CN109551100A - 气瓶焊接方法及气瓶结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气瓶焊接方法及气瓶结构，涉及气瓶制造技术领域。一种气瓶焊接方法包括焊接步骤。该焊接步骤包括第一步骤和第二步骤。第一步骤为使旋转的搅拌针和气瓶结构相对运动，以使搅拌针沿气瓶结构的筒体和封头之间的待焊接缝移动。第二步骤为待焊接缝焊接完成后使搅拌针移动至气瓶结构的补料垫块。在本方法中对气瓶的筒体和封头利用搅拌摩擦焊进行焊接，而且，在气瓶上设置补料垫块来解决搅拌摩擦焊缝中产生的匙孔的问题，在焊接时，让搅拌针最终在补料垫块上来结束焊接，使匙孔留在补料垫块上，而且得到的焊缝残余应力比较低，不易变形，焊缝质量高，从而使通过本方法焊接得到的气瓶能够装载高压气体。

Description

气瓶焊接方法及气瓶结构

技术领域

本发明涉及气瓶制造技术领域，具体而言，涉及一种气瓶焊接方法及气瓶结构。

背景技术

现有高压气瓶一般以钢坯或钢板等为原料，经冲拔、冲压拉伸制造，或以无缝钢管为原料，经收底、收口制成。随着碳纤维材料的发展，为降低重容比，出现了由金属内胆、纤维缠绕复合材料增强层组成的复合材料气瓶。此外，除上述无缝气瓶外，也有由筒体、封头采用焊接方式连接的焊接气瓶。

钢制无缝气瓶成本较低，但比较重，重容比大，限制了其应用范围。而复合材料气瓶由于采用了新材料，且工艺较复杂，成本较高。因此焊接气瓶就体现了其优势。但是，现有的焊接气瓶一般采用气体保护焊，比较容易出现裂纹、气孔、夹杂等缺陷，因此仅适用于装低压气体的焊接气瓶，无法应用于装载高压气体的焊接气瓶。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气瓶焊接方法，通过该方法得到的气瓶能够装载高压气体。

本发明的另一目的在于提供一种气瓶结构，能够装载高压气体。

本发明的实施例是这样实现的：

一种气瓶焊接方法，包括

焊接步骤：

第一步骤：使旋转的搅拌针和气瓶结构相对运动，以使搅拌针沿所述气瓶结构的筒体和封头之间的待焊接缝移动；

第二步骤：所述待焊接缝焊接完成后使所述搅拌针移动至所述气瓶结构的补料垫块。

可选地，所述第二步骤之后还包括切除步骤：切除所述气瓶结构上凸出设置的所述补料垫块。

可选地，所述焊接步骤之前还包括设置补料垫块步骤，在所述气瓶结构上凸出设置所述补料垫块。

可选地，所述设置补料垫块步骤中：

将所述封头的端面与所述筒体的端面贴合，以使所述待焊接缝位于所述筒体的端面，在所述封头的背离所述筒体的一侧设置所述补料垫块，且使所述补料垫块沿所述气瓶结构的轴线方向延伸。

可选地，所述设置补料垫块步骤中：

将所述封头嵌入所述筒体的内壁，以使所述待焊接缝环绕所述气瓶结构的内壁，在所述筒体靠近所述封头一端的周壁设置所述补料垫块，且使所述补料垫块沿所述气瓶结构的径向方向延伸。

可选地，所述第一步骤中，转动并移动所述气瓶结构，以使所述搅拌针和气瓶结构相对运动。

一种气瓶结构，包括气瓶本体和补料垫块，所述气瓶本体具有待焊接缝，所述待焊接缝具有相对应的接缝面，所述补料垫块沿所述接缝面的法线方向朝背离所述气瓶的方向延伸。

可选地，所述气瓶本体包括筒体和封头，所述筒体具有带有开口的容纳腔，所述封头盖合于所述开口且形成所述待焊接缝。

可选地，所述封头的端面与所述筒体的端面贴合，所述补料垫块固定设置于所述封头，所述补料垫块沿所述气瓶的轴向方向延伸。

可选地，所述封头嵌设于所述容纳腔，所述补料垫块固定设置于所述筒体的靠近所述封头的一端，所述补料垫块沿所述气瓶的径向方向延伸。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果包括，例如：

