CN114713728A - 一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置 - Google Patents
一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其包括：液氮泵、密封管、薄壁管、薄壁法兰、凹模导向块、垫板、密封挡环、密封挡块、环形压块、冷却介质及不锈钢保温槽。本发明将薄壁管、密封管与薄壁法兰放置在垫板上，并在凹模导向块中定位；借助铝合金管材在液氮温度增强增塑的特性，利用不锈钢保温槽中填充的液氮，对定位的薄壁管、密封管、薄壁法兰及成形模具同时进行浸泡处理；利用液氮泵在超低温环境中对薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体局部进行超低温增压，将组合体重叠部位胀压到凹模导向块模腔中，形成凸形环连接；再通过环形压块将凸形环在超低温环境中沿轴向压紧，以实现铝合金薄壁管与薄壁法兰高效无缝连接。
Description
技术领域
本发明属于轻合金板管连接技术领域，具体涉及一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置。
背景技术
在铝合金薄壁管与薄壁法兰焊接件广泛应用在航空航天、石油化工、远洋运输等领域。此类结构通常在极端条件下服役，对其强度、密封及耐低温性能具有较高要求，而传统熔焊生产效率低，易焊透，焊缝存在易开裂，缺陷多、工艺不稳定等缺点。为解决上述难题，基于铝合金超低温下强度和塑性同时增加的特性，本发明提供了一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，该连接方法具有密封性能好、工艺稳定性高、接头强度高、方便快捷、适合大批量生产等优点。
铝合金薄壁管与薄壁法兰属于复杂结构连接，如何克服现有技术中，铝合金薄壁管与薄壁法兰难以高质量连接，焊接工艺不稳定、接头易开裂、生产效率低等难题，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明提出了一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，旨在解决现有技术存在的问题：铝合金薄壁管与薄壁法兰连接属于超薄复杂结构连接，传统熔焊工艺复杂；焊接接头易烧损、开裂，强度低，不适合批量化生产等。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于提出薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置。该装置组成主要包括液氮泵、密封管、薄壁管、薄壁法兰、凹模导向块、垫板、密封挡块、密封块、环形压块、冷却介质及不锈钢保温槽等。
成形之前将薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体放置在凹模导向块中定位；在不锈钢保温槽中填充液氮，使组合体及凹模导向块完全浸泡在液氮中，同时对组合体进行深冷处理；利用液氮泵加压使薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体在液氮温度下发生超低温胀压成形，组合体受压贴靠在凹模导向块模腔中，并形成一圈环形凸起；接着，利用环形压块将凸形环在超低温液氮环境中沿轴向压紧，使组合体凸起在薄壁法兰根部聚料，实现铝合金薄壁管与薄壁法兰之间的塑性连接，整个塑性连接过程可分三个阶段：薄壁管与薄壁法兰定位冷却阶段、组合体环形凸起形成阶段、超低温轴向压紧连接阶段，具体包括以下步骤：
第一步：将凹模导向块放置在不锈钢保温槽中定位；
第二步：将薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体放置在凹模导向块中定位并且对中；
第三步：在不锈钢保温槽中填充液氮保冷，使组合体和凹模导向块完全浸泡在液氮中；
第四步：利用液氮泵加压使薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体在液氮温度下发生超低温胀压成形，组合体受压贴靠在可分式凹模模腔中，并形成一圈环形凸起；
第五步：液氮泵卸压，并在薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体继续填充液氮，使薄壁管和薄壁法兰温度保持在超低温临界转变温度以下；
第六步：利用环形压块将凸形环在超低温液氮环境中沿轴向压紧，使组合体凸起在薄壁法兰根部聚料；
第七步：环形压块继续在超低温液氮环境沿轴向压紧，使组合体在法兰根部产生折叠，进而实现铝合金薄壁管与薄壁法兰之间的塑性密封连接；
