CN108788442B - 一种金属管件的滚压摩擦连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属管件的滚压摩擦连接方法，其特征是利用高速旋转的滚轮摩擦金属管件边缘的凸台，使凸台发生塑化，再通过滚轮的滚压作用，迫使塑化材料流动到金属管件接头间隙处，填充满整个空隙，完成金属管件的连接。本发明避免了熔焊过程中焊缝热影响区晶粒的粗化，提高了焊接接头的性能；还能避免搅拌摩擦焊留下来的匙孔二次加工问题，提高了金属管件的焊接效率。

Description

一种金属管件的滚压摩擦连接方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域，尤其是一种管件连接技术，具体地说是一种金属管件的滚压摩擦连接方法。
背景技术
金属管件的应用范围非常广泛，适用于石油化工、医药卫生、航空航天、汽车交通、污水处理、工业与民用建筑给水工程等领域。尤其是在装备轻量化发展的趋势下，异种材料的金属管件连接使用也将会很普遍。目前金属管件的连接技术主要有机械连接、熔焊、钎焊和搅拌摩擦焊。机械连接需要依赖橡胶圈变形来实现轴向密封，涉及到密封老化和强度等问题，焊接技术能够彻底解决小密封圈老化的问题，为金属管件连接提供了更可靠的选择。
金属管件的熔焊主要有非熔化极惰性气体钨极保护焊（TIG焊）、熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）和激光焊接，这些焊接技术都会使被焊接材料发生熔化，焊接后焊缝处的热应力大，容易产生裂纹，而且在焊缝处还容易形成脆性相，影响管件的使用性能和寿命。钎焊是采用低于母材熔点的钎料来连接管件，焊接过程中母材不发生熔化，没有大量的金属间化合物产生，但是这种管件的焊接方法难以焊接大尺寸的管件，而且焊接可靠性较低。对于管件的搅拌摩擦焊，2005年先进焊接/连接技术国际研讨会上，李辉等人的论文“薄壁铝合金简体搅拌摩擦焊设备研究”公开了一种薄壁柱形筒体环缝搅拌摩擦焊接的设备和方法。中国专利（申请号：201310462335.0）公开了一种异种材料薄壁细圆管的搅拌摩擦焊焊接方法。中国专利（申请号：201710195206.8）公开了一种搅拌针与管道垂直焊接的焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置和方法。搅拌摩擦焊是一项固相连接技术，能够实现金属管件的连接，而且焊接应力低，环保绿色无污染，但是搅拌摩擦焊焊接完成后会在焊缝上留下匙孔，需要进行二次处理。
发明内容
本发明的目的是针对金属管件熔焊连接时在焊缝处容易出现高热应力，易产生裂纹；钎焊连接时可靠性低；搅拌摩擦焊接时存在匙孔需要二次加工等问题，发明一种金属管件的滚压摩擦连接方法；相对于现有技术，本发明的方法具有操作简单，连接效果好等优点。
本发明的技术方案是：
一种金属管件的滚压摩擦连接方法，其特征是利用高速旋转的滚轮摩擦金属管件边缘的凸台，使凸台发生塑化，再通过滚轮的滚压作用，迫使塑化材料流动到金属管件接头间隙处，填充满整个空隙，完成金属管件的连接。
所述金属管件的滚压摩擦连接方法包括以下步骤：
第一步，在待连接的金属管件2的端面加工出一个凸台，凸台的高度根据管壁的厚度来决定，并将金属管件2内侧倒圆角，凸台的体积要大于金属管件2之间间隙的体积，保证凸台被滚轮1摩擦后形成的塑化材料能够填满整个间隙，最后将金属管件2除油清洗干净；
第二步，根据金属管件2的凸台高度和壁厚，通过常规计算方法，计算出两金属管件2之间的连接间隙大小，将待连接的金属管件2固定在工作台上，再将芯轴3插入到金属管件2之中，起到支撑金属管件2的作用；芯轴的表层涂覆一层纳米涂层，防止塑化金属与芯轴3发生连接；
第三步，调整滚轮1的初始位置，设置滚压摩擦连接的参数；
第四步，启动装置，高速旋转的滚轮1向下运动，当接触到金属管件2的凸台时，滚轮1与凸台发生剧烈摩擦，产生大量热，使材料发生塑性软化，塑化的金属材料在滚轮的压力作用下，流入到金属管件2的间隙处；滚轮达到输入的下压量后，绕着金属管件2做圆周运动，完成对整个管件环缝的连接；
第五步，待滚轮1绕着金属管件2旋转一周后，连接完成。
所述的芯轴与金属管件的配合方式为间隙配合，芯轴的作用一是起到支撑管件的作用，二是在连接接头间隙处，与两个管件端面形成类似“U”型结构，对塑化金属成型起到关键作用。芯轴的表层涂覆一层纳米涂层，防止塑化金属与芯轴发生连接。
作为本发明的等效技术方案，还可以将滚轮约束为只能上下进行升降运动，通过金属管件2的旋转来完成连接，金属管件2旋转一周完成后，即完成管件的连接。
所述的金属管件2是截面呈圆形、方形或者椭圆形的管件结构。
在连接过程中，在金属管件2接头处施加辅助热源、振动源，或者在滚轮上引入振动源，以增强连接的效果。
两个金属管件还可以是异种材料的管件，对异种材料的金属管件2进行连接，连接时根据异种材料软硬不同，设置不同宽度的凸台进行连接，或者将滚轮1进行偏置连接，以提高异种材料的连接效果。
滚轮1还可设置有相应的散热结构，如孔、槽等结构或其它织构。
所述的滚压摩擦连接的参数包括滚轮1的旋转速度、下压速度、下压量和滚轮1绕金属管件2的圆周速度；通过控制系统输入相关参数的代码命令。
本发明的有益效果：