在本方法中对气瓶的筒体和封头利用搅拌摩擦焊进行焊接，而且，在气瓶上设置补料垫块来解决搅拌摩擦焊缝中产生的匙孔的问题，在焊接时，让搅拌针最终在补料垫块上来结束焊接，使匙孔留在补料垫块上，因此，匙孔不会对筒体和封头的连接造成影响，而且，搅拌摩擦焊得到的焊缝残余应力比较低，不易变形，焊缝质量高，从而使通过本方法焊接得到的气瓶能够装载高压气体。

本气瓶具有上述的补料垫块，可以利用搅拌摩擦焊的工艺对气瓶的筒体和封头进行焊接，具有上述的所有的技术效果，能够得到高质量的焊缝，从而可以得到高质量的可以装载高压气体的气瓶。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的气瓶结构的第一种结构示意图；

图2为图1中气瓶结构与焊头配合时的剖视图；

图3为图1中的气瓶结构的焊接路径的示意图；

图4为本发明实施例1提供的气瓶结构的第二种结构示意图；

图5为图4中气瓶结构与焊头配合时的剖视图；

图6为图4中的气瓶结构的焊接路径的示意图；

图7为本发明实施例2提供的气瓶焊接方法的流程框图。

图标：100-气瓶结构；10-气瓶本体；11-筒体；12-封头；121-限位部；122-连接部；13-容纳腔；20-补料垫块；21-连接面；211-第一连接面；212-第二连接面；30-接缝面；40-匙孔；200-焊头；201-搅拌针。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1为本发明实施例1提供的气瓶结构100的第一种结构示意图，图2为图1中气瓶结构100与焊头200配合时的剖视图，图3为图1中的气瓶结构100的焊接路径的示意图，图4为本发明实施例1提供的气瓶结构100的第二种结构示意图，图5为图4中气瓶结构100与焊头200配合时的剖视图，图6为图4中的气瓶结构100的焊接路径的示意图，请参考图1-图6。

在本实施例中提供了一种气瓶结构100，其包括气瓶本体10和补料垫块20。气瓶本体10具有待焊接缝，待焊接缝具有相对应的接缝面30。相对应的接缝面30之间具有间隙，从而形成待焊接缝。补料垫块20沿接缝面30的法线方向朝背离气瓶本体的方向延伸。

补料垫块具有连接面21，连接面21所在的面与接缝面30相交。这样便于搅拌针201在焊接完待焊接缝后移动至补料垫块20处。

气瓶本体10包括筒体11和封头12。筒体11具有带有开口的容纳腔13，封头12用于盖合于开口且形成待焊接缝。筒体11或封头12设置有补料垫块20。

在本实施例中的气瓶本体10可以是通过筒体11和封头12焊接形成的。筒体11和封头12分开进行制造，然后通过焊接形成气瓶本体10。

可以理解的是在其他实施例中，气瓶本体10可以是本身具有间隙即待焊接缝的瓶体。

与现有技术中以钢坯或钢板等为原料，经冲拔、冲压拉伸制造，或以无缝钢管为原料，经收底、收口制成气瓶结构100的方式相比，生产本气瓶结构100，可以对方便加工的筒体11和封头12分别进行制造，再通过焊接完成，能够大大简化生产制造的复杂度，便于批量生产，提高生产率，减低成本。

而且，由于本气瓶结构100在筒体11或封头12处设置了补料垫块20，可以方便地利用搅拌摩擦焊来对筒体11和封头12的待焊接缝进行焊接，并使搅拌针201最终位于补料垫块20上，从而可以避免搅拌摩擦焊结束时在终端产生的匙孔40对焊缝造成影响。

若不设置补料垫块20，搅拌摩擦焊结束时会在筒体11和封头12的接合处留下匙孔40，必须要通过其他方式将匙孔40填补或封焊住，但是，二次填补或封焊的匙孔40焊缝质量不高很容易产生残余应力，在装载高压气体时及其容易在匙孔40处出现漏气现象。

补料垫块20沿筒体11和封头12的接缝面30的法向方向朝背离气瓶结构100的方向延伸。以下以两种实施方式对补料垫块20的延伸方向进行阐述。

可以理解的是，在其他实施例中，也可以设置其他形式的补料垫块20，只要补料垫块20设置位置能够使搅拌摩擦焊的焊头200在焊接完筒体11和封头12的连接处后移动至补料垫块20上，并使焊接结束时的匙孔40留在补料垫块20上即可。

实施方式一：

在本实施例的一种实施方式中，请参考图1-3。本实施方式中的气瓶本体10包括筒体11和封头12。在本实施方式中，筒体11的两端均具有开口，封头12的数量为两个，且分别位于筒体11的两端，盖合于开口。

