CN111545893A - 一种低硬度导带高效精密径向焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，采用加工出带斜凹槽的径向加压工装以及将导带环加工成“凸型”结构环的径向摩擦焊接工艺，实现了导带环与钢壳体之间低硬度、高效精密的焊接。该方法确保导带环在焊接过程中不会发生大的变形，避免导带形变效果大于动态回复/动态再结晶软化效果，从而保证导带环硬度在径向摩擦焊后不会明显提高；同时，该方法装配精度高，焊后接头无需热处理、焊后易于拆卸，生产效率高、生产成本低。

Description

一种低硬度导带高效精密径向焊接方法
技术领域
本发明涉及固相焊技术领域，尤其涉及一种低硬度导带高效精密径向焊接方法。
背景技术
导带是线膛炮弹药的关键部件，主要起闭气并在炮膛中定位、导转等作用。导带与弹丸等壳体可靠装配后，在发射过程中它将被压入膛线，带着弹丸沿膛线运动，主要承受火药爆炸时、导带压入膛线瞬间的冲击力和带动弹体旋转的扭转力等工况。为保证火炮身管/炮管的使用寿命，要求装配后导带材料具有适宜的硬度、强度等力学性能。若导带强度、硬度太低，发射过程中导带易附着在身管/炮管的膛线上，影响继续发射；若导带硬度、强度高，则易划伤身管/炮管的膛线。紫铜/黄铜、纯铁等金属强度低、硬度低且延伸率好，是炮弹导带的最理想材料。
随着弹药射程、精度等进一步提高，对能实现弹丸壳体薄壁化的无槽导带装配工艺需求强烈，采用惯性径向摩擦焊工艺可实现H96铜环与35CrMoSi钢异种金属接头剪切强度达到180MPa以上，有效区域焊合率达到99%以上；纯铁环与35CrMoSi钢异种金属接头剪切强度达到450MPa以上，焊接效率达到30件/h以上，验证了惯性径向摩擦焊是实现铜/钢、纯铁/钢等异种金属高强连接的有效方法，也是实现异种金属导带高效高可靠装配的最有效途径之一。但由于径向摩擦焊高转速、大顶锻压力、短摩擦时间等工艺特点，焊接过程中导带强烈形变强化效果大于动态回复/动态再结晶软化效果，导致径向摩擦焊后导带硬度显著提高，如纯铁导带经径向摩擦焊装配后，其导带表面硬度由80HB大幅度提高到140HB以上，由于径向摩擦焊装配后的导带通常不进行热处理退火软化，导致高硬度导带极易划伤身管/炮管的膛线，严重降低了火炮身管/炮管的使用寿命。因此，有必要开发出一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，实现径向摩擦焊导带的硬度可控可调，为线膛炮导带高质量装配提供新技术途径。
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低硬度导带高效精密径向焊接方法，该方法确保导带环在焊接过程中不会发生大的变形，避免导带形变效果大于动态回复/动态再结晶软化效果，从而保证导带环硬度在径向摩擦焊后不会明显提高；同时，该方法装配精度高，焊后接头无需热处理，生产效率高、生产成本低。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、根据需要焊接的导带环和钢壳体的结构尺寸，加工出旋转夹持工装和带斜凹槽的径向加压工装；为增加抗扭能力，斜凹槽内表面加工挤压齿且斜凹槽内表面的挤压齿尺寸与径向加压工装卡爪的挤压齿尺寸相同；
b、对待焊导带环和钢壳体进行机械加工，其中先将待焊导带环毛坯加工成“凸型”结构环，然后对导带环、钢壳体待焊部位进行去铁锈、去毛刺、去油污等处理；
c、采用步骤a中加工出的带斜凹槽的径向加压工装夹持步骤b中处理后的导带环、步骤a中的旋转夹持工装夹持步骤b中处理后的钢壳体；然后将旋转夹持工装安装在径向摩擦焊机主轴上，带斜凹槽的径向加压工装安装在径向摩擦焊机的移动滑台上；
d、将具有一定转动惯量的飞轮安装在径向摩擦焊机主轴上，同时对径向摩擦焊机进行焊接参数设置，开启径向摩擦焊机，保压，完成对导带环和钢壳体的静加压径向摩擦焊接；
e、打开旋转夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开带斜凹槽的径向加压工装，取下焊接件。
作进一步优化，所述导带环为纯铁导带环或铜导带环。
作进一步优化，所述步骤a中的斜凹槽横截面为等边梯形式凹槽，且斜凹槽开口大、内表面小。