本发明与传统金属管件焊接方式相比，由于较小的热输入量，金属母材没有发生熔化，避免了焊缝热影响区晶粒的粗化，提高了焊接接头的性能；而且避免了搅拌摩擦焊留下来的匙孔二次加工问题，提高了金属管件的焊接效率。
附图说明
图1 为本发明的金属管件滚压摩擦连接示意图。
图2 为本发明的金属管件滚压摩擦连接剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、2所示。
一种金属管件的滚压摩擦连接方法，具体包括以下工艺步骤：
第一步，在待连接的金属管件2端部加工出一个凸台，凸台的高度根据管壁的厚度来决定，并将金属管件2内侧倒圆角，凸台的体积要大于金属管件2之间间隙的体积，保证凸台被滚轮1摩擦后形成的塑化材料能够填满整个间隙，最后将金属管件2除油清洗干净。金属管件2可以是圆形的，也可以是方形的或者椭圆形结构。
第二步，根据金属管件2的凸台高度和壁厚，计算出两金属管件2之间的连接间隙大小，将待连接的金属管件2固定在工作台上，再将表面涂有纳米涂层（能防止芯轴与管材发生连接）的芯轴3插入到金属管件2之中，起到支撑金属管件2的作用。芯轴3与金属管件2的配合方式为间隙配合，芯轴3的作用一是起到支撑管件的作用，二是在连接接头间隙处，与两个管件端面形成类似“U”型结构，对塑化金属成型起到关键作用。芯轴3的表层涂覆一层纳米涂层，防止塑化金属与芯轴3发生连接。
第三步，调整滚轮1的初始位置，设置滚压摩擦连接的参数，包括滚轮1的旋转速度、下压速度、下压量和滚轮1绕金属管件2的圆周速度；通过控制系统输入相关参数的代码命令。具体实施时可以根据需要设计滚轮的几何外形尺寸和散热结构，如散热孔、槽等，滚轮表面还可增加织构结构以提高滚压效果。
第四步，启动装置，高速旋转的滚轮1向下运动，当接触到金属管件2的凸台时，滚轮1与凸台发生剧烈摩擦，产生大量热，使材料发生塑性软化，塑化的金属材料在滚轮的压力作用下，流入到金属管件2的间隙处；滚轮达到输入的下压量后，绕着金属管件2做圆周运动，完成对整个管件环缝的连接。具体实施时还可以将滚轮1约束为只能上下进行升降运动，而通过金属管件2的旋转来完成连接，金属管件2旋转一周完成后，即完成管件的连接。
第五步，待滚轮1绕着金属管件2旋转一周后，连接完成。
此外，为了提高连接效果，具体实施时还可以在连接过程中在金属管件2接头处施加辅助热源、振动源，或者在滚轮上引入振动源，增强连接的效果。
本发明还可以用于异种材料金属管件2的连接，连接时可以根据异种材料软硬不同，设置不同宽度的凸台接，或者将滚轮1进行偏置连接，以提高异种材料的连接效果。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种金属管件的滚压摩擦连接方法，其特征是利用高速旋转的滚轮摩擦金属管件边缘的凸台，使凸台发生塑化，再通过滚轮的滚压作用，迫使塑化材料流动到金属管件接头间隙处，填充满整个空隙，完成金属管件的连接；具体步骤如下：
第一步，在待连接的金属管件（2）端面加工出一个凸台，并将金属管件（2）内侧倒圆角，最后将金属管件（2）除油清洗干净；
第二步，根据金属管件（2）的凸台高度和壁厚，计算出两金属管件（2）之间的连接间隙大小，将待连接的金属管件（2）固定在工作台上，再将芯轴（3）插入到金属管件（2）之中，起到支撑金属管件（2）的作用；芯轴的表层涂覆一层纳米涂层，防止塑化金属与芯轴（3）发生连接；
第三步，调整滚轮（1）的初始位置，设置滚压摩擦连接的参数；
第四步，启动装置，高速旋转的滚轮（1）向下运动，当接触到金属管件（2）的凸台时，滚轮（1）与凸台发生剧烈摩擦，产生大量热，使材料发生塑性软化，塑化的金属材料在滚轮的压力作用下，流入到金属管件（2）的间隙处；滚轮达到输入的下压量后，绕着金属管件（2）做圆周运动，完成对整个管件环缝的连接；
第五步，待滚轮（1）绕着金属管件（2）旋转一周后，连接完成；
所述的芯轴（3）与金属管件（2）的配合方式为间隙配合，芯轴（3）的作用一是起到支撑管件的作用，二是在连接接头间隙处，与两个管件端面形成类似“U”型结构，对塑化金属成型起到关键作用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的金属管件（2）是截面呈圆形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在连接过程中，在金属管件（2）接头处施加辅助热源、振动源，或者在滚轮上引入振动源，以增强连接的效果。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对异种材料的金属管件（2）进行连接，连接时根据异种材料软硬不同，设置不同宽度的凸台进行连接，或者将滚轮（1）进行偏置连接，以提高异种材料的连接效果。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于滚轮（1）设置有散热结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的滚压摩擦连接的参数包括滚轮（1）的旋转速度、下压速度、下压量和滚轮（1）绕金属管件（2）的圆周速度；通过控制系统输入相关参数的代码命令。
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