CN110216366B - 铝合金管周向摩擦焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种铝合金管周向摩擦焊接方法及装置，摩擦元件位于待焊管材对接界面处，并由驱动系统驱动围绕管材轴线进行周向高速旋转；铝合金管材由轴向顶锻系统夹持，并提供压紧力和顶锻力；摩擦元件与管材对端面摩擦产热，并去除氧化膜，待材料进入塑性状态后，径向定位机构撤除径向限位，摩擦元件在离心力的作用下快速抽离摩擦区域。与此同时，管材顶锻系统夹持管材两端相向运动进行顶锻，高温塑性材料在管件内撑装置与顶锻成形模具的拘束下，进行顶锻连接，形成接头。该方法克服了传统旋转摩擦焊方法必须由待焊材料旋转进行焊接的困难，装置与传统的径向摩擦焊相比更为简单，不需要耗材和径向压紧系统。焊接接头属于固相连接，接头强度高、效率高。

Description

铝合金管周向摩擦焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及一种铝合金管周向摩擦焊接方法及装置，属于焊接领域。

背景技术

由于铝合金管容易成形和加工，在工业中大量采用了铝合金管材进行制造各种装备，典型如航天领域的动力系统各类推进剂管路、各类增压输送管路、空间飞行器中的热控、环控、生命保障系统管路，在电子电气行业、化工行业等亦有广泛的应用。

通常，得益于铝合金管优良的成形性能，使用的管材常常具有复杂形状。这给管材焊接装配带来了一定的困难，在焊接时，已成形或一端已安装的管材无法实现绕其轴线旋转。因此，在焊接装配时通常采用全位置电弧熔化焊的手段实现连接，但由于氧化膜的存在、铝合金熔池表面张力低等问题，全位置熔化焊往往容易存在烧穿、未焊透、气孔、夹杂等缺陷，导致铝合金管材连接制造存在一定的困难。并且，由于铝合金熔池的下塌，往往需要额外的材料填充才能获得满足要求的焊缝，但填丝焊接或者预置填料焊接也给焊接工艺过程控制带来了困难和复杂性。此外，铝合金熔化焊对于焊接环境有苛刻的温湿度要求，这对于现场施工也提出了挑战。因此工业领域对于铝合金管材的高可靠、高适应性连接技术存在迫切需求。

固相焊接技术由于焊接过程材料没有熔化，依靠材料的动态再结晶实现焊接区域的冶金结合，相比于熔化焊接其具有一系列的技术优势：如连接强度高，焊缝微观组织为锻造组织，相比于熔化焊接的铸态组织力学性能有大幅度的提高；因没有材料的凝固收缩，焊接变形小、残余应力低；焊接能耗低、没有弧光、烟尘、飞溅的影响，是一种绿色环保的焊接技术；焊接过程对环境温湿度没有特别要求，不存在气孔等环境敏感性缺陷。因此，固相焊接技术一直受到焊接工程师们的重视，而基于搅拌摩擦焊、旋转摩擦焊的连接手段，已经在工业界获得广泛的应用。但是对于管件无法旋转的铝合金管材，传统的旋转摩擦焊无法应用；搅拌摩擦焊由于涉及复杂的内撑和装配工装，包括匙孔处理、小直径管材焊接质量保证困难等问题，也限制了其应用。

为了解决无法旋转的管材固相连接问题，焊接技术工作者发明了径向摩擦焊，径向摩擦焊是通过在固定的管材外表面施加一个焊环，通过焊环对管壁的相对运动摩擦产热实现被焊区域金属的塑性化，然后通过施加轴向或径向的压力，使焊件和焊环之间发生顶锻塑性变形，从而实现焊接的一种方法。这种方法需要制造焊接耗材并进行装配和驱动，此外，焊接过程要求焊件承受较大的径向力。焊接过程相对复杂，且焊接夹具、焊接设备体积庞大，通常适用于较大直径厚壁高熔点材料管材的连接。对于铝合金薄壁构件而言，需要更为灵活、更加简单的一种固相连接方法与装置。

发明内容

鉴于传统的径向摩擦焊不适用于较小直径铝合金薄壁管材连接的情况，本发明提供了一种周向旋转、轴向顶锻的非耗材摩擦焊接方法及其装置。可达到降低焊接过程工艺与装备的复杂程度，实现铝合金管材的快速、可靠、低成本焊接之目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种铝合金管周向摩擦焊接方法，被焊管材不旋转，由夹持顶锻装置进行固定，管子内部具有可拆卸的内撑工装。在管子对接圆周端面上，有摩擦元件，由摩擦元件进行旋转，待焊的两侧管材被夹持顶锻装置进行轴向压紧，摩擦元件由外部电机驱动进行高速旋转，使得摩擦元件与管子端面进行滑动摩擦。