可以理解的是，在其他实施方式中，筒体11可以是仅具有一个开口，通过一个封头12来封堵住开口。

在本实施方式中，筒体11大致为圆柱形的管状结构。其中一个封头12上开设有用于向气瓶结构100内灌气的灌气通孔。

在本实施方式中，封头12大致呈阶梯圆柱型结构。封头12包括限位部121和连接部122。限位部121的直径小于连接部122的直径。

可选地，限位部121的外径略小于筒体11的内径，限位部121穿设于筒体11，且与筒体11的内壁配合。因此通过筒体11和封头12的限位部121的配合能够限制封头12沿径向的位移，进而提高封头12和筒体11的装配精度。

连接部122用于封闭筒体11的开口。可选地，连接部122的直径等于筒体11的外径。在配合时，连接部122靠近筒体11的端面与筒体11的端面贴合。需要说明的是，筒体11的端面与连接部122贴合的面为接缝面30，或连接部122的端面与筒体11的端面贴合的面为接缝面30。在本实施方式中，接缝面30为环状结构。

连接部122背离筒体11的一侧还设置有补料垫块20。补料垫块20沿接缝面30的法向方向延伸，即补料垫块20沿气瓶结构100的轴向方向延伸。优选地，补料垫块20与接缝面30垂直，即补料垫块20垂直于封头12的端面。

补料垫块20具有第一连接面211，第一连接面211与封头12的外周面共面。且补料垫块20沿封头12的径向从第一连接面211向内延伸。即补料垫块20沿气瓶结构100的长度方向的投影均落在封头12的端面上。

焊接时，搅拌针201与气瓶结构100的径向方向平行。

请参考图2和图3。在利用采用搅拌摩擦设备对筒体11和封头12焊接时，焊接前，将筒体11和封头12从两端夹持并压紧，焊接时，焊头200高速旋转，搅拌针201沿径向伸入筒体11和封头12的待焊接缝，通过控制筒体11和封头12同时缓慢旋转，使搅拌针201完成对筒体11和封头12的焊接，然后再沿轴向移动筒体11和封头12，使搅拌针201移动至补料垫块20处，从而完成对筒体11和封头12的焊接。

补料垫块20的设置具有多种有益效果，一方面补料垫块20的设置不会在焊接时对搅拌针201的搅拌肩造成干涉，另一方面，由于补料垫块20与接缝面30垂直，焊头200焊接至补料垫块20时，搅拌针201刚好与补料垫块20的表面垂直。这样不用改变搅拌针201的角度和位置，在焊接接缝面30时仅需整体转动筒体11和封头12，在接缝面30焊接完成后，仅需要沿轴向移动气瓶结构100就能使搅拌针201移动至补料垫块20处。简化了焊接过程中气瓶结构100的移动，也使焊接路径整体更加流畅，尽量缩短了焊接路径的长度，这样能够进一步提高焊缝的质量。

可以理解的是，在焊接完成以后，可以将补料垫块20切除，图1-3中仅在气瓶结构100的一端示出了补料垫块20，另一端为补料垫块20被切除后的结构。

值得说明的是，图1-3仅为对本实施例的一种实施方式中的补料垫块20的形状举例说明，并不构成对补料垫块20形状的限定。在本实施例的其他实施方式中，补料垫块20也可以采用其他形状的形式，比如正方体、长方体、半圆形、圆柱形等，只要能够使搅拌摩擦焊的焊头200在焊接完筒体11和封头12的连接处后移动至补料垫块20上，并使焊接结束时的匙孔40留在补料垫块20上即可。

在本实施例中，气瓶结构100采用铝合金材料，成本较低。铝合金材料一方面能够减轻气瓶结构100的重量，提高气瓶结构100的重容比，另一方面，铝合金比较容易发生塑性变形，在进行搅拌摩擦焊时更容易得到高质量的焊缝。

实施方式二：

请参考图4-6。实施方式二与实施方式一的主要区别在于：封头12结构及其与筒体11的配合方式，以及补料垫块20的设置位置。其他结构与实施方式一中的类似，不再赘述。

在本实施方式中，封头12也呈圆柱形的管状结构，不同的是，整个封头12嵌设于筒体11的内壁。筒体11的内壁设置有与封头12配合的台阶面。

连接部122的外周与筒体11的内壁贴合，且贴合面为接缝面30。在本实施方式中，接缝面30为与筒体11同轴设置的圆柱面。焊接时，搅拌针201垂直封头12的端面。

补料垫块20固定设置于筒体11的靠近封头12的一端，补料垫块20沿气瓶结构100的径向方向延伸。补料垫块20具有第二连接面212，第二连接面212与筒体11的靠近封头12一侧的端面共面。且补料垫块20沿筒体11的轴向从第二连接面212向筒体11的另一端延伸。即补料垫块20沿气瓶结构100的径向方向的投影均落在筒体11上。补料垫块20不具有超出气瓶结构100端面的部分。

