CN111515520A - 一种变直径多焊接面回转体构件同步轴向焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其采用内环先摩擦、外环后摩擦的阶梯式摩擦焊接头的方式，同时在焊缝处设计成“Y”形坡口，既能减小封闭腔体内侧焊接飞边尺寸，避免焊接飞边堵塞冷却通道，又能实现各焊接面组织性能均匀控制，确保焊接质量稳定可靠。同时，本发明与现有钎焊、扩散焊方法相比，工艺自动化程度高，生产效率高，生产成本低，焊接接头强度系数高、焊接质量好。

Description

一种变直径多焊接面回转体构件同步轴向焊接方法
技术领域
本发明涉及固相焊技术领域，尤其涉及一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法。
背景技术
某些承受400℃以上的高温/超高温等特殊热负荷服役环境下的关重件，为实现结构高紧凑或轻量化减重，往往采用结构与功能一体化设计，大量运用了封闭腔体、封闭通道、薄壁中空结构等先进结构形式，具备油、水、气体等介质冷却功能，能实现高温服役关重件使用过程快速冷却，实现结构效率最高化，显著提高关重件的使用可靠性与使用寿命。
封闭腔体、封闭通道等先进结构形状复杂，传统的整体铸造工艺难以成形，制备难度很大；针对带封闭腔体、封闭通道的柱状/管状等回转体金属构件，采用分段式机加或成形后再采用焊接工艺高效优质连接是制备封闭腔体或封闭通道结构回转体构件的最有效途径。由于此类回转体金属构件焊接接头通常为双环型焊接面结构，且每个环焊接面的外径、焊接部位厚度、焊接面积等参数均不相同，属于典型变直径多焊接面焊接结构，其高效优质连接难度极大；采用激光焊、电子束焊、电弧焊等熔焊工艺仅对外环焊缝容易施焊，而对内环焊缝难以施焊或施焊难度较大，且焊接过程和后续热处理过程易产生结构翘曲变形大，接头容易产生与凝固有关的缺陷、焊缝强度和焊缝精度难以保证。钎焊和真空扩散技术可实现变直径多焊接面同步焊接，但大面积钎焊接头容易产生大量空洞等，钎焊强度较低；双环结构真空扩散焊接间隙难以精确控制，焊接质量稳定性控制难度大，焊接效率低，均不能满足优质高效连接要求，严重影响焊接构件在静载或动载服役条件下的可靠性。
采用惯性摩擦焊后接头为热锻细晶组织，焊接过程易于实现自动化，是实现变直径多焊接面回转体构件同步焊接的有效方法。但是由于多焊接面构件直径等结构尺寸不同，在相同焊接摩擦转速下、各焊接面摩擦线速度不同，导致单位面积焊接能量输入不同，加上内、外环焊缝冷却条件等差异大，各焊接面的组织性能一致性控制难度较大，也难以满足焊接质量的要求。因此，有必要开发出一种焊接质量稳定可靠、生产效率高的变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，为带封闭腔体、封闭通道的柱状/管状等回转体金属构件的快速研制提供新技术途径。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，该方法焊接质量稳定可靠、生产效率高，焊接强度高、质量好。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、采用内环先摩擦、外环后摩擦的阶梯式摩擦焊接头，完成内、外双环阶梯异步待焊件毛坯结构设计；
b、根据待焊件毛坯结构尺寸，加工出稳定的焊接夹持工装；
c、对待焊件进行机械加工，并对内、外环待焊接面进行去铁锈、去毛刺、去油污处理，同时在内、外环待焊接面处开设“Y”形坡口；然后采用焊接夹持工装夹持待焊件；
d、分别将焊接夹持工装安装在惯性摩擦焊机主轴上和移动滑台上，对惯性摩擦焊机进行焊接参数设置，开启惯性摩擦焊机，保压，完成变直径多焊接面回转体构件惯性摩擦焊接；
e、打开安装在惯性摩擦焊机主轴上的焊接夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开移动滑台上的焊接夹持工装，取下焊接件。
作进一步优化，所述变直径多焊接面回转体构件的外环外径为60mm～160mm，待焊接厚度为3mm～15mm；内环外径20mm~130mm，待焊接厚度为3mm～15mm。
作进一步优化，所述步骤a中内、外双环待焊接面的焊缝位置的距离差为A，所述A在10mm～50mm之间。
作进一步优化，所述步骤a中内环待焊接面先摩擦量为0.2mm～2mm。
对于变直径多焊接面回转体构件的焊接，由于外环直径大、惯性摩擦焊机焊接时转速高、摩擦热量高，内环转速低、摩擦热量低，内、外环焊接面摩擦能量不同，导致单位面积焊接能量输入不同、焊接面的组织性能差距大，焊接面组织不均匀、焊接质量低；采用内环先摩擦、外环后摩擦的阶梯式摩擦焊接，由内环先产生摩擦热量的同时提供给外环摩擦一定的阻力，从而确保内、外环摩擦能量相同，热量相同，实现各焊接面组织性能均匀。
作进一步优化，所述步骤b中焊接夹持工装为全包容弹性夹头夹持工装。
作进一步优化，所述步骤c中“Y”形坡口开口朝向具体为：内环焊接处的“Y”形坡口开口朝向外环，外环焊接处的“Y”形坡口开口朝向内环。
