CN104999173B - 一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法 - Google Patents

一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法，该封焊装置包括用于支撑薄壁铝合金管和铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒的一端通过安装在旋转夹具上的中空的卡盘固定，铝合金棒穿过卡盘的一端安装有顶尖，铝合金棒另一端为直径小于铝合金棒的轴身，轴身与铝合金棒形成轴肩，轴身***到薄壁铝合金管中，轴身与薄壁铝合金管为过盈配合，在薄壁铝合金管上方安装有搅拌头，通过H型焊缝实现薄壁铝合金管端的封焊。本发明提供一种薄壁铝合金管端封焊装置，采用H型焊缝一次性完成焊接，保证了焊件的外观精准度的同时又保证焊接的质量及铝合金管的气密性。

Description

一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法，属于金属材料加工领域。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The WeldingInstitute)于1991年发明的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。搅拌摩擦焊技术已经在航空、航天、船舶、列车、电力和重型兵器等方面得到成功应用，然而当前在薄壁铝合金管的焊接方面仍然存在一些问题。
当管壁趋小时，焊接难度变大。专利(201410729971.X)提出了采用钨极惰性气体保护焊，解决小口径薄壁铝合金管材的连接问题；专利(201010524846.7)提出一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，对小直径管嘴与铝合金薄壁结构结合处进行焊接，同样也是采用弧焊方法进行焊接。实际上，采用弧焊方法进行焊接(如交流钨极氩弧焊)对铝合金进行焊接时，极易导致裂纹和气孔，尤其在薄壁管件焊接时，焊接变形更为严重，废品率甚至达到70％。为了改进焊接质量，专利(201310096100.4)提出了一种热泵用小口径超薄壁高频焊接铝合金管的生产方法，但焊接电流较高，达到230～235A，同时高频焊接的电效率低(约为50％左右)，工作电压电流太高，安全性差。郑英等人(专利号：201510118191.6、201510118211.X)提出了一种铝合金超大直径薄壁耐压管的生产方法，通过搅拌摩擦焊接的方法进行纵向焊缝焊接。但没有涉及铝合金管的端面封焊技术。李辉等人(出自：AWJT2005，October20-23，Dalian，China，A42-A47)提出了一种薄壁铝合金筒体焊缝的搅拌摩擦焊接方法，但在焊接过程中，需要采用内部涨紧的装备保证焊件不变形，同时还需要从两边顶紧端盖，且所提出的方法适用于铝合金筒体端面具有开口的情况，即当端面要求彻底封闭时，所提出的方法将无法完成任务。
可见，当薄壁铝合金管(壁厚小于1mm)需要端面封闭焊接时，面临着焊接难题，体现在：1、壁厚较薄导致刚度和抗扭性能较差，难以直接夹持转动焊接；2、铝合金端面封闭的要求，导致内部涨紧装置难以放入薄壁管件内部，从而由于缺乏内部支撑导致搅拌摩擦焊接失败。因此提出一种有效的薄壁铝合金管端封焊方法和装置具有重要的现实意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法，采用H型焊缝一次性完成焊接，保证了焊接的精准度的同时又保证焊接的质量及铝合金管的气密性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种薄壁铝合金管端封焊装置，包括用于支撑薄壁铝合金管和铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒的一端通过安装在旋转夹具上的中空的卡盘固定，铝合金棒穿过卡盘的一端安装有顶尖，铝合金棒另一端为直径小于铝合金棒的轴身，轴身与铝合金棒形成轴肩，轴身***到薄壁铝合金管中，轴身与薄壁铝合金管为过盈配合，在薄壁铝合金管上方安装有搅拌头，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管上形成H型焊缝。
