金结合,之后将摩擦头匀速提起,从而获得环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接的换热管。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
一、本发明是一种在环形槽机械啮合辅助下,利用摩擦产热和形变共同作用下形成的固相扩散连接方法。通过该方法焊接的换热管解决了管子与管板之间连接时出现的高温接头松弛、间隙腐蚀、强度低、生产工艺复杂的问题。同时也降低了生产成本。
二、环形槽的设计使换热管和管板之间形成紧密机械啮合,大大提高了接头的密封性和力学性能。
三、在摩擦产热和强形变诱导下,摩擦针作用区域(环形槽及管板内壁表面)原子快速扩散,在连接界面处形成冶金连接。
四、摩擦针的直径大于换热管内径a,在摩擦针扎入管内时,向外挤压换热管,达到胀接的效果。
五、换热管的端部伸出部分k在与摩擦头轴肩相互作用过程中形成冶金连接和机械啮合共同作用的区域f,如图7所示,进一步提高了接头密封性和接头力学性能。
六、本发明方法可应用于绝大多数有色金属和钢质的管板结构,不仅适用于管子与管板为同种材料的情况,还可用于铜/钢、铝/钢,钛/钢等异种材料的连接。
七、由于本发明方法是固相连接,无熔化现象,可避免熔焊中的裂纹、气孔、夹渣、应力集中等问题。
八、本发明方法无弧光、烟尘等对人有害的物资产生,且无需添加材料及保护气体等,是一种绿色、高质、高效的新方法。
附图说明
图1是步骤三中管子1与管板2采用间隙配合的示意图;
图2是图1的I局部放大图;
图3是焊接前,摩擦头3正对管子1内孔的示意图;
图4是步骤四中摩擦头3与管子1摩擦产热并达到热塑性状态的示意图;
图5是步骤五中摩擦头3的轴肩3-1压入管板2上表面深度t的示意图;
图6是步骤五中将摩擦头3匀速提起的示意图;
图7是图6的Ⅱ局部放大图;
图8是摩擦头3的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1~图8说明本实施方式,本实施方式是通过以下步骤实现的:
步骤一、管板2内壁开设环形槽2-1:焊接前在距离管板2上表面距离s处开设1~3个环形槽2-1,以辅助强化管-板结构连接强度,见图1和图2;
步骤二、焊前处理:先通过机械打磨除去管子1内外壁、管板2上表面、环形槽2-1表面的氧化膜,再采用有机溶剂或清洗剂擦拭管子1和管板2的表面,去除油污和金属粉尘;
步骤三、管子1与管板2的装卡:装卡时管子1外壁与管板2内孔之间的间隙为e,且管子1上端伸出管板2上端面的长度为k,见图1,在管板2另一端对管子1进行机械夹紧,防止管子1在焊接过程中沿管板内腔出现纵向滑动;
步骤四、摩擦焊接:使高速旋转的摩擦头3以一定的压入速度扎入管子1的内孔中,使管子1在摩擦头3与管子1之间的摩擦产热,管子1形变产热逐渐达到热塑性状态,见图3;由于摩擦针3-2的大端直径大于管子1内径a、小于管子1外径b,热塑性化的管子材料在摩擦针3-2的挤压作用下,逐渐将环形槽2-1填满并形成机械啮合,见图4和图5;
步骤五、当摩擦头3的轴肩3-1压入管板2上表面深度t时,见图5,摩擦头3保持高速旋转并停留3s~15s,以保证管板2与管子1之间原子扩散以形成冶金结合,之后将摩擦头3匀速提起,见图6,从而获得环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接的换热管。
具体实施方式二:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式为步骤一中环形槽2-1的宽度g为2mm~5mm,深度h为0.1mm~0.5mm。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:结合图1说明本实施方式,本实施方式为步骤一中环形槽2-1距离管板上表面s为3mm~10mm,相邻两个环形槽2-1的槽间距j为2mm~8mm。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:结合图1说明本实施方式,本实施方式为步骤二中有机溶剂为酒精或丙酮。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五:结合图1说明本实施方式,本实施方式为步骤三中管子1外壁与管板2内孔之间的间隙e为0.05mm~0.3mm。根据所选材料及性能选取间隙e的数值。其它步骤与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六:结合图1说明本实施方式,本实施方式为步骤三中管子1的上端伸出管板2上端面的长度k为0~2.5mm。根据所选材料及性能选取长度k的数值。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七:结合图3说明本实施方式,本实施方式为步骤四中摩擦头3的材质为陶瓷、钨铼合金或、硬质合金。其它步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八:结合图8说明本实施方式,本实施方式为步骤四中摩擦针3-2为无螺纹圆台式结构,其长度L取值范围为5mm~30mm,锥角α为1°~5°,摩擦针3-2直径Φ1为5mm~32mm;轴肩3-1直径Φ2为10mm~50mm,轴肩内凹角β为3°~10°。其它步骤与具体实施方式七相同。