作进一步优化，所述步骤a中斜凹槽深度为2mm～7mm，宽度为5mm～20mm，斜边倾斜角度为10°～15°。
作进一步优化，所述步骤b中钢壳体直径为20mm～155mm。
作进一步优化，所述步骤b中“凸型”结构环最大外径为30mm～180mm，内孔直径为22mm～156mm；“凸型”结构环最大宽度为8mm～28mm，凸出部分宽度为4.8mm～20mm，凸出部分的厚度为2mm～7mm。
采用将导带环设置为“凸型”结构环与在径向加压工装上开设斜凹槽的组合，通过斜凹槽与“凸型”结构环的配合，实现了对导带环在径向与轴向上的刚性约束，减小导带环焊接过程中的变形程度、从而避免导带环在焊接过程中硬度显著提高。同时，斜凹的槽形状尺寸配合“凸型”结构环，既实现了焊前导带环在径向加压工装上快速、准确的定位，又便于焊后导带环在径向加压工装上的拆卸、避免导带环焊接过程中卡在径向加压工装的凹槽内，从而提高了摩擦焊接的组装拆卸效率，进而显著提高了焊接效率。
作进一步优化，所述步骤c中径向摩擦焊机采用CJ-30惯性径向摩擦焊机。
作进一步优化，所述步骤d中旋转飞轮的转动惯量为0.3kg•m2～164kg•m2。
作进一步优化，所述步骤d中径向摩擦焊机的摩擦转速为1200r/min～3400r/min，摩擦压力为3MPa～10MPa，顶锻转速为500r/min～1600r/min，顶锻压力为5MPa～18MPa。
本发明具有如下技术效果：
（1）本发明采用在径向加压工装内加工出斜凹槽以及导带环设计成“凸型”结构环，焊前将导带环放入工装斜凹槽内，通过斜凹槽结构及其四周的刚性约束条件，显著减小导带在径向和轴向的变形程度，降低导带形变强化/形变硬化效果，实现低硬度导带装配。
（2）通过将“凸型”结构导带环放入径向加压工装的斜凹槽内，可以避免导带在径向加压焊接过程中的滑移现象，实现导带准确定位，提高导带环装配精度；同时，通过斜凹槽的设计，避免焊接过程中导带环卡入凹槽内，极大的方便了焊后导带环与径向加压工装的分离。
（3）焊前直接将导带环放入斜凹槽内，精确装夹过程方便同时焊后易拆卸，焊接效率高达40件/h以上，且焊后接头无需热处理，生产效率高，生产成本低。
（4）与传统径向摩擦焊导带相比，焊接强度无变化，纯铁导带表面硬度由140HB降至90HB以内，铜导带表面硬度控制到80HB以内；焊后强度控制在一定范围，避免导带硬度、强度高划伤身管/炮管的膛线或硬度、强度过低附着在身管/炮管的膛线上。
附图说明
图1为现有技术中的导带径向摩擦焊示意图。
图2为本发明具体实施例中的导带径向摩擦焊示意图。
图3为本发明具体实施例中的导带环焊接毛坯结构示意图。
图4为本发明一种低硬度导带高效精密径向焊接方法的流程图。
图5为本发明中纯铁环/35CrMoSi轴径向摩擦焊后接头的显微组织。
其中，1、旋转夹持工装；2、径向加压工装卡爪；3、轴向挡块；4、钢轴；5、导带环；6、导带母材；7、导带变形层；8、35CrMoSi。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施例中的附图，对本发明具体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。基于本发明中的具体实施例，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：
针对外径30mm的纯铁环与直径20mm的钢壳体的径向摩擦焊接：
a、根据需要焊接的导带环和钢壳体的结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出圆形内锥面推力套结构的径向加压工装和旋转夹持工装；其中，径向加压工装采用如公开号CN102744515 A专利中类似结构，其具有对导向环固定以及加压的功能；同时，在径向加压工装卡爪内加工深度为2mm+0.05mm、宽度为5mm+0.05mm、两侧斜边倾斜角度为10°的斜凹槽，斜凹槽的横截面为等边梯形式凹槽，且斜凹槽开口大、内表面小；为增加抗扭能力，斜凹槽内表面加工挤压齿且斜凹槽内表面的挤压齿尺寸与径向加压工装卡爪的挤压齿尺寸相同，挤压齿为设计在卡爪表面的小型齿状凸台。（其中+0.05mm为加工精度要求）