作为优选，所述轴身与薄壁铝合金管的过盈量为δ，δ＝(t-t0)×α×l-δ0，其中，δ0＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管的温度，t0为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l--被加热孔的内径。
作为优选，所述轴身的长度不小于搅拌头直径的3.5倍，搅拌针长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管壁厚。
作为优选，所述H型焊缝包括第一道环焊缝和第二道环焊缝，第一道环焊缝完成了铝合金管与轴肩的搭接焊，第二道环焊缝完成铝合金管与铝合金棒的对接焊。
一种上述的薄壁铝合金管端封焊装置的焊接方法，包括以下步骤：
(1)根据实际需要，利用δ＝(t-t0)×α×l-δ0确定过盈量δ和轴身的直径，选取合适的轴身长度，加工符合要求的铝合金棒，根据薄壁铝合金管壁厚选择合适的搅拌针长度；
(2)将薄壁铝合金管加热至100℃，然后迅速装配薄壁铝合金管和铝合金棒并快速冷却后风干；
(3)将装配好的工件穿过旋转夹具并用卡盘固定，其余部分则安装在滚轮架组上随旋转夹具运转，调整搅拌头使其垂直向下对准薄壁铝合金管及铝合金棒的中轴线，并且搅拌头中心距离轴身边缘的距离要大于等于D，其中D为搅拌头的直径，搅拌针位于轴身端部的正上方；
(4)先启动搅拌头，并使其缓缓的压入被焊区域进行预热，预热结束后开始旋转卡盘，当卡盘旋转一周后搭接环焊缝的焊接完成，此时停止卡盘的旋转，搅拌针继续保持高速转动并且沿铝合金棒轴线向铝合金棒一侧水平焊接一段距离，直到铝合金管与铝合金棒对接处停止移动，准备开始对接环焊缝的焊接；
(5)再次缓慢转动卡盘且旋转方向与之前一致，当卡盘旋转一周后对接环焊缝的焊接完成，此时停止卡盘的旋转，搅拌头继续保持高速转动并且向铝合金棒一侧水平移动一小段距离后，缓缓提升搅拌头，直到搅拌针完全脱离焊缝后再停止搅拌头的旋转，该侧管端焊接结束；
(6)按照步骤(1)和(2)，加工相同的轴身，装配好薄壁铝合金管和铝合金棒；
(7)再一次将装配好的薄壁铝合金管和铝合金棒重复步骤(3)至(5)，即可完成薄壁铝合金管两端的封焊。
作为优选，所述步骤(4)或步骤(5)中搅拌头和铝合金棒沿着X轴正向观察卡盘的旋转方向，同时沿Z轴负向观察搅拌头的旋转方向，若卡盘逆时针方向旋转，则搅拌针须顺时针方向旋转或若从左视图的角度观察卡盘顺时针方向旋转，则从俯视图的角度观察搅拌针须逆时针方向旋转，其中，X轴为铝合金棒的轴线，远离薄壁铝合金管为正向，Z轴为搅拌针的轴线，远离铝合金棒为正向。
本发明中，薄壁铝合金管没有采用夹持或支撑装置，仅仅与铝合金棒过盈配合，保证初始焊接时，一方面，铝合金管与铝合金棒之间能够紧密贴合；另一方面，通过过盈配合阻止两者之间轴向相对移动；正常焊接时，已完成的焊缝会逐步加强铝合金管与铝合金棒之间的连接强度。该过盈配合的选择与机械中常用的方法相比，不需要较大的过盈量，搅拌针***搭接焊缝内部，搅拌针本身就起着“钉扎”作用，不需要太强的力量来阻止两者的轴向相对移动，此外焊接过程中过盈配合处处于高温(500℃左右)，过大的过盈量会造成铝合金管上很强的拉应力，不利于焊缝成形。而选择常规铝合金材料的过盈量时，由于在100℃的温度下，铝合金较之钢而言，是比较软的，因此，需要有较大的过盈量。
有益效果：本发明的薄壁铝合金管端封焊装置及焊接方法，具有以下优点：
(1)能够有效完成薄壁管端的焊接任务，尤其适用于管端密封的特殊要求；
(2)不使用内部涨紧装置、不对薄壁铝合金管两端顶紧进行固定，利用对薄壁铝合金管加热使得薄壁铝合金管膨胀，将铝合金棒***到薄壁铝合金管中，克服了薄壁管件刚度低、抗扭性能差的缺点，在其他材料薄壁管件的焊接中具有通用性；
(3)采用H型焊缝一次性完成焊接，保证了焊接的精准度的同时又保证焊接的质量及铝合金管的气密性；
(4)结构简单、实用性强，该方法和装置容易实现且装配方便，这对实现薄壁铝合金管端封焊的应用具有重要现实意义。
附图说明
图1为薄壁铝合金管端封焊装置整体示意图；
图2为H型焊缝主视图；
图3为H型焊缝A-A截面示意图；
图4为焊接接头剖面结构示意图；
图5为前进侧与后退侧位置示意图；
图6为被焊工件与搅拌针的旋转方向配合示意图。