请参考图4和图6。焊接时，焊头200高速旋转，搅拌针201沿轴向伸入筒体11和封头12的待焊接缝内，通过控制筒体11和封头12同时缓慢旋转，使搅拌针201完成对筒体11和封头12的焊接，然后再沿径向移动筒体11和封头12，使搅拌针201移动至补料垫块20处，从而完成对筒体11和封头12的焊接。

可以理解的是，在焊接完成以后，可以将补料垫块20切除，图4-6中仅在气瓶结构100的一端示出了补料垫块20，另一端为补料垫块20被切除后的结构。

可以理解的是，补料垫块20可以与筒体11或封头12一体成型，在制造筒体11或封头12将补料垫块20同时加工。

实施例2

图7为本发明实施例2提供的气瓶焊接方法的流程框图，请参考图7。在本实施例中提供了一种气瓶焊接方法，通过此种焊接方法得到的气瓶能够装载高压力的气体。

在本实施例中，本气瓶焊接方法可以应用于实施例1中的气瓶结构100。通过将筒体11和封头12进行焊接得到气瓶本体10。

设置补料垫块步骤S1。在气瓶本体10上凸出设置补料垫块20，来解决搅拌摩擦中出现匙孔40影响焊缝质量的问题。

可以理解的是，在其他实施例中也可以不包括设置补料垫块步骤S1，在设计生产时，气瓶本身就带有补料垫块20。

在本实施例中设置补料垫块步骤S1至少分为两种，补料垫块20的设置方式根据筒体11和封头12的接缝面30的位置的不同而不同。

设置轴向补料垫块20步骤，此种补料垫块20的结构和设置位置与实施例1中的实施方式一中的类似，具体结构请参考实施例1中的实施方式一。当待焊接缝位于筒体11的端面时，在封头12的背离筒体11的一侧设置补料垫块20，补料垫块20沿气瓶结构100的轴线延伸。

设置径向补料垫块20步骤，此种补料垫块20的结构和设置位置与实施例1中的实施方式二中的类似，具体结构请参考实施例1中的实施方式二。当待焊接缝环绕气瓶结构100的内壁时，在筒体11靠近封头12一端的周壁设置补料垫块20，补料垫块20沿气瓶结构100的径向延伸。

焊接步骤S4。焊接步骤S4位于设置补料垫块步骤S1之后进行。

第一步骤S2。将高速旋转的搅拌针201伸入气瓶本体10的筒体11和封头12的待焊接缝，并使搅拌针201和气瓶结构100相对运动以使搅拌针201沿待焊接缝移动。

第二步骤S3。待焊接缝焊接完成后使搅拌针201的移动至气瓶结构100补料垫块20上。

实施例1中的接缝面30为本实施例中的待焊接缝中需要通过焊接封闭的相对设置的面。

可选地，请参考图3和图6，焊接的起始位置和结束位置均位于补料垫块20。这样既能够保证焊接产生的匙孔40位于补料垫块20上，又能够以最短的焊接路径完成对全部待焊接缝的焊接，一次性完成对整个待焊接缝的焊接。

焊接之前还有对接步骤。焊接前，将筒体11和封头12从两端夹持并压紧，使筒体11和封头12的待焊接缝对齐并贴合。

在焊接带有轴向补料垫块20的气瓶结构100时，焊头200高速旋转，使搅拌针201从补料垫块20出发，并沿径向伸入筒体11和封头12的待焊接缝，通过控制筒体11和封头12同时缓慢旋转，使搅拌针201完成对筒体11和封头12的待焊接缝的焊接，然后再沿轴向移动筒体11和封头12，使搅拌针201移动至补料垫块20处结束，从而完成对筒体11和封头12的焊接。

在焊接带有径向补料垫块20的气瓶结构100时，焊头200高速旋转，使搅拌针201从补料垫块20出发，并沿轴向伸入筒体11和封头12的待焊接缝，通过控制筒体11和封头12同时缓慢旋转，使搅拌针201完成对筒体11和封头12的待焊接缝的焊接，然后再沿径向移动筒体11和封头12，使搅拌针201移动至补料垫块20处结束，从而完成对筒体11和封头12的焊接。