b、为减小导带环焊接过程中变形程度，先将待焊导带环毛坯加工成“凸型”结构环，如图3所示，“凸型”结构环最大外径E为30mm，内孔直径D为22mm；“凸型”结构环最大宽度B为8mm，凸出部分宽度A为4.8mm-0.05mm，凸出部分厚度C为2mm-0.05mm（其中-0.05mm为加工精度要求）；然后对导带环、钢壳体待焊部位进行去铁锈、去毛刺、去油污等处理；按上述设计的导带环尺寸进行机械加工，加工出纯铁导带环焊接毛坯以及钢壳体。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。
c、先分别将带斜凹槽的径向加压工装与旋转夹持工装安装在CJ-30惯性径向摩擦焊机主轴上和移动滑台上，然后将钢壳体放入旋转夹持工装内夹持，预夹紧力为0.5MPa；将纯铁导带环放入带斜凹槽的径向加压工装内夹紧（“凸”形结构卡入斜凹槽内），预夹紧力为0.2MPa。
d、将转动惯量为0.3kg•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3400r/min，摩擦压力3MPa，顶锻转速1600r/min，顶锻压力5MPa。开启径向摩擦焊机，移动滑台在轴向主油缸作用下先快进后工进，径向加压工装预夹紧导带环，焊机主轴开始旋转升速，夹持在旋转夹持工装中的钢壳体随之旋转，当主轴升速至主轴转速3400r/min时，待焊导带环在径向加压工装3MPa径向摩擦压力作用下，首先纯铁导带环填充在径向加压工装斜凹槽内，随后导带环进一步静态径向收缩变形，导带环内径持续收缩变小并与钢壳体外表面接触并相互摩擦，飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能转变成摩擦热使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1600r/min顶锻转速时，夹持在径向加压工装中的纯铁环在5MPa径向顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成导带环与钢壳体径向摩擦焊接。
e、卸构件：打开焊机主轴端旋转夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开带斜凹槽的径向加压工装，取下纯铁导带焊接件。
对摩擦焊纯铁导带环进行剪切强度和硬度测试表明，纯铁与35CrMoSi钢异种金属接头剪切强度达到452MPa，纯铁导带表面硬度88HB，实现了低硬度纯铁导带环的高可靠焊接。
实施例2：
针对外径180mm的H96黄铜环与直径155mm的钢壳体的径向摩擦焊接：
a、根据需要焊接的导带环和钢壳体的结构尺寸，采用40Cr中碳调质钢加工出圆形内锥面推力套结构的径向加压工装和旋转夹持工装；其中，径向加压工装采用如公开号CN102744515 A专利中类似结构，其具有对导向环固定以及加压的功能；同时，在径向加压工装卡爪内加工深度为5mm+0.05mm、宽度为20mm+0.05mm、两侧斜边倾斜角度为15°的斜凹槽，斜凹槽的横截面为等边梯形式凹槽，且斜凹槽开口大、内表面小；为增加抗扭能力，斜凹槽内表面加工挤压齿且斜凹槽内表面的挤压齿尺寸与径向加压工装卡爪的挤压齿尺寸相同，挤压齿为设计在卡爪表面的小型齿状凸台。（其中+0.05mm为加工精度要求）
b、为减小导带环焊接过程中变形程度，先将待焊导带环毛坯加工成“凸型”结构环，如图3所示，“凸型”结构环最大外径E为180mm，内孔直径D为156mm；“凸型”结构环最大宽度B为28mm，凸出部分宽度A为20mm-0.05mm，凸出部分厚度C为7mm-0.05mm（其中-0.05mm为加工精度要求）；然后对导带环、钢壳体待焊部位进行去铁锈、去毛刺、去油污等处理；按上述设计的导带环尺寸进行机械加工，加工出H96铜导带环焊接毛坯以及钢壳体。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。
c、先分别将带斜凹槽的径向加压工装与旋转夹持工装安装在CJ-30惯性径向摩擦焊机主轴上和移动滑台上，然后将钢壳体放入旋转夹持工装内夹持，预夹紧力为0.5MPa；将H96铜导带环放入带斜凹槽的径向加压工装内夹紧（“凸”形结构卡入斜凹槽内），预夹紧力为0.5MPa。
