CN116871658A - 一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，包括定位基座（10）、夹持卡爪（20）及推力块（30），定位基座（10）中部开设通孔（11）；定位基座（10）一侧均匀设置多个夹持卡爪（20），夹持卡爪（20）与定位基座（10）滑动连接；夹持卡爪（20）外壁设置为锥形结构、内壁设置为微锥度结构且夹持卡爪（20）内壁加工多个定位浅槽（21）；推力块（30）中部开设锥形孔（31）且锥形孔（31）内壁分别与对应的夹持卡爪（20）外壁滑动连接。该径向夹持工装用于环形构件与轴/管类构件的多道焊缝同时进行径向摩擦焊接过程中，定位精确，焊接接头组织性能的均匀性、一致性好，焊接质量高、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及固相焊技术领域，具体涉及一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装。
背景技术
摩擦焊，指在压力作用下，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；摩擦焊具有焊接接头质量高、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、机械制造业等行业重点研究的制造技术。
摩擦焊通常用于轴类、管类、管/环类、轴/环类、管/管类、轴/盘类、轴/板类、盘/盘类等结构件的焊接，主要焊接方式肥轴向摩擦焊接头焊接与径向摩擦焊接头焊接。为满足一些特殊结构件的需求，需要设计出多道焊缝的径向摩擦焊接头形式，该形式通常为在管类或轴类构件的表面通过径向摩擦焊接的方式焊接多个薄壁环；目前，针对该种形式(即多道焊缝的径向摩擦焊接头形式)，主要通过多次独立焊接单一薄壁环以及先单独焊接宽度较大的环形构件、再经过机加工形成多个薄壁环两种方式实现。多次独立焊接单一薄壁环的方式，需要多次进行焊接、机加工，工艺繁琐、劳动成本高，焊接整体耗时长、效率低，且无法确保每次径向摩擦焊接均在同一条件、环境下进行，易出现多道焊缝差异性大的问题；先单独焊接宽度较大的环形构件、再经过机加工形成多个薄壁环的方式，摩擦焊接过程中，焊缝过宽、焊接接触面积大，导致摩擦扭矩大，易出现夹持打滑等问题，导致焊接质量低、不合格率高，同时，过宽的焊缝还会由于摩擦焊接过程中环形构件的滑动、扭曲、变形等原因，导致夹持工装与环形构件之间产生较大间隙，造成环形构件受到的径向压力不均匀，导致焊缝组织结构不均匀、一致性差，影响焊接接头质量。
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用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，该径向夹持工装用于环形构件与轴/管类构件的多道焊缝同时进行径向摩擦焊接过程中，能够实现环形构件的精准定位，避免焊接过程中环形构件出现径向跳动、滑动、扭曲变形等问题，确保焊接接头的组织性能的均匀性与一致性，焊接结构质量高。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，其特征在于：包括定位基座、夹持卡爪及推力块，定位基座中部开设通孔且通孔直径大于待焊接的环形构件外径；定位基座一侧侧面且绕通孔中轴线均匀设置多个夹持卡爪，夹持卡爪与定位基座滑动连接；夹持卡爪外壁设置为由靠近定位基座向远离定位基座方向、外径逐渐减小的锥形结构，夹持卡爪内壁设置为靠近定位基座向远离定位基座方向、外径逐渐增大的微锥度结构且夹持卡爪内壁沿夹持卡爪轴线方向依次加工多个定位浅槽；推力块设置在夹持卡爪远离定位基座的一端且推力块中部开设与通孔同轴的锥形孔，锥形孔的锥度与夹持卡爪外壁锥度一致且锥形孔内壁分别与对应的夹持卡爪外壁滑动连接。
基于上述技术方案的进一步优化，所述定位基座靠近夹持卡爪的一侧侧面且对应夹持卡爪分别开设移动滑槽，夹持卡爪靠近定位基座的一侧侧面且对应移动滑槽设置滑动卡块，滑动卡块卡接在对应的移动滑槽内且滑动卡块外壁与对应的移动滑槽侧壁滑动连接，从而实现夹持卡爪与定位基座的滑动连接。
基于上述方案的进一步优化，所述滑动卡块靠近通孔一侧侧面与远离通孔一侧侧面分别通过弹簧与对应的移动滑槽侧壁连接，一是便于焊后夹持卡爪的打开、方便焊后件的取出，二是在夹持过程中提供弹力缓冲、避免焊接件压损。
基于上述方案的进一步优化，所述微锥度结构的锥度为0.5～1°。
基于上述方案的进一步优化，所述定位浅槽(即位于同一夹持卡爪上依次排布的定位浅槽)的数量为2～5个；定位浅槽的深度为1～2mm、其宽度与待焊接的环形构件宽度一致。
基于上述方案的进一步优化，所述锥形结构的锥度为20～70°。
一种多焊缝均匀焊接的径向摩擦焊接方法，采用上述径向夹持工装，其特征在于：包括：
S01、首先，根据待摩擦焊接的环形构件的数量、尺寸，加工出径向夹持工装；同时，根据待焊接的轴/管类构件尺寸，加工出旋转夹持工装；
S02、然后，分别对待焊接的环形构件及轴/管类构件毛坯件进行机加工、使其符合焊接尺寸，并对机加工后的待焊接部位依次进行去铁锈、去毛刺与去油污处理；
