CN1167532C

CN1167532C - 一种感应摩擦焊接方法

Info

Publication number: CN1167532C
Application number: CNB011350148A
Authority: CN
Inventors: 齐铂金; 吴红杰
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: CN1365870A

Abstract

本发明为一种感应摩擦焊接方法，其特征在于利用感应线圈加热焊接界面，加热到一定的温度后，使两焊接构件作相对摩擦运动，清除阻碍焊接的氧化皮等杂质，再对焊件用力轴向顶压，从而形成焊接接头，达到固相连接。利用本方法焊接效率高，焊接范围广，具有传统摩擦焊方法和感应钎焊等方法无法相比的优点，是焊接技术的一个突破，具有广泛的发展前途。

Description

一种感应摩擦焊接方法

技术领域

本发明属于焊接方法，是一种感应摩擦焊接方法的发明创造。

背景技术

感应钎焊和摩擦焊是目前最重要的两种固相连接方法。摩擦焊的发展和应用已有30多年的历史。基本方法是一个构件在压力下去摩擦另一个构件而产生热量，一旦产生足够的热量后，摩擦运动就终止，但压力可以保持或增大一段时间以促进焊接完成。

根据工件相对摩擦运动的轨迹，可将摩擦焊分为：

1.旋转式的摩擦焊，这是最普通的摩擦焊。它是以一工件的中心线为轴，相对于另一工件作高速旋转运动。然后对另一工件施加轴向压力，开始摩擦生热，待加热到焊接温度时，立即停止工件转动，同时施加更大的轴向压力进行焊接。这种焊接方法主要用于那些接头部为圆形断面的工件。

旋转式摩擦焊根据机械能输入工件方式的不同又分为连续驱动摩擦焊、惯性摩擦焊和弧形摩擦焊。

2.轨道式摩擦焊。在焊接时，使工件焊接界面上的每一个点，都在焊接界面平面上相对于另一工件的焊接界面作同样轨迹的运动，运动轨迹可以是环形的或往复直线的。这种摩擦焊仅用于焊接非圆形断面的工件。

3.搅拌摩擦焊，利用一种特殊结构形式的搅拌头插入工件的待焊部位，通过搅拌头与工件之间的搅拌摩擦产生热，这种摩擦热使该金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力下从其前端向后部塑性变形移动，从而使待焊件压焊为一个整体。

此外，还有其它类型的摩擦焊，如耗材摩擦焊等。其基本原理均为通过摩擦生热，从而实现焊接。

摩擦焊虽然是当今焊接领域主要技术方法之一，是最活跃的研究热点，但这种摩擦焊方法需要大功率机械装置用于摩擦生热，机械装置复杂，设备昂贵，只适用于某些特定的零件加工和生产，一般不适合于现场安装焊接。由于该方法受到摩擦焊机主轴电动机功率和施加压力的限制，目前用此方法焊接的最大的截面只有200cm²。对盘状工件和薄壁管件也很难焊接。

发明内容

为克服传统摩擦焊的不足，并充分利用感应加热速度快和效率高的特点，提出了一种感应摩擦焊接方法。

本发明的一种感应摩擦焊接方法，在需要焊接的两构件焊接界面处采用感应加热使其受热，同时用两构件间的相对摩擦运动使界面清洁，在轴向压力作用下，使界面紧密结合，达到固相连接。该方法依据焊接件的大小和材质不同调节感应加热功率、加热时间、摩擦转速、摩擦时间、摩擦压力、顶锻压力进行焊接，就钢而言，其感应加热功率为3～500Kw、加热时间2～50秒、摩擦转速500～5000r/min、摩擦时间2～15s、摩擦压力5～100Mp、顶锻压力30～500Mp。