图1中，1-铝合金管；2-搅拌针；3-搅拌头；4-H型焊缝；5-铝合金棒；6-卡盘；7-滚轮架组；8-旋转夹具；9-顶尖；10轴身；4-2H型焊缝中由第一道环焊缝到第二道环焊缝的过渡焊缝；4-1为H型焊缝中第一道环焊缝；4-3为H型焊缝中第二道环焊缝。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明的一种薄壁铝合金管端封焊装置，包括用于支撑薄壁铝合金管1和铝合金棒5的滚轮架组7，所述铝合金棒5的一端通过安装在旋转夹具8上的中空的卡盘6固定，铝合金棒5穿过卡盘6的一端安装有顶尖9，铝合金棒5另一端为直径小于铝合金棒5的轴身10，轴身10与铝合金棒形成轴肩，轴身10***到薄壁铝合金管1中，轴身10与薄壁铝合金管1为过盈配合，在薄壁铝合金管1上方安装有搅拌头3，搅拌针2与搅拌头3为一体，在薄壁铝合金管1上形成H型焊缝4。
在本发明中，所述轴身10与薄壁铝合金管1的过盈量为δ，δ＝(t-t0)×α×l-δ0，其中，δ0＝(1～2)*δ，t为装配时的温度，t0为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l--被加热孔的内径。所述轴身10的长度不小于搅拌头3直径的3.5倍，搅拌针2长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管1壁厚。所述H型焊缝4的第一道环焊缝4-1完成了铝合金管1与轴肩的搭接焊，H型焊缝4的第二道环焊缝4-3完成铝合金管1与铝合金棒的对接焊，H型焊缝中第一道环焊缝4-1到第二道环焊缝4-3为过渡焊缝4-2。
其中，搅拌头3上的搅拌针2是刚性固定连接的，搅拌头3的旋转动作、X轴、Y轴、Z轴调整功能均可采用市面上的搅拌摩擦焊机实现，其中，X轴为铝合金棒的轴线，远离薄壁铝合金管为正向，Z轴为搅拌针的轴线，远离铝合金棒为正向。所述X轴为搅拌头3纵向运动，实现焊缝的快速定位，采用“伺服电机+滚珠丝杠+直线滚珠导轨”传动。所述Y轴为搅拌头3横向运动，实现搅拌头3、横向位置的调整和装卸搅拌头3，采用“手动梯形丝杠+直线滚珠导轨”传动。所述Z轴为主轴头垂直运动，实现搅拌头3的***，采用“伺服电机+蜗杆减速器+滚珠丝杠"传动。所述焊接夹具旋转轴，实现铝合金棒5和铝合金管1的转动，采用“伺服电机+摆线针轮减速器"驱动。所述搅拌头3的旋转轴，可由电机直接驱动。
在本发明中，卡盘6固定在旋转夹具8上，卡盘6用于夹持铝合金棒5，旋转夹具8必须为中空，且能够穿过铝合金棒。顶尖9主要用来推动铝合金棒的送入，所以选择活塞式气动顶尖9并且选择的气动顶尖9的推动力可以较小。所述滚轮架组7，可以在Y向调节滚轮之间的距离，以适应不同直径的管件。
关于前进侧和后退侧的定义：焊接时，工件和搅拌头均是旋转的，由于旋转物体上任何一点的运动方向均为所处圆周的切向。如图5所示，因此当圆管工件表面上焊接区域处金属的圆周切向，与搅拌头圆周上的切向相同时(对应于切向15)，以工件上的焊缝中心线12为界，该侧为后退侧；当圆管工件表面上焊接区域处金属的圆周切向，与搅拌头圆周上的切向相反时(对应于切向16)，以工件上的焊缝中心线12为界，该侧为前进侧。确定搅拌头3与卡盘6的旋转方向：应使焊缝前进侧相对于后退侧轴向位置顺序，与铝合金棒相对于铝合金管的轴向位置顺序是一样的，如图6所示。假设从左视图的角度观察卡盘6的旋转方向，同时从俯视图的角度观察搅拌头3的旋转方向，若卡盘6逆时针方向旋转，则搅拌针2须顺时针方向旋转；反之，若从左视图的角度观察卡盘6顺时针方向旋转，则从俯视图的角度观察搅拌针2须逆时针方向旋转。
一种上述的薄壁铝合金管1端封焊装置的焊接方法，包括以下步骤：
(1)根据实际需要，利用δ＝(t-t0)×α×l-δ0确定过盈量δ和轴身10的直径，选取合适的轴身10长度，加工符合要求的铝合金棒5，根据薄壁铝合金管1壁厚选择合适的搅拌针2；
(2)将薄壁铝合金管1加热至100℃，然后迅速装配薄壁铝合金管1和铝合金棒5并快速冷却后风干；
(3)将装配好的工件穿过旋转夹具8并用卡盘6固定，其余部分则安装在滚轮架组7上随旋转夹具8运转，调整搅拌针2使其垂直向下对准薄壁铝合金管1及铝合金棒5的中轴线，并且搅拌针2距离轴身边缘的距离要大于等于D，其中D为搅拌头3的直径，搅拌针2位于轴身10端部的正上方；
(4)先启动搅拌头3，并使其缓缓的压入被焊区域进行预热，预热结束后开始旋转卡盘6，当卡盘6旋转一周后搭接环焊缝的焊接完成，此时停止卡盘6的旋转，搅拌针2继续保持高速转动并且沿铝合金棒轴线向铝合金棒一侧水平焊接一段距离，直到铝合金管1与铝合金棒对接处停止移动，准备开始对接环焊缝的焊接；