作进一步优化，所述步骤c中“Y”形坡口钝边高度为2mm～10mm，坡口角度为50°～80°。
在异步阶梯焊接面接头结构中通过“Y”形坡口及其开口朝向的设计、通过惯性摩擦焊机焊接时飞轮的旋转离心力，减小回转体构件封闭腔体内侧焊接飞边，同时确保即使产生焊接飞边、焊接飞边也会出现在回转体构件的外环外侧，便于后期处理焊接飞边，避免焊接飞边堵塞冷却通道、影响焊接质量。
作进一步优化，所述步骤d中惯性摩擦焊机旋转飞轮的转动惯量为2kg•m2～164kg•m2。
作进一步优化，所述步骤d中惯性摩擦焊机参数为：摩擦转速1200r/min～1550r/min，摩擦压力3MPa～8MPa，顶锻转速450r/min～900r/min，顶锻压力5MPa～15MPa。
本发明具有如下技术效果：
本发明采用“Y”形坡口+异步阶梯焊接面接头结构，既能减小封闭腔体内侧焊接飞边尺寸，避免焊接飞边堵塞冷却通道，又能实现各焊接面组织性能均匀控制，确保焊接质量稳定可靠；同时，采用“Y”形坡口的设计，防止内外环异步阶梯焊接时，焊接面接头内应力过大而产生裂纹，影响焊接质量。
本发明与现有钎焊、扩散焊方法相比，工艺自动化程度高，焊接效率高达30件/h以上，生产效率高，生产成本低；同时，本发明各焊接面接头强度系数≥0.95，强度变化在5%以内，焊接质量好。
附图说明
图1为本发明变直径多焊接面回转体构件惯性轴向摩擦焊接接头的结构示意图。
图2为本发明一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法的流程图。
图3为本发明变直径多焊接面回转体构件惯性轴向摩擦焊接头形貌图。
图4为本发明具体实施例中42CrMo钢惯性摩擦焊后接头的显微组织图。
其中，1、内环焊缝；2、外环焊缝。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1：
针对具有内环和外环两个焊接面的42CrMo钢焊缝（外环外径φ160 mm，外环内径φ130mm，待焊接面的厚度为15mm；内环外径φ100mm、内环内径φ70mm，待焊接面的厚度为15mm）的同步轴向摩擦焊接：
a、采用内环先摩擦、外环后摩擦的阶梯式摩擦焊接头，设计的内外双环阶梯异步待焊件毛坯结构尺寸为：内、外环焊缝位置距离差A（如图1）为50mm，内环焊接面先摩擦量2mm。
b、根据待焊件毛坯结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出圆形内锥面推力套结构的全包容弹性夹头夹持工装。
c、选择调质态42CrMo钢作为焊接件，对待焊构件的内外环直径、“Y”形坡口等尺寸进行机械加工：内环焊接面先摩擦量预留2mm±0.05mm；“Y”形坡口钝边高度10mm±0.05mm，坡口角度50°。采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污。
d、分别将焊接夹持工装安装在CT-130-J惯性摩擦焊机主轴上和移动滑台上，并采用全包容弹性夹头夹持工装夹持待焊接件，预夹紧力为0.5MPa。
e、将转动惯量为164kg•m2的飞轮装在径向摩擦焊机主轴上，并在惯性摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速1200r/min，摩擦压力8MPa，顶锻转速450r/min，顶锻压力15MPa。开启惯性摩擦焊机，移动滑台在轴向主油缸作用下先快进后工进，待焊接件接触后，焊机主轴开始旋转升速，当主轴升速至主轴转速1200r/min时，待焊件内环焊接面在摩擦压力作用下产生摩擦生热，随即外环焊接面接触并相互摩擦，通过飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能转变成摩擦热使内环焊接面和外环焊接面处于热塑性状态，随着飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能的消耗，主轴转速下降至450r/min顶锻转速时，移动夹具端焊接件在顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成内环焊接面和外环焊接面同步轴向摩擦焊。
f、卸构件：打开安装在惯性摩擦焊机主轴上的焊接夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开移动滑台上的焊接夹持工装，取下焊接件。
对内环焊接面和外环焊接面接头进行强度测试表明，内环焊接面摩擦焊接头抗拉强度为1068MPa，外环焊接面摩擦焊接头抗拉强度为1085MPa，强度系数均达到0.96以上，实现了变直径多焊接面构件的同步高强焊接。
实施例2：
针对具有内环和外环两个焊接面的42CrMo钢焊缝（外环外径φ60 mm，外环内径φ54mm，待焊接面的厚度为3mm；内环外径φ20mm、内环内径φ14mm，待焊接面的厚度为3mm）的同步轴向摩擦焊接：