所述的感应摩擦焊接方法，其感应加热线圈的内径大于焊接界面外径10～30mm，径向缠绕长度10～200mm。

所述的感应摩擦焊接方法，其构件的相对运动可以有多种类型，如旋转运动、移动加转动、往复直线运动等。

本发明与现有技术相比具有以下特点：(1)与熔焊技术相比，避免了如凝固裂纹、气孔、氧化等缺陷，热影响区小。焊接效率高，焊接质量好，工作现场没有弧光干扰。(2)与感应钎焊相比，本发明不需要钎料、钎剂为中间结合体，直接使母材与母材达到原子间结合，这样的结合强度高。(3)与传统摩擦焊相比，主轴电动机功率可以大大减小，可焊截面积将大大提高。(4)本发明使用的感应加热线圈既可以是刚性的也可以是柔性的，因此，可以对复杂截面的构件进行加热。(5)用本发明可制成可移动式设备，实现现场焊接、水下焊接等。(6)本发明因采用感应加热，可控制热量的大小和分布，这对焊接异种金属材料，更容易获得满意的效果。(7)本发明采用的感应加热法不仅可以作为焊接过程的主要热源，还可以作为焊前予热，焊后热处理的热源。

附图说明

图1是两管状构件旋转式感应摩擦焊接方法示意图。

图2为一种可移动旋转式感应摩擦焊接方法示意图。

图3是双感应线圈加热，中间构件旋转的感应摩擦焊方法示意图。

图4是一种线性感应摩擦焊接方法示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种感应摩擦焊接方法，在需要焊接的两构件焊接界面处采用感应加热使其受热，同时用两构件间的相对摩擦运动使界面清洁，在轴向压力作用下，使界面紧密结合，达到固相连接。该方法依据焊接件的大小和材质不同调节感应加热功率、加热时间、摩擦转速、摩擦时间、摩擦压力、顶锻压力进行焊接。

在本发明中，感应摩擦焊接系统主要包括主轴系统、加压系统、机身、卡盘、控制系统、感应加热系统、辅助装置等。

(1)主轴系统主要由主轴箱、主轴电机、连轴器、传动皮带等组成。作用是使工件旋转运动，同时还要承受较大的轴向压力。(2)加压系统由加压机构和受力机构组成。根据工件大小及结构形式，可以采用不同的加压方式，如机械加压、气压、液压、气液联合加压等，对于顶锻压力大于50Mp的场合，宜采用液压方式加压，液压机构由油缸、活塞、油管、液压泵、阀门、控制器等组成；受力机构用来平衡摩擦压力、顶锻压力和摩擦扭矩，防止焊机变形，保持主轴系统和加压系统的同心度，主要由导轨、拉杆等组成。(3)机身是焊机的底座，感应摩擦焊机的主轴箱、导轨、拉杆、一部分加压机构都装在机身上。(4)卡盘一般是自定心的弹簧卡盘、三爪卡盘或液压虎钳，用于夹持工件，因此应能承受摩擦压力、顶锻压力、和摩擦扭矩的综合作用。(5)控制系统由可编程逻辑控制器、单片微处理器和执行机构组成，并配合相应的软件，实现程序控制和工艺参数控制。程序控制要完成上料、夹紧工件、感应加热、摩擦、顶锻焊接、退出工件的顺序动作和连锁保护。工艺参数控制使焊接过程按预定的工艺参数进行，这些工艺参数主要有：感应加热电流和电压、焊接界面加热温度、摩擦转速、摩擦压力、顶锻压力等。(6)感应加热系统，包括感应加热电源和感应线圈。(7)辅助装置包括自动送料、卸料、自动切除飞边装置等。

在感应摩擦焊接中根据焊接工件大小和材质不同，其工艺参数不同，就钢而言，(1)感应加热功率为3～500Kw，感应加热功率越大，加热速度越快，可焊接的焊接界面越大；(2)感应加热时间为2～50秒，感应加热时间主要影响加热温度和加热范围；(3)摩擦转速为500～5000r/min，由于感应摩擦焊的主要热源来自于感应加热，摩擦运动主要为清除杂质，工件直径越大，转速越慢；(4)摩擦时间一般为2～15s，在此时间内可彻底清楚焊接界面的杂质；(5)摩擦压力为5～100Mp，摩擦压力太小不利于清除杂质，太大则相应的扭矩增大，所需主轴的功率增大；(6)顶锻压力的范围通常在30～500Mp以内，要能挤碎和挤出变形层中氧化了的金属和其他有害杂质，并使接头金属得到锻造，结合紧密。