(5)再次缓慢转动卡盘6且旋转方向与之前一致，当卡盘6旋转一周后对接环焊缝的焊接完成，此时停止卡盘6的旋转，搅拌头3继续保持高速转动并且向铝合金棒一侧水平移动一小段距离后，缓缓提升搅拌头3，直到搅拌针2完全脱离焊缝后再停止搅拌头3的旋转，该侧管端焊接结束；
(6)按照步骤(1)和(2)，加工相同的轴身10，装配好薄壁铝合金管1和铝合金棒；
(7)再一次将装配好的薄壁铝合金管1和铝合金棒重复步骤(3)至(5)，即可完成薄壁铝合金管1两端的封焊。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种薄壁铝合金管端封焊装置，其特征在于：包括用于支撑薄壁铝合金管和铝合金棒的滚轮架组，所述铝合金棒的一端通过安装在旋转夹具上的中空的卡盘固定，铝合金棒穿过卡盘的一端安装有顶尖，铝合金棒另一端为直径小于铝合金棒的轴身，轴身与铝合金棒形成轴肩，轴身***到薄壁铝合金管中，轴身与薄壁铝合金管为过盈配合，在薄壁铝合金管上方安装有搅拌头，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管上形成H型焊缝，从而实现薄壁铝合金管端的封焊；所述轴身与薄壁铝合金管的过盈量为δ，δ＝(t-t0)×a×l-δO，其中，δ0＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管的温度，t0为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l--被加热孔的内径。
2.根据权利要求1所述的薄壁铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述轴身的长度不小于搅拌头直径的3.5倍，搅拌针长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管壁厚。
3.根据权利要求2所述的薄壁铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述H型焊缝包括第一道环焊缝和第二道环焊缝，第一道环焊缝完成了铝合金管与轴肩的搭接焊，第二道环焊缝完成铝合金管与铝合金棒的对接焊。
4.一种如所述的权利要求3所述的薄壁铝合金管端封焊装置的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据实际需要，利用δ＝(t-t0)×α×l-δ0确定过盈量δ和轴身的直径，选取合适的轴身长度，加工符合要求的铝合金棒，根据薄壁铝合金管壁厚选择合适的搅拌针的长度；
(2)将薄壁铝合金管加热至100℃，然后迅速装配薄壁铝合金管和铝合金棒并快速冷却后风干；
(3)将装配好的工件穿过旋转夹具并用卡盘固定，其余部分则安装在滚轮架组上随旋转夹具运转，调整搅拌头使其垂直向下对准薄壁铝合金管及铝合金棒的中轴线，并且搅拌针距离轴身边缘的距离要大于等于D，其中D为搅拌头的直径，搅拌头位于轴身端部的正上方；
(4)先启动搅拌头，并使其缓缓的压入被焊区域进行预热，预热结束后开始旋转卡盘，当卡盘旋转一周后搭接环焊缝的焊接完成，此时停止卡盘的旋转，搅拌针继续保持高速转动并且沿铝合金棒轴线向铝合金棒一侧水平焊接一段距离，直到铝合金管与铝合金棒对接处停止移动，准备开始对接环焊缝的焊接；
(5)再次缓慢转动卡盘且旋转方向与之前一致，当卡盘旋转一周后对接环焊缝的焊接完成，此时停止卡盘的旋转，搅拌头继续保持高速转动并且向铝合金棒一侧水平移动一小段距离后，缓缓提升搅拌头，直到搅拌针完全脱离焊缝后再停止搅拌头的旋转，该侧管端焊接结束；
(6)按照步骤(1)和(2)，加工相同的轴身，装配好薄壁铝合金管和铝合金棒；
(7)再一次将装配好的薄壁铝合金管和铝合金棒重复步骤(3)至(5)，即可完成薄壁铝合金管两端的封焊。
5.根据权利要求4所述的薄壁铝合金管端封焊装置的焊接方法，其特征在于：所述步骤(4)或步骤(5)中搅拌头和铝合金棒沿着X轴正向观察卡盘的旋转方向，同时沿Z轴负向观察搅拌头的旋转方向，若卡盘逆时针方向旋转，则搅拌针须顺时针方向旋转；或卡盘顺时针方向旋转，则搅拌针须逆时针方向旋转，其中，X轴为铝合金棒的轴线，远离薄壁铝合金管为正向，Z轴为搅拌针的轴线，远离铝合金棒为正向。
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