CN113751857B - 一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，首先将第一焊件（10）待焊接面设置成锥形焊接头（11）的毛坯结构，将第二焊件（20）待焊接面由内向外设置成定位面（21）与变锥度面（22）复合的毛坯结构，且定位面（21）与锥形焊接头（11）相匹配，变锥度面（22）的锥度大于定位面（21）锥度；然后分别将第一焊件（10）固定夹持安装在摩擦焊机主轴上、将第二焊件（20）固定夹持安装在摩擦焊机移动滑台上，实现第一焊件（10）与第二焊件（20）的锥形摩擦焊接。该方法实现两个焊件的自动定位对中、确保焊后同轴度高，提高焊接精度；同时，实现锥形焊接界面热输入的均匀控制，提高焊缝的组织、性能均匀性与一致性，保证焊接质量。

Description

一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法

技术领域

本发明涉及固相焊技术领域，尤其涉及一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法。

背景技术

摩擦焊是在压力作用下，通过待焊界面的摩擦使界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低，塑性提高，界面的氧化膜破碎，伴随着材料产生变形与流动，通过界面上的扩散与再结晶实现连接的固态焊接方法，其具有焊接接头质量高、质量稳定性好、焊接效率高、成本低、节能环保等优点，已成为石油化工行业、机器制造业、汽车制造业、刀具制造业等行业重点研究的关键技术之一。

摩擦焊通常用于轴类、管类、轴/盘类、轴/板类、盘/盘类、管/环类等结构件焊接，主要为轴向摩擦焊接头和径向摩擦焊接头。为满足一些特殊结构件对于焊接性能与精度的要求，也可以将摩擦焊接头设计成锥形摩擦焊接头的形式，该焊接接头（即锥形焊接头）的焊接面积比单一对接焊接接头焊缝大、从而能够确保结构件的焊接强度。然而，针对于同种焊接材料的金属焊接，由于锥形摩擦焊接头界面上各处的外径不同，在相同摩擦转速条件下，靠近外侧焊接界面上外径大的部位的摩擦线速度大、摩擦热输入大，而在靠近内侧焊接界面上外径小的部位的摩擦线速度小、摩擦热小，加上焊接过程中焊件在轴向力作用下，内侧金属逐渐挤出并快速冷却，致使内侧焊接界面的热输入较小，因此，锥形摩擦焊接头界面存在很大的温度梯度，导致各部位单位面积上的焊接热输入极不均匀、进而造成整个摩擦焊接头的热影响区表现为外宽内窄，焊缝各部位的组织与性能差异较大，焊接质量差。

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锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，从而实现锥形摩擦焊接头焊接组织与性能均匀一致，确保锥形摩擦焊结构件高强高精度焊接。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先将第一焊件待焊接面设置成锥形焊接头的毛坯结构，将第二焊件待焊接面由内向外设置成定位面与变锥度面复合的毛坯结构，且所述定位面与所述锥形焊接头相匹配（即锥度相同），所述变锥度面的锥度大于所述定位面锥度；

b、根据第一焊件与第二焊件的毛坯结构尺寸，分别加工出夹持第一焊件、第二焊件的焊接夹持工装；

c、分别对第一焊件与第二焊件的毛坯结构进行机械加工，并对第一焊件与第二焊件的待焊部位进行去铁锈、去毛刺以及去油污处理；

d、将第一焊件的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的主轴上，将第二焊件的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台上，并采用焊接夹持工装分别对第一焊件与第二焊件进行预夹紧；