在感应摩擦焊接的焊接过程为：焊接时首先将工件装卡在焊机上，焊接界面轻轻接触在一起，将感应加热线圈缠绕在焊接界面处，感应线圈的内径大于焊接界面的外径10～30mm，感应线圈一般采用单层，也可以采用两层或多层，感应线圈径向缠绕长度约为10～200mm，横跨在焊接界面两侧；然后主控制箱启动感应加热电源，在感应加热线圈中通以5kHz～50kHz交变电流，当工件达到预定的加热温度时(约为工件塑性变形的温度)，主轴箱旋转带动工件旋转，同时施加一定的轴向压力，使待焊件的焊接界面相互摩擦，摩擦时间为2～15s，待焊接界面处的杂质清楚完毕后，增大轴向压力至顶锻压力，同时停止主轴电机的驱动，工件在摩擦力的作用下停止转动，最后保持压力3～10s。整个焊接过程根据工件的大小和材质的不同可持续8至50秒不等。

图1是两管状构件旋转式感应摩擦焊接方法示意图。要焊接的两管状构件1、2，其端面3、4为被焊接界面。在焊接接头处缠绕感应线圈5，线圈为柔性高频感应圈，并通水冷却，缠绕层数为单层或多层，匝数为5～20匝，线圈内径比工件外径大10～30mm。焊接时，在感应线圈5中通以交变电流，当焊接界面达到预定的温度时，管子1、2在主轴箱的驱动下作相对摩擦旋转运动，摩擦运动清除焊接界面上的杂质如氧化皮等，最后焊接界面3、4通过液压或气压方式(图中未示出)，在轴向压力的作用下，形成固相焊接接头。

感应摩擦焊接的工艺参数是根据工件的大小、材质、金属的熔点、导热系数、冶金性能的变化等制定的。对于典型的钢制零件如石油钻杆管体的焊接，构件1、2的材质是42MnMo7。直径为80至140mm左右，可以采用如下的工艺参数：

感应加热功率：20～100kw 感应加热时间：20～40s

摩擦主轴转速：500～1000r/min 摩擦时间：3～8s

摩擦压力：5～40Mp 顶锻压力：50～130Mp

构件1、2可以是两种不同的金属材料。如构件1为耐热合金，构件2为低合金钢时，可以采用强规范下的感应摩擦焊，即较短的加热时间，配合较大的加热功率，对直径为16mm左右的构件，具体焊接参数为：感应加热功率：50～200kw。感应加热时间：2～10s；摩擦主轴转速：800～2000r/min；摩擦时间：3～8s；摩擦压力：5～40Mp；顶锻压力：50～130Mp。

构件1、2可以同时旋转，也可以其中一个作旋转运动，而另一个不旋转。

图2为一种可移动旋转式感应摩擦焊接方法示意图。这种焊接方法适合于至少有一个构件是小型构件的情况，这个小型构件的直径一般应小于30mm，以便于装卡在一种小型的可以移动的旋转机构上。而另一个构件，如图2中的构件2可以是一个体积、重量较大的构件，也可以是一个小型非圆截面的构件，但它可以被装卡固定在一个物体上，构件1不动，小型构件2是被夹持在一个可移动的旋转机构(图中未画出)上，随旋转机构的旋转而旋转。构件1和构件2相接触的端部装有感应线圈5，当交变电流通过感应线圈并在焊接界面3处产生感应热，构件1的旋转也辅助产生热，同时除去焊接界面3的杂质，在构件1的另一端部施加压力，从而形成良好的固相接头。这种方法也可以用于现场安装焊接。由于构件直径较小，当构件1和2均为碳钢时，感应加热功率为3～20kw，感应加热时间：5～15s，摩擦主轴转速：1000～5000r/min，摩擦时间：3～8s，摩擦压力：5～20Mp，顶锻压力：10～80Mp。