具体实施方式九:结合图3说明本实施方式,本实施方式为步骤五中当管板2与管子1为同质材料时,如钢/钢、铝/铝、钛/钛、铜/铜等,由于不存在金属间化合物的产生,选择较强的焊接参数:摩擦头3的转速为600r/min~6000r/min、压入速度为1mm/s~5mm/s,轴肩3-1的压入深度t为0~0.05mm,摩擦头3停留时间为5s~10s。其它步骤与具体实施方式八相同。
具体实施方式九:结合图3说明本实施方式,本实施方式为步骤五中当管板2与管子1为同质材料时,如钢/钢、铝/铝、钛/钛、铜/铜等,由于不存在金属间化合物的产生,选择较强的焊接参数:摩擦头3的转速为600r/min~6000r/min、压入速度为1mm/s~5mm/s,轴肩3-1的压入深度t为0~0.05mm,摩擦头3停留时间为5s~10s。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式十:结合图1和图3说明本实施方式,本实施方式为步骤五中当管板2与管子1为异种材料时,如铜/钢,铝/钢,钛/钢等,为减少金属间化合物的产生,选择较弱的焊接参数:摩擦头3转速500r/min~3000r/min,压入速度为1mm/s~5mm/s,轴肩3-1的压入深度t为0~0.05mm,摩擦头3停留时间为5s~10s。其它步骤与具体实施方式九相同。
Claims (10)
1.一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述方法是通过以下步骤实现的:
步骤一、管板(2)内壁开设环形槽(2-1):焊接前在距离管板(2)上表面距离s处开设1~3个环形槽(2-1);
步骤二、焊前处理:先通过机械打磨除去管子(1)内外壁、管板(2)上表面、环形槽(2-1)表面的氧化膜,再采用有机溶剂或清洗剂擦拭管子(1)和管板(2)的表面,去除油污和金属粉尘;
步骤三、管子(1)与管板(2)的装卡:装卡时管子(1)外壁与管板(2)内孔之间的间隙为e,且管子(1)上端伸出管板(2)上端面的长度为k,在管板(2)另一端对管子(1)进行机械夹紧;
步骤四、摩擦焊接:使高速旋转的摩擦头(3)以一定的压入速度扎入管子(1)的内孔中,使管子(1)在摩擦头(3)与管子(1)之间的摩擦产热,管子(1)形变产热逐渐达到热塑性状态;由于摩擦针(3-2)的大端直径大于管子(1)内径a、小于管子(1)外径b,热塑性化的管子材料在摩擦针(3-2)的挤压作用下,逐渐将环形槽(2-1)填满并形成机械啮合;
步骤五、当摩擦头(3)的轴肩(3-1)压入管板(2)上表面深度t时,摩擦头(3)保持高速旋转并停留3s~15s,以保证管板(2)与管子(1)之间原子扩散以形成冶金结合,之后将摩擦头(3)匀速提起,从而获得环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接的换热管。
2.根据权利要求1所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤一中环形槽(2-1)的宽度g为2mm~5mm,深度h为0.1mm~0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤一中环形槽(2-1)距离管板上表面s为3mm~10mm,相邻两个环形槽(2-1)的槽间距j为2mm~8mm。
4.根据权利要求3所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤二中有机溶剂为酒精或丙酮。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤三中管子(1)外壁与管板(2)内孔之间的间隙e为0.05mm~0.3mm。
6.根据权利要求5所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤三中管子(1)的上端伸出管板(2)上端面的长度k为0~2.5mm。
7.根据权利要求6所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:其特征在于:所述步骤四中摩擦头(3)的材质为陶瓷、钨铼合金或、硬质合金。
8.根据权利要求7所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤四中摩擦针(3-2)为无螺纹圆台式结构,其长度L取值范围为5mm~30mm,锥角α为1°~5°,摩擦针(3-2)直径Φ1为5mm~32mm;轴肩(3-1)直径Φ2为10mm~50mm,轴肩内凹角β为3°~10°。
9.根据权利要求8所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤五中当管板(2)与管子(1)为同质材料时,选择较强的焊接参数:摩擦头(3)的转速为600r/min~6000r/min、压入速度为1mm/s~5mm/s,轴肩(3-1)的压入深度t为0~0.05mm,摩擦头(3)停留时间为5s~10s。
10.根据权利要求9所述的一种环形槽辅助强化管板摩擦形变扩散焊接方法,其特征在于:所述步骤五中当管板(2)与管子(1)为异种材料时,选择较弱的焊接参数:摩擦头(3)转速500r/min~3000r/min,压入速度为1mm/s~5mm/s,轴肩(3-1)的压入深度t为0~0.05mm,摩擦头(3)停留时间为5s~10s。
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