e、在摩擦焊机控制界面上进行焊接参数设置，开启摩擦焊机，完成第一焊件与第二焊件的摩擦、顶锻保压的摩擦焊接工序；

f、分别松开第一焊件与第二焊件的焊接夹持工装，取下焊接件，完成焊接。

作进一步优化，所述第一焊件的外径为φ30～100mm，所述第一焊件的待焊接面锥度为20°～70°。

作进一步优化，所述第二焊件的内径为φ10～40mm，所述定位面锥度为20°～70°且所述定位面的长度为5～10mm。

作进一步优化，所述变锥度面的锥度为21°～78°。

作进一步优化，所述变锥度面由至少一个锥度面组成。

优选的，多个所述锥度面由靠近所述定位面到远离锥度逐渐增加且呈线性增加。

作进一步优化，所述变锥度面的长度与所述定位面长度之和等于所述第一焊件锥形焊接头的长度。

作进一步优化，所述焊接夹持工装采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任一种材料制备得到。

作进一步优化，所述焊接夹持工装夹持第一焊件、第二焊件的宽度为80～150mm。

作进一步优化，所述焊接参数具体为：摩擦转速1100～2800r/min，摩擦压力2～12MPa，顶锻转速400～1300r/min，顶锻压力3～15MPa。

本发明具有如下技术效果：

本申请通过定位面与变锥度面的设计以及将焊接接头设计成与定位面相同锥度的锥形焊接头，焊前第一焊件与第二焊件在轴向力的作用下通过定位面紧密接触，从而实现自动定位对中、焊后同轴度高，有效提高了焊接精度；同时，通过定位面与变锥度面结合的焊接面的摩擦焊接方式，实现焊接过程中前端小外径锥面（即定位面先摩擦）、后在摩擦焊机轴向力作用下渐进摩擦大直径焊接面（即变锥度面），实现锥形焊接界面上热输入的均匀控制，从而显著提高锥形焊缝的组织与性能均匀性、一致性，保证焊接质量。

本申请实现了锥形焊接头的高强精密焊接，锥形摩擦焊接头强度系数≥0.94，强度均匀性小于5%，焊后焊件最大径向跳动≤0.45mm。

附图说明

图1为本发明实施例1与实施例2中的变锥度锥形摩擦焊接的结构示意图。

图2为本发明实施例3中的变锥度锥形摩擦焊接的结构示意图。

其中，10、第一焊件；11、锥形焊接头；20、第二焊件；21、定位面；22、变锥度面；221、第一锥度面；222、第二锥度面。

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：

针对直径φ30mm的45钢第一焊件10与直径φ60mm的45钢第二焊件20的摩擦焊接。一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先将第一焊件10待焊接面设置成锥形焊接头11的毛坯结构，将第二焊件20待焊接面由内向外设置成定位面21与变锥度面22复合的毛坯结构，且定位面21与锥形焊接头11相匹配（即锥度相同），变锥度面22的锥度大于定位面21锥度；具体尺寸为：第一焊件10长度200mm、外径C为φ30mm，锥形焊接头11锥度a为20°；第二焊件20长度200mm、外径为φ60mm、内径B为φ10mm（第一焊件10的锥形焊接头11的端面的直径也为φ10mm），定位面21锥度为20°、长度为8mm，变锥度面22采用单一锥度面、其锥度为21°；

b、根据第一焊件10与第二焊件20的毛坯结构尺寸，分别加工出夹持第一焊件10、第二焊件20的焊接夹持工装；焊接夹持工装采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任意一种材料加工成全包容圆形弹簧夹头、用于夹持，第一焊件10与第二焊件20的夹持宽度均为80mm；

c、分别对第一焊件10与第二焊件20的毛坯结构进行机械加工、获得焊接部位的精确尺寸，并对第一焊件10与第二焊件20的待焊部位进行去铁锈、去毛刺以及去油污处理；

d、将第一焊件10的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的主轴上，将第二焊件20的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台上，并采用焊接夹持工装分别对第一焊件10与第二焊件20进行预夹紧；

e、在摩擦焊机控制界面上进行焊接参数设置，设置摩擦转速为2800r/min、摩擦压力为2MPa，顶锻转速为1300r/min、顶锻压力为3MPa；开启摩擦焊机，焊接夹持工装分别夹紧第一焊件10和第二焊件20，在轴向压力作用下第一焊件10的锥面与第二焊件20的定位面21紧密接触，自动对中后并后退2mm，焊机主轴开始旋转升速至主轴转速2800r/min时，第一焊件10和第二焊件20在2MPa轴向摩擦力作用下、其锥面前端接触并相互摩擦，随着前端金属的软化并轴向推进，锥面后端的大直径部位的金属渐进摩擦生热，从而使整个锥面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至1300r/min顶锻转速时，在3MPa顶锻力作用下产生顶锻刹车，保压，完成直径φ30mm的45钢第一焊件10与直径φ60mm的45钢第二焊件20的锥形摩擦焊接；

f、分别松开第一焊件10与第二焊件20的焊接夹持工装，取下焊接件，完成焊接。

对直径φ30mm的45钢第一焊件10与直径φ60mm的45钢第二焊件20的锥形摩擦焊接接头各部位进行抗拉强度测试表明：锥形摩擦焊接头最小的强度系数0.96，强度误差小于3.7%；同轴度测试结构表明：焊后焊件最大径向跳动为0.41mm，从而实现了锥形摩擦焊接接头的高强精密轴向摩擦焊接。