第八步：连接完成后，环形压块上行，将薄壁管与薄壁法兰塑性连接体整体从不锈钢保温槽中移出。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：提出了一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，借助铝合金在液氮温度下变形强度和塑性同时提高的特性，将薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体放置在凹模导向块中定位；利用液氮对组合体和模具进行深冷处理；通过液氮泵对薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体进行内部加压，使其在液氮温度下发生超低温胀压成形，进而使组合体贴靠在凹模导向块腔中，并形成一圈凸形环；进一步，利用环形压块将在超低温液氮环境中沿轴向压紧，使组合体凸起在薄壁法兰根部聚料，以实现铝合金薄壁管与薄壁法兰塑性连接的过程。该方法解决了铝合金薄壁管和薄壁法兰的复杂结构连接难题；避免传统熔焊工艺不稳定、易焊透、接头易开裂、生产效率低等难题；同时，压紧密封体在法兰根部聚集，既增大法兰厚度，又通过法兰根部聚料增加其强度；不仅可连接同种材料，也可连接异种材料，应用范围比较广。
附图说明
为更清楚地说明本发明实施铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置的实施方案，以下将结合附图对本发明做进一步详细说明：
图1为实施例一中形成环形凸起示意图；
图2为实施例一中环形凸起沿轴向压紧示意图；
图3为实施例二中初始薄壁管、密封管与薄壁法兰示意图；
图4为实施例二中薄壁管与薄壁法兰定位冷却阶段示意图；
图5为实施例二中组合体环形凸起形成阶段示意图；
图6为实施例二中超低温轴向压紧连接阶段示意图；
图7为实施例二中薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接件示意图。
主要附图标记：1 液氮罐；2 液氮泵；3 单向阀；4 不锈钢保温槽；5 液氮；6 凹模导向块；7 密封挡块；8 密封螺钉；9 密封块；10 薄壁管；11 环形压块；12 垫板；13 密封管；14 增压液氮；15 薄壁法兰；16 凹模。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点做更详细地说明。
实施例一
如图1和2所示，本发明提出了一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置。该方法利用铝合金管在液氮温度下变形强度和塑性同时提高的特性，将薄壁管10、密封管13与薄壁法兰15的组合体放置在凹模导向块6中定位；超低温液氮环境下利用液氮泵2对组合体进行内部加压，使其发生超低温胀压成形而贴靠在凹模导向块6腔中；利用环形压块11在超低温液氮环境中将环形凸起沿轴向压紧，使组合体凸起在薄壁法兰15根部聚料，以实现铝合金薄壁管10与薄壁法兰15塑性连接的过程。
该方法不仅解决了铝合金薄壁管和薄壁法兰等复杂薄壁结构连接难题；而且避免传统薄壁管采用熔焊工艺，焊接性能不稳定、易焊透、接头易开裂、生产效率低等难题；同时，压紧密封体在法兰根部聚集，在增大法兰厚度的同时，又通过法兰根部聚料增加其强度。
该塑性连接装置基本组成主要包括：液氮罐1、液氮泵2、不锈钢保温槽4、液氮5、凹模导向块6、密封挡块7、密封螺钉8、密封块9、薄壁管10、环形压块11、垫板12、密封管13、增压液氮14、薄壁法兰15及导向凹模16等，主要工作步骤如下：
第一步：将薄壁管10、密封管13与薄壁法兰15的组合体放置在凹模导向块6中定位并对中；
第二步：在不锈钢保温槽4中填充液氮5保冷，使组合体10、13和15及凹模导向块6完全浸泡在液氮5中；
第三步：利用液氮泵 2加压使薄壁管10、密封管13与薄壁法兰15的组合体在液氮温度下发生超低温胀压成形，组合体10、13和15受压贴靠在凹模导向块6的模腔中，并形成一圈环形凸起；
第四步：液氮泵2卸压，并在薄壁管10、密封管13与薄壁法兰15的组合体继续填充液氮5，使薄壁管10和薄壁法兰15温度保持在超低温临界转变温度以下；
第五步：利用环形压块11将凸形环组合体在超低温液氮环境中沿轴向压紧，使组合体凸起在薄壁法兰15根部聚料，并在环形压块11外侧设有导向凹模16；
第六步：环形压块11继续在超低温液氮环境沿轴向压紧，使组合体在法兰根部产生折叠，进而实现铝合金薄壁管10与薄壁法兰15之间的塑性密封连接；
第七步：连接完成后，环形压块11上行，将薄壁管10与薄壁法兰15塑性连接体整体从不锈钢保温槽4中移出。
实施例2
铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接实施过程参见图3、图4、图5和图6，连接结果如图7所示。
以AA6061铝合金薄壁管与铝合金薄壁法兰超低温塑性连接为例，如图3所示，其中铝合金薄壁管的厚度为1.2mm，薄壁法兰厚度为1.2mm，密封管厚度为0.8mm。
薄壁管与薄壁法兰定位冷却阶段，如图4所示。
组合体环形凸起形成阶段，如图5所示。
超低温轴向压紧连接阶段，如图6所示。
借助AA6061铝合金液氮温度下变形强度和塑性同时增加的特性，将薄壁管10、密封管13与薄壁法兰15的组合体放置在凹模导向块6中定位；利用液氮泵2对组合体进行内部加压，使其发生超低温胀压成形而贴靠在凹模导向块6中；利用环形压块11和导向凹模16在超低温液氮5和增压液氮14的环境中将环形凸起沿轴向压紧，使组合体10、13和15凸起在薄壁法兰根部聚料，以实现如图7所示的铝合金薄壁管10与薄壁法兰15塑性连接的过程。