进一步，随着摩擦的进行，管子待焊端面氧化膜被破除，焊接区域温度升高，被焊铝合金管端面附近材料进入塑性状态。

进一步，摩擦元件瞬时快速抽离焊接区域，同时被焊管材进行轴向运动和顶锻。此时，被焊管材端面在保护气氛作用下，在摩擦元件抽离瞬间不会发生氧化，且由于抽离速度足够快，摩擦元件厚度较薄，轴向运动行程较短，被焊端面温度也不会明显下降。

进一步，待焊管材端面在轴向运动压紧作用下进行顶锻，界面部分材料被挤出到管材外壁和内壁，在高温作用下，保持顶锻压力，此时管材顶锻部分金属发生动态再结晶、扩散等作用，实现界面冶金结合。

在实现界面冶金结合后，管材外壁的挤出金属可以采用打磨、机加工等方式进行修整，管材内壁的挤出材料在管内壁摩擦拘束下形成所需要的一定的形状。管子内支撑模具可通过分拆方法取出。至此，完成焊接过程。

所述的铝合金管周向摩擦焊接方法，其与径向摩擦焊接方法的区别是，不对管材施加径向压力进行摩擦，也不使用焊接耗材实施焊接，通过可重复使用的摩擦元件实施摩擦焊接过程，通过摩擦元件的周向旋转和轴向加压来实施摩擦产热。其过程更为简单，适用于较小壁厚的铝合金管材焊接。

本发明的另一技术方案在于，提供了一种铝合金管周向摩擦焊接装置，包括：管材夹持顶锻装置，能够将待焊管材固定，并实施轴向相向的顶锻力，使得管材能够紧压摩擦元件进行相对摩擦运动；当摩擦元件抽离摩擦区域时，能够瞬时提供轴向相向运动，并将对接界面进行顶锻连接；

内撑装置，一方面能够为管材夹持时提供支撑，另一方面可为管材顶锻成形时提供内部成形拘束作用，采用分离可拆卸式，能够在焊后顺利从管材中取出；并且设有同轴导向装置，在做轴向相向运动时可保持同轴；

顶锻成形拘束模具，能够为管材顶锻成形时提供材料成形外壁拘束空间，当管材在轴向相向运动挤压时，该空间可容纳其可随所需的管材接头外形变化；

摩擦元件，能够在周向旋转的同时，可实现径向运动，其可由多个相同且周向对称分布的块状零件构成，每个块状零件随驱动机构周向旋转，同时能够沿设置在驱动机构上的滑轨实现径向运动；

径向定位机构，能够实现对摩擦元件的径向限位，可由滚珠轴承、安全保护外壳等构成，确保在摩擦阶段摩擦元件能够保持在与管件的接合端面进行持续接触摩擦；而当材料摩擦产热足够、材料进入塑性化时，径向定位机构可瞬时撤离，此时摩擦元件可在离心力作用下迅速抽离摩擦区域。

进一步，采用了绕轴心对称分布的分体式摩擦元件，该摩擦元件材料可为热作模具钢、硬质合金、陶瓷材料等具有优良高温耐磨性能的材料，其形状设计可考虑材料摩擦时的流动导向，也可在摩擦面上设计花纹引导材料流动。

摩擦元件在摩擦时，通过外部拘束装置拼在一起，由外部驱动装置驱动高速旋转。外部拘束装置在摩擦一段时间后，撤除拘束，此时由摩擦元件自身的离心力驱动瞬时沿径向抽离摩擦区域。同时由夹持顶锻装置驱动管材进行轴向顶锻和保压，实现焊接。由于摩擦元件厚度可设置较薄，顶锻行程很小、时间非常短暂，可实现瞬时快速顶锻加压焊接。

附图说明

图1为本发明实施例的一种铝合金管周向摩擦焊接装置示意图。

具体实施方式

图1为本发明的铝合金管周向摩擦焊接方法及装置结构示意图。焊接过程可分为如下几个步骤：

装配阶段：将被焊管材1与夹持顶锻装置4进行夹紧，可拆卸内撑装置8装入管材内壁并进行拼接装配，由顶锻成形拘束模具3施加径向力，与内撑装置一起进行管壁压紧；摩擦元件5沿径向复位，并与径向限位装置6进行限位接触；

预摩擦阶段：夹持顶锻装置4驱动管件带着内撑装置8和顶锻成形拘束模具3一起沿轴向相向运动，与摩擦元件接触；由外部驱动装置驱动摩擦元件5进行旋转，摩擦元件5与管材对接端面10开始实现相对运动；