对构件2为碳钢，1为不锈钢(1Cr18Ni9Ti)时，由于不锈钢的磁导率小，感应加热功率要增大到10～100Kw，感应时间3～10s，摩擦主轴转速：1000～5000r/min；摩擦时间：3～8s；摩擦压力：10～50Mp；顶锻压力：50～130Mp。

图3是另一种感应摩擦焊方法示意图，是用双感应线圈加热，中间构件旋转的方式，这种形式特别适合大型构件，如输油管线、长的筒体型构件等，构件材质一般为低合金结构钢。图中构件1、2为两个长的固定不动的管状构件，6为中间连接件。中间连接件6装卡在旋转机构7上，中间连接件6的左端部和右端部分别装有感应加热线圈5和5’。焊接时，在感应线圈5和5’中通以交变电流，中间构件6作旋转运动，构件1、2固定不动。焊接界面3、4及3’、4’在感应加热和摩擦热的复合作用下，并依靠摩擦运动清除各焊接界面上的杂质。此时施加轴向压力，使焊接界面形成焊接接头。这种方法适合直径在150mm以上、焊接界面在100cm²以上的构件，感应加热电源的功率100～500Kw，感应加热时间：10～50s，摩擦主轴转速：300～500r/min，摩擦时间：3～8s，摩擦压力：20～80Mp，顶锻压力：80～300Mp。

图4是一种线性感应摩擦焊的施焊方法，构件1、2可以是圆截面构件，也可以是非圆截面构件。感应线圈5中通以交变电流，相对运动形式为往复直线运动式的，也可以是环形平动形式。相对运动由机械振动机构或磁致伸缩机构(图中未示出)产生，振动频率为1～10kHz，振动幅度0.5～1.5mm，对界面为300mm²的钢质构件，采用感应加热功率为30～100Kw，感应加热时间：8～20s，摩擦时间：3～8s，摩擦压力：10～50Mp，顶锻压力：30～100Mp的工艺参数，可以实现成功的焊接。

本发明焊接效率高，容易实现自动化焊接，焊接质量容易保证，降低了主轴电机的功率，焊接设备的体积和重量较传统的摩擦焊机可大大减小；传统摩擦焊最大焊接界面为200cm²，本发明的感应摩擦焊方法可以焊接更大界面的构件，而且加热时间短、焊接质量好；此外，也可用于非圆形界面构件，因此，本发明具有广泛的应用前途。

Claims

1、一种感应摩擦焊接方法，是在需要焊接的两构件焊接界面处采用感应加热使其受热，同时用两构件间的相对摩擦运动使界面清洁，在轴向压力作用下，使界面紧密结合，达到固相连接，其特征在于：该方法依据焊接件的大小和材质不同调节感应加热功率、加热时间、摩擦转速、摩擦时间、摩擦压力、顶锻压力进行焊接，就钢而言，其感应加热功率为3～500Kw、加热时间2～50秒、摩擦转速500～5000r/min、摩擦时间2～15s、摩擦压力5～100Mp、顶锻压力30～500Mp。

2、根据权利要求书1所述的感应摩擦焊接方法，其特征在于：感应加热线圈的内径大于焊接界面外径10～30mm，径向缠绕长度10～200mm。

3、根据权利要求书1所述的感应摩擦焊接方法，其特征在于：构件的相对运动可以是旋转运动。

4、根据权利要求书1所述的感应摩擦焊接方法，其特征在于：构件的相对运动可以是移动加转动。

5、根据权利要求书1所述的感应摩擦焊接方法，其特征在于：构件的相对运动可以是往复直线运动。