综上，本发明实施例提供了一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置。利用液氮泵对铝合金薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体进行内部加压，超低温液氮环境下，使其发生超低温胀压成形而贴靠在凹模导向块腔中；利用环形压块在超低温液氮环境中将环形凸起沿轴向压紧，以实现铝合金薄壁管与薄壁法兰塑性连接的过程。该方法不仅解决了铝合金薄壁管和薄壁法兰等复杂薄壁结构连接难题；而且避免传统薄壁管采用熔焊工艺，焊接性能不稳定、易焊透、接头易开裂、生产效率低等难题；不仅可连接同种材料，也可连接异种材料。同时，压紧密封体在法兰根部聚集，在增大法兰厚度的同时，又提高法兰根部强度，对法兰苛刻环境下服役强度的提高具有重要意义。
以上所述仅是本发明优选实施方式，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换而这些修改和替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于：将薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体放置在凹模导向块中定位；在不锈钢保温槽中填充液氮，同时对定位的组合体及凹模导向块进行浸泡式深冷处理；利用液氮泵在液氮温度下对薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体下部进行超低温胀压成形，将组合体胀压到凹模导向块腔中，形成凸形环连接；再通过环形压块将凸形环在超低温环境中沿轴向压紧，以实现铝合金薄壁管与薄壁法兰的高密封连接，具体包括以下步骤：
第一步：将薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体放置在凹模导向块中定位；
第二步：在不锈钢保温槽和薄壁管内部充填液氮，使其变形部位和模具完全浸泡在液氮中；
第三步：在薄壁管内设置密封块和密封挡环，在其内部形成一个封闭空间；
第四步：利用液氮泵在薄壁管密封空间内部注入液氮加压，使组合体在超低温介质作用下发生大塑性变形；
第五步：液氮压力作用下，组合体贴靠凹模导向块模腔，并形成一圈环形凸起；
第六步：关闭液氮泵，将组合体管内卸荷到常压；
第七步：组合体放置在不锈钢保温槽中，并通过压紧导向模具定位；
第八步：利用液氮对压紧导向模具和组合体形成的凸起进行冷却；
第九步：液氮泵继续加压，在薄壁管内部形成超低温压力支撑；
第十步：在挡板的作用下，利用环形压块将凹模导向块形成的凸起沿轴向压紧，在法兰根部形成压紧密封；
第十一步：液氮泵卸压，将薄壁管和薄壁法兰的塑性连接体从不锈钢液氮槽中移出。
2.根据权利要求1所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述超低温塑性连接装置主要包括：液氮泵、密封管、薄壁管、薄壁法兰、凹模导向块、挡板、垫板、密封挡环、密封块、环形压块、冷却介质及不锈钢保温槽等。
3.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，借助铝合金超低温变形增强增塑的特性，在液氮环境下使管坯径向和轴向同时发生大塑性变形，既增加材料的硬化能力，又避免管坯塑性连接处的局部开裂。
4.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述设计了超低温介质压力胀接模具，并对薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体进行模内定位。
5.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述利用液氮泵在超低温环境中对薄壁管、密封管与薄壁法兰的组合体局部进行超低温介质增压处理，形成稳定支撑。
6.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述将组合体重叠部位利用超低温介质载荷胀压到凹模导向块腔中，形成凸形环胀接。
7.据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述在薄壁管与薄壁法兰之间增加了一层密封管，在增加密封效果的同时，防止薄壁管与薄壁法兰之间形成刚性接触。
8.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述利用环形压块将凸形环组合体在超低温环境中沿轴向压紧连接。
9.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，压紧密封体在法兰根部聚集，既增大法兰厚度，又通过法兰根部聚料增加其强度。
10.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，该方法和装置不仅可连接超低温下塑性好的同种材料，也可连接异种材料。
11.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述密封管位于薄壁管与薄壁法兰中间，其形式可以为单层密封、也可以多层密封。
12.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述密封管为带材圈卷而成。
13.根据权利要求1和2所述一种铝合金薄壁管与薄壁法兰超低温塑性连接方法与装置，其特征在于，所述密封管的材质为聚四氟乙烯带材。
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