a、采用内环先摩擦、外环后摩擦的阶梯式摩擦焊接头，设计的内外双环阶梯异步待焊件毛坯结构尺寸为：内、外环焊缝位置距离差A（见图1）为10mm，内环焊接面先摩擦量0.2mm。
b、根据待焊件毛坯结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出圆形内锥面推力套结构的全包容弹性夹头夹持工装。
c、选择调质态42CrMo钢作为焊接件，对待焊构件的内外环直径、“Y”形坡口等尺寸进行机械加工：内环焊接面先摩擦量预留0.2mm±0.05mm；“Y”形坡口钝边高度2mm±0.05mm，坡口角度80°。采用砂纸对待焊部位进行去铁锈和去毛刺处理，并采用乙酸乙酯去除待焊部位处的油污。
d、分别将焊接工装安装在FW-165HT惯性摩擦焊机主轴上和移动滑台上，并采用全包容弹性夹头夹持工装夹持待焊接件，预夹紧力为0.3MPa。
e、将转动惯量为2kg•m2的飞轮装在径向摩擦焊机主轴上，并在径向摩擦焊机的控制界面上进行参数设置，设置的摩擦转速1550r/min，摩擦压力3MPa，顶锻转速900r/min，顶锻压力5MPa。开启惯性摩擦焊机，移动滑台在轴向主油缸作用下先快进后工进，待焊接件接触后，焊机主轴开始旋转升速，当主轴升速至主轴转速1550r/min时，待焊件内环焊接面在摩擦压力作用下产生摩擦生热，随即外环焊接面接触并相互摩擦，通过飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能转变成摩擦热使内环焊接面和外环焊接面处于热塑性状态，随着飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能的消耗，主轴转速下降至900r/min顶锻转速时，移动夹具端焊接件在顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成内环焊接面和外环焊接面同步轴向摩擦焊。
f、卸构件：打开安装在惯性摩擦焊机主轴上的焊接夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开移动滑台上的焊接夹持工装，取下焊接件。
对内环焊接面和外环焊接面接头进行强度测试表明，内环焊接面摩擦焊接头抗拉强度为1075MPa，外环焊接面摩擦焊接头抗拉强度为1090MPa，强度系数均达到0.96以上，实现了变直径多焊接面回转体构件的同步高强焊接。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、采用内环先摩擦、外环后摩擦的阶梯式摩擦焊接头，完成内、外双环阶梯异步待焊件毛坯结构设计；
b、根据待焊件毛坯结构尺寸，加工出稳定的焊接夹持工装；
c、对待焊件进行机械加工，并对内、外环待焊接面进行去铁锈、去毛刺、去油污处理，同时在内、外环待焊接面处开设“Y”形坡口；然后采用焊接夹持工装夹持待焊件；
d、分别将焊接夹持工装安装在惯性摩擦焊机主轴上和移动滑台上，对惯性摩擦焊机进行焊接参数设置，开启惯性摩擦焊机，保压，完成变直径多焊接面回转体构件惯性摩擦焊接；
e、打开安装在惯性摩擦焊机主轴上的焊接夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开移动滑台上的焊接夹持工装，取下焊接件。
2.根据权利要求1所述的一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于：作进一步优化，所述变直径多焊接面回转体构件的外环外径为60mm～160mm，待焊接厚度为3mm～15mm；内环外径20mm~130mm，待焊接厚度为3mm～15mm。
3.根据权利要求1所述的一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于：所述步骤a中内、外双环待焊接面的焊缝位置的距离差为A，所述A在10mm～50mm之间。
4.根据权利要求1所述的一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于：所述步骤b中焊接夹持工装为全包容弹性夹头夹持工装。
5.根据权利要求1所述的一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于：所述步骤c中“Y”形坡口钝边高度为2mm～10mm，坡口角度为50°～80°。
6.根据权利要求1所述的一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于：所述步骤d中惯性摩擦焊机旋转飞轮的转动惯量为2kg•m2～164kg•m2。
7.根据权利要求1所述的一种变直径多焊接面回转体构件同步等强轴向焊接方法，其特征在于：所述步骤d中惯性摩擦焊机参数为：摩擦转速1200r/min～1550r/min，摩擦压力3MPa～8MPa，顶锻转速450r/min～900r/min，顶锻压力5MPa～15MPa。
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