搅拌摩擦焊是利用高速旋转的焊头200与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化，当焊头200沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊头200的转动摩擦力作用下由焊头200的前部流向后部，并在焊头200的挤压下形成致密的固相焊缝。通过搅拌摩擦焊得到的焊缝，力学性能好，残余应力较小，焊缝质量高。

一方面补料垫块20的设置不会在焊接时对搅拌针201的搅拌肩造成干涉，另一方面，由于补料垫块20与接缝面30垂直，焊头200焊接至补料垫块20时，搅拌针201刚好与补料垫块20的表面垂直。这样不用改变搅拌针201的角度和位置，在焊接接缝面30时仅需整体转动筒体11和封头12，在接缝面30焊接完成后，仅需要沿轴向移动气瓶结构100就能使搅拌针201移动至补料垫块20处。简化了焊接过程中气瓶结构100的移动，也使焊接路径整体更加流畅，尽量缩短了焊接路径的长度，这样能够进一步提高焊缝的质量。

切除步骤S5。补料垫块20切除步骤S5位于焊接之后。在焊接完成以后，将气瓶结构100上的补料垫块20从补料垫块20与筒体11或封头12的连接处将其切除。

通过本气瓶焊接方法对气瓶结构100进行焊接，能够采用简单经济的加工方法分别对筒体11和封头12进行加工，然后再利用本实施例中的方法进行焊接，利用搅拌摩擦焊对焊缝进行焊接，能够得到高质量的焊缝，通过设置补料垫块20使得匙孔40留在补料垫块20上而不是气瓶结构100上，然后切除补料垫块20，解决了匙孔40的问题，同时也得到了能够装载高压力气体的气瓶结构100。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气瓶焊接方法，其特征在于，包括

焊接步骤：

第一步骤：使旋转的搅拌针和气瓶结构相对运动，以使搅拌针沿所述气瓶结构的筒体和封头之间的待焊接缝移动；

第二步骤：所述待焊接缝焊接完成后使所述搅拌针移动至所述气瓶结构的补料垫块。

2.根据权利要求1所述的气瓶焊接方法，其特征在于，所述第二步骤之后还包括切除步骤：切除所述气瓶结构上凸出设置的所述补料垫块。

3.根据权利要求1所述的气瓶焊接方法，其特征在于，所述焊接步骤之前还包括设置补料垫块步骤，在所述气瓶结构上凸出设置所述补料垫块。

4.根据权利要求3所述的气瓶焊接方法，其特征在于，所述设置补料垫块步骤中：

将所述封头的端面与所述筒体的端面贴合，以使所述待焊接缝位于所述筒体的端面，在所述封头的背离所述筒体的一侧设置所述补料垫块，且使所述补料垫块沿所述气瓶结构的轴线方向延伸。

5.根据权利要求3所述的气瓶焊接方法，其特征在于，所述设置补料垫块步骤中：

将所述封头嵌入所述筒体的内壁，以使所述待焊接缝环绕所述气瓶结构的内壁，在所述筒体靠近所述封头一端的周壁设置所述补料垫块，且使所述补料垫块沿所述气瓶结构的径向方向延伸。

6.根据权利要求1-5任一项所述的气瓶焊接方法，其特征在于，所述第一步骤中，转动并移动所述气瓶结构，以使所述搅拌针和气瓶结构相对运动。

7.一种气瓶结构，其特征在于，包括气瓶本体和补料垫块，所述气瓶本体具有待焊接缝，所述待焊接缝具有相对应的接缝面，所述补料垫块沿所述接缝面的法线方向朝背离所述气瓶的方向延伸。

8.根据权利要求7所述的气瓶结构，其特征在于，所述气瓶本体包括筒体和封头，所述筒体具有带有开口的容纳腔，所述封头盖合于所述开口且形成所述待焊接缝。

9.根据权利要求8所述的气瓶结构，其特征在于，所述封头的端面与所述筒体的端面贴合，所述补料垫块固定设置于所述封头，所述补料垫块沿所述气瓶的轴向方向延伸。

10.根据权利要求8所述的气瓶结构，其特征在于，所述封头嵌设于所述容纳腔，所述补料垫块固定设置于所述筒体的靠近所述封头的一端，所述补料垫块沿所述气瓶的径向方向延伸。