实施例2：

针对直径φ100mm的45钢第一焊件10与直径φ140mm的45钢第二焊件20的摩擦焊接。一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先将第一焊件10待焊接面设置成锥形焊接头11的毛坯结构，将第二焊件20待焊接面由内向外设置成定位面21与变锥度面22复合的毛坯结构，且定位面21与锥形焊接头11相匹配（即锥度相同），变锥度面22的锥度大于定位面21锥度；具体尺寸为：第一焊件10长度200mm、外径C为φ100mm，锥形焊接头11锥度a为70°；第二焊件20长度200mm、外径为φ140mm、内径B为φ40mm（第一焊件10的锥形焊接头11的端面的直径也为φ40mm），定位面21锥度为70°、长度为10mm，变锥度面22采用单一锥度面、其锥度为78°；

b、根据第一焊件10与第二焊件20的毛坯结构尺寸，分别加工出夹持第一焊件10、第二焊件20的焊接夹持工装；焊接夹持工装采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任意一种材料加工成全包容圆形弹簧夹头、用于夹持，第一焊件10与第二焊件20的夹持宽度均为150mm；

c、分别对第一焊件10与第二焊件20的毛坯结构进行机械加工、获得焊接部位的精确尺寸，并对第一焊件10与第二焊件20的待焊部位进行去铁锈、去毛刺以及去油污处理；

d、将第一焊件10的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的主轴上，将第二焊件20的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台上，并采用焊接夹持工装分别对第一焊件10与第二焊件20进行预夹紧；

e、在摩擦焊机控制界面上进行焊接参数设置，设置摩擦转速为1100r/min、摩擦压力为12MPa，顶锻转速为400r/min、顶锻压力为15MPa；开启摩擦焊机，焊接夹持工装分别夹紧第一焊件10和第二焊件20，在轴向压力作用下第一焊件10的锥面与第二焊件20的定位面21紧密接触，自动对中后并后退2mm，焊机主轴开始旋转升速至主轴转速1100r/min时，第一焊件10和第二焊件20在12MPa轴向摩擦力作用下、其锥面前端接触并相互摩擦，随着前端金属的软化并轴向推进，锥面后端的大直径部位的金属渐进摩擦生热，从而使整个锥面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至400r/min顶锻转速时，在15MPa顶锻力作用下产生顶锻刹车，保压，完成直径φ100mm的45钢第一焊件10与直径φ140mm的45钢第二焊件20的锥形摩擦焊接；

f、分别松开第一焊件10与第二焊件20的焊接夹持工装，取下焊接件，完成焊接。

对直径φ100mm的45钢第一焊件10与直径φ140mm的45钢第二焊件20的锥形摩擦焊接接头各部位进行抗拉强度测试表明：锥形摩擦焊接头最小的强度系数0.94，强度误差小于4.8%；同轴度测试结构表明：焊后焊件最大径向跳动为0.45mm，从而实现了锥形摩擦焊接接头的高强精密轴向摩擦焊接。

实施例3：

针对直径φ80mm的45钢第一焊件10与直径φ120mm的45钢第二焊件20的摩擦焊接。一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先将第一焊件10待焊接面设置成锥形焊接头11的毛坯结构，将第二焊件20待焊接面由内向外设置成定位面21与变锥度面22复合的毛坯结构，且定位面21与锥形焊接头11相匹配（即锥度相同），变锥度面22的锥度大于定位面21锥度；具体尺寸为：第一焊件10长度200mm、外径C为φ80mm，锥形焊接头11锥度a为25°；第二焊件20长度200mm、外径为φ120mm、内径B为φ30mm（第一焊件10的锥形焊接头11的端面的直径也为φ30mm），定位面21锥度为25°、长度为8mm，变锥度面22采用两个锥度面（如图2所示）、包括第一锥度面221与第二锥度面222，第一锥度面221与定位面21连接、其锥度为27°、第二锥度面222的锥度为29°，第一锥度面221与第二锥度面222的长度一致；