焊接摩擦阶段：外部驱动装置驱动摩擦元件5达到预设的旋转速度，夹持顶锻装置4开始逐渐施加轴向压力至预设参数，并保持一定的摩擦时间，此时管材焊接对接端面10升温，并发生塑性变形。

顶锻阶段：径向定位机构6解除径向限位，摩擦元件5在离心力作用下快速抽离焊接区域，夹持顶锻装置4驱动待焊管件进行顶锻接触，摩擦区域材料在顶锻力作用下进行挤压变形。

保压阶段：有夹持顶锻装置4进行持续轴向压力压紧一段时间，使得焊接对接端面10发生充分的再结晶和扩散过程，形成良好的冶金结合。

焊缝修整阶段：夹持顶锻装置4撤除顶锻压力，内撑装置分体拆除，顶锻成形拘束模具3、摩擦元件5、径向定位机构6等装置移出焊接区域，对焊缝外表或内壁进行机械修整，完成焊接。

Claims (6)

1.一种铝合金管周向摩擦焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

装配阶段：将被焊管材与夹持顶锻装置进行夹紧，可拆卸内撑装置装入管材内壁并进行拼接装配，由顶锻成形拘束模具施加径向力，与内撑装置一起进行管壁压紧；摩擦元件沿径向复位，并与径向限位装置进行限位接触；

预摩擦阶段：夹持顶锻装置驱动管件带着内撑装置和顶锻成形拘束模具一起沿轴向相向运动，与摩擦元件接触；由外部驱动装置驱动摩擦元件进行旋转，摩擦元件与管材对接端面开始实现相对运动；

焊接摩擦阶段：外部驱动装置驱动摩擦元件达到预设的旋转速度，夹持顶锻装置开始逐渐施加轴向压力至预设参数，并保持一定的摩擦时间，此时管材焊接对接端面升温，并发生塑性变形；

顶锻阶段：径向定位机构解除径向限位，摩擦元件在离心力作用下快速抽离焊接区域，夹持顶锻装置驱动待焊管件进行顶锻接触，摩擦区域材料在顶锻力作用下进行挤压变形；

保压阶段：有夹持顶锻装置进行持续轴向压力压紧一段时间，使得焊接对接端面发生充分的再结晶和扩散过程，形成良好的冶金结合；

焊缝修整阶段：夹持顶锻装置撤除顶锻压力，内撑装置分体拆除，顶锻成形拘束模具、摩擦元件、径向定位机构装置移出焊接区域，对焊缝外表或内壁进行机械修整，完成焊接。

2.一种实现权利要求1所述的铝合金管周向摩擦焊接方法的焊接装置，其包括：

管材夹持顶锻装置，能够将待焊管材固定，并实施轴向相向的顶锻力，使得管材能够紧压摩擦元件进行相对摩擦运动；当摩擦元件抽离摩擦区域时，能够瞬时提供轴向相向运动，并将对接界面进行顶锻连接；

内撑装置，一方面能够为管材夹持时提供支撑，另一方面为管材顶锻成形时提供内部成形拘束作用，采用分离可拆卸式，能够在焊后顺利从管材中取出；并且设有同轴导向装置，在做轴向相向运动时可保持同轴；

顶锻成形拘束模具，能够为管材顶锻成形时提供材料成形外壁拘束空间，当管材在轴向相向运动挤压时，该空间可容纳其随所需的管材接头发生的外形变化；

摩擦元件，能够在周向旋转的同时，实现径向运动，其由多个相同且周向对称分布的块状零件构成，每个块状零件随驱动机构周向旋转，同时能够沿设置在驱动机构上的滑轨实现径向运动；

径向定位机构，能够实现对摩擦元件的径向限位，由滚珠轴承、安全保护外壳构成，确保在摩擦阶段摩擦元件能够保持在与管件的接合端面进行持续接触摩擦；而当材料摩擦产热足够、材料进入塑性化时，径向定位机构瞬时撤离，此时摩擦元件在离心力作用下迅速抽离摩擦区域。

3.根据权利要求2所述的一种焊接装置，其特征在于，所述摩擦元件迅速抽离摩擦区域由离心力作用，或由机械装置作用，或由电驱动，并与夹持顶锻装置联动控制。

4.根据权利要求3所述的一种焊接装置，其特征在于，所述摩擦元件的材料为具有高温耐磨性能的材料，其设计为不同的形状或摩擦面设计不同的花纹，以引导材料挤出流动方向。

5.根据权利要求4所述的一种焊接装置，其特征在于，所述花纹向管外壁面或管内壁流动。

6.根据权利要求4所述的一种焊接装置，其特征在于，所述摩擦元件为绕轴心对称分布的几片相同的部件组成，摩擦时为拼接一体式，或为分离式。

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