d、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10MPa，顶锻转速500r/min，顶锻压力18MPa。开启径向摩擦焊机，移动滑台在轴向主油缸作用下先快进后工进，径向加压工装预夹紧导带环，焊机主轴开始旋转升速，夹持在旋转夹持工装中的钢壳体随之旋转，当主轴升速至主轴转速1200r/min时，待焊导带环在径向加压工装10MPa径向摩擦压力作用下，首先H96铜导带环填充在径向加压工装斜凹槽内，随后导带环进一步静态径向收缩变形，导带环内径持续收缩变小并与钢壳体外表面接触并相互摩擦，飞轮、主轴和旋转夹持工装的动能转变成摩擦热使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500r/min顶锻转速时，夹持在径向加压工装中的H96铜环在18MPa径向顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成导带环与钢壳体径向摩擦焊接。
e、卸构件：打开焊机主轴端旋转夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开带斜凹槽的径向加压工装，取下纯铁导带焊接件。
对摩擦焊H96铜导带环进行剪切强度和硬度测试表明，H96铜与35CrMoSi钢异种金属接头剪切强度达到190MPa，H96铜导带表面硬度75HB，实现了低硬度H96铜导带环的高可靠焊接。
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)

1.一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、根据需要焊接的导带环和钢壳体的结构尺寸，加工出旋转夹持工装和带斜凹槽的径向加压工装；为增加抗扭能力，斜凹槽内表面加工挤压齿且斜凹槽内表面的挤压齿尺寸与径向加压工装卡爪的挤压齿尺寸相同；
b、对待焊导带环和钢壳体进行机械加工，其中先将待焊导带环毛坯加工成“凸型”结构环，然后对导带环、钢壳体待焊部位进行去铁锈、去毛刺、去油污等处理；
c、采用步骤a中加工出的带斜凹槽的径向加压工装夹持步骤b中处理后的导带环、步骤a中的旋转夹持工装夹持步骤b中处理后的钢壳体；然后将旋转夹持工装安装在径向摩擦焊机主轴上，带斜凹槽的径向加压工装安装在径向摩擦焊机的移动滑台上；
d、将具有一定转动惯量的飞轮安装在径向摩擦焊机主轴上，同时对径向摩擦焊机进行焊接参数设置，开启径向摩擦焊机，保压，完成对导带环和钢壳体的静加压径向摩擦焊接；
e、打开旋转夹持工装，移动滑台后退至指定位置后松开带斜凹槽的径向加压工装，取下焊接件。
2.根据权利要求1所述的一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：所述导带环可为纯铁导带环或铜导带环。
3.根据权利要求1所述的一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：所述步骤b中钢壳体直径为20mm～155mm。
4.根据权利要求1所述的一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：所述步骤b中“凸型”结构环最大外径为30mm～180mm，内孔直径为22mm～156mm；“凸型”结构环最大宽度为8mm～28mm，凸出部分宽度为4.8mm～20mm，凸出部分的厚度为2mm～7mm。
5.根据权利要求1所述的一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：所述步骤c中径向摩擦焊机可采用CJ-30惯性径向摩擦焊机。
6.根据权利要求1所述的一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：所述步骤d中旋转飞轮的转动惯量为0.3kg•m2～164kg•m2。
7.根据权利要求1所述的一种低硬度导带高效精密径向焊接方法，其特征在于：所述步骤d中径向摩擦焊机的摩擦转速为1200r/min～3400r/min，摩擦压力为3MPa～10MPa，顶锻转速为500r/min～1600r/min，顶锻压力为5MPa～18MPa。
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