b、根据第一焊件10与第二焊件20的毛坯结构尺寸，分别加工出夹持第一焊件10、第二焊件20的焊接夹持工装；焊接夹持工装采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任意一种材料加工成全包容圆形弹簧夹头、用于夹持，第一焊件10与第二焊件20的夹持宽度均为120mm；

c、分别对第一焊件10与第二焊件20的毛坯结构进行机械加工、获得焊接部位的精确尺寸，并对第一焊件10与第二焊件20的待焊部位进行去铁锈、去毛刺以及去油污处理；

d、将第一焊件10的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的主轴上，将第二焊件20的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台上，并采用焊接夹持工装分别对第一焊件10与第二焊件20进行预夹紧；

e、在摩擦焊机控制界面上进行焊接参数设置，设置摩擦转速为2000r/min、摩擦压力为8MPa，顶锻转速为1000r/min、顶锻压力为10MPa；开启摩擦焊机，焊接夹持工装分别夹紧第一焊件10和第二焊件20，在轴向压力作用下第一焊件10的锥面与第二焊件20的定位面21紧密接触，自动对中后并后退2mm，焊机主轴开始旋转升速至主轴转速2000r/min时，第一焊件10和第二焊件20在8MPa轴向摩擦力作用下、其锥面前端接触并相互摩擦，随着前端金属的软化并轴向推进，锥面后端的大直径部位的金属渐进摩擦生热，从而使整个锥面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至1000r/min顶锻转速时，在10MPa顶锻力作用下产生顶锻刹车，保压，完成直径φ80mm的45钢第一焊件10与直径φ120mm的45钢第二焊件20的锥形摩擦焊接；

f、分别松开第一焊件10与第二焊件20的焊接夹持工装，取下焊接件，完成焊接。

对直径φ80mm的45钢第一焊件10与直径φ110mm的45钢第二焊件20的锥形摩擦焊接接头各部位进行抗拉强度测试表明：锥形摩擦焊接头最小的强度系数0.95，强度误差小于4%；同轴度测试结构表明：焊后焊件最大径向跳动为0.4mm，从而实现了锥形摩擦焊接接头的高强精密轴向摩擦焊接。

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 (5)

1.一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、首先将第一焊件（10）待焊接面设置成锥形焊接头（11）的毛坯结构，将第二焊件（20）待焊接面由内向外设置成定位面（21）与变锥度面（22）复合的毛坯结构，且所述定位面（21）与所述锥形焊接头（11）相匹配，所述变锥度面（22）的锥度大于所述定位面（21）锥度；

b、根据第一焊件（10）与第二焊件（20）的毛坯结构尺寸，分别加工出夹持第一焊件（10）、第二焊件（20）的焊接夹持工装；

c、分别对第一焊件（10）与第二焊件（20）的毛坯结构进行机械加工，并对第一焊件（10）与第二焊件（20）的待焊部位进行去铁锈、去毛刺以及去油污处理；

d、将第一焊件（10）的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的主轴上，将第二焊件（20）的焊接夹持工装安装在摩擦焊机的移动滑台上，并采用焊接夹持工装分别对第一焊件（10）与第二焊件（20）进行预夹紧；

e、在摩擦焊机控制界面上进行焊接参数设置，开启摩擦焊机，完成第一焊件（10）与第二焊件（20）的摩擦、顶锻保压的摩擦焊接工序；

f、分别松开第一焊件（10）与第二焊件（20）的焊接夹持工装，取下焊接件，完成焊接；

所述第二焊件（20）的内径为φ10～40mm，所述定位面（21）锥度为20°～70°且所述定位面（21）的长度为5～10mm；

所述变锥度面（22）的锥度为21°～78°。

2.根据权利要求1所述的一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：所述第一焊件（10）的外径为φ30～100mm，所述第一焊件（10）的待焊接面锥度为20°～70°。

3.根据权利要求1所述的一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：所述变锥度面（22）的长度与所述定位面（21）长度之和等于所述第一焊件（10）锥形焊接头（11）的长度。

4.根据权利要求1所述的一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：所述焊接夹持工装采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任一种材料制备得到。

5.根据权利要求1所述的一种变锥度锥形摩擦焊结构的轴向焊接方法，其特征在于：所述焊接参数具体为：摩擦转速1100～2800r/min，摩擦压力2～12MPa，顶锻转速400～1300r/min，顶锻压力3～15MPa。

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