S03、之后，将步骤S01中加工出的径向夹持工装安装在摩擦焊接的移动滑台上、将步骤S01中加工出的旋转夹持工装安装在摩擦焊接的主轴上，分别利用径向夹持工装夹持待焊接环形构件、利用旋转夹持工装夹持待焊接轴/管类构件，并分别进行预夹紧；
S04、再之后，在摩擦焊接的控制面板处设置摩擦焊接参数，然后启动摩擦焊机，完成多道环形构件与轴/管类构件之间的同时摩擦焊接、顶锻保压的焊接工序；
S05、最后，分别松开径向夹持工装与旋转夹持工装，取下焊接件，完成摩擦焊接。
基于上述方案的进一步优化，所述旋转夹持工装采用外夹式弹性夹持工装，其采用40CrNiMo或40Cr中碳调质钢中的任一种材料制备获得。
基于上述方案的进一步优化，所述待焊接的轴/管类构件的外径为φ41mm～φ160mm；待焊接的环形构件的外径为φ50mm～φ185mm，宽度为3～15mm，壁厚为4～12mm。
基于上述方案的进一步优化，所述旋转夹持工装夹持待焊接轴/管类构件的宽度为80～150mm，旋转夹持工装与摩擦焊机的主轴中轴线共线安装；径向夹持工装的安装方式为：将定位基座固定安装在摩擦焊机的移动滑台上，推力块与摩擦焊机的移动滑台相对滑动且推力块远离夹持卡爪的一端与摩擦焊机的油缸推力输出端固定连接。
基于上述方案的进一步优化，所述摩擦焊机的焊接参数为：摩擦转速1000r/min～3000r/min，摩擦压力2MPa～8MPa，顶锻转速500r/min～1500r/min，顶锻压力4MPa～15MPa。
以下为本发明上述技术方案所具备的效果：
本申请采用定位基座、夹持卡爪及推力块组成的径向夹持工装，实现对多个环形构件进行预夹紧、并在预夹紧过程中自动对多个环形构件进行中心定位，即利用推力块沿轴线方向的移动，实现多个夹持卡爪同时、相向运动，由于锥形孔与通孔中轴线共线，因此，在完成多个环形构件夹持的同时、也完成其中心定位(即环形构件的中轴线线与通孔、锥形孔中轴线共线)，从而节省定位、校准的时间，提升焊接前的处理效率。
本申请径向夹持工装通过在夹持卡爪内表面设置“多道定位浅槽+微锥度结构”的复合结构，一是通过定位浅槽对环形构件进行定位与纤维，避免小宽度、大厚度的环形构件在摩擦焊接过程中发生向工装的轴线方向滑动、扭曲变形、径向跳动等问题，确保多道焊缝的定位精度；二是通过夹持卡爪内壁的微锥度结构、夹持卡爪外壁的锥形结构与推力块的运行方向的配合，实现焊接过程中环形构件表面的均匀受力，确保多道焊缝的组织、性能的均匀性、一致性，从而实现多道焊缝的同步、高精度、高强度的焊接；三是便于多道焊缝的安装、定位，从而提升焊接效率、节省焊接工艺、降低焊接成本。
此外，采用本申请径向夹持工装的多焊缝均匀焊接的工艺，与宽焊缝径向摩擦焊接工艺相比，本申请显著减少焊接面积、降低摩擦扭矩，减小焊接过程中夹持打滑导致的未焊合等缺陷，有效提高焊接质量与焊接合格率，确保焊缝组织性能的均一性；与单焊缝、多次焊接工艺相比，本申请焊接效率大大提高，生产成本低，操作方便。
附图说明
图1为本发明实施例中径向夹持工装的结构示意图。
图2为图1中A的局部放大图。
其中，100、轴/管类构件；200、环形构件；10、定位基座；11、通孔；12、移动滑槽；13、弹簧；20、夹持卡爪；21、定位浅槽；22、滑动卡块；30、推力块；31、锥形孔。
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
如图1～2所示，一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，其特征在于：包括定位基座10、夹持卡爪20及推力块30，定位基座10中部开设通孔11且通孔11直径大于待焊接的环形构件200外径；定位基座10一侧侧面且绕通孔11中轴线均匀设置多个夹持卡爪20(夹持卡爪20的数量根据实际情况进行设置，一般为6～12个)，夹持卡爪20与定位基座10滑动连接，具体为：定位基座10靠近夹持卡爪20的一侧侧面且对应夹持卡爪20分别开设移动滑槽12(如图2所示，移动滑槽12的长度根据实际情况进行设置，本实施例中不做过度限定)，夹持卡爪20靠近定位基座10的一侧侧面且对应移动滑槽12设置滑动卡块22，滑动卡块22卡接在对应的移动滑槽12内且滑动卡块22外壁与对应的移动滑槽12侧壁滑动连接，从而实现夹持卡爪20与定位基座10的滑动连接；滑动卡块22靠近通孔11一侧侧面与远离通孔11一侧侧面(即图2所示的上、下侧面)分别通过弹簧13与对应的移动滑槽12侧壁连接，一是便于焊后夹持卡爪20的打开、方便焊后件的取出，二是在夹持过程中提供弹力缓冲、避免焊接件压损。
夹持卡爪20外壁设置为由靠近定位基座10向远离定位基座10方向(即图1所示的由左至右方向)、外径逐渐减小的锥形结构，锥形结构的锥度为20～70°(一般为30°、45°或60°中的任意一种)；夹持卡爪20内壁设置为靠近定位基座10向远离定位基座10方向(即图1所示的由左至右方向)、外径逐渐增大的微锥度结构，微锥度结构的锥度R为0.5～1°，且夹持卡爪20内壁沿夹持卡爪20轴线(即通孔11中轴线方向)方向依次加工多个定位浅槽21，定位浅槽21(即位于同一夹持卡爪20上依次排布的定位浅槽21)的数量为2～5个(需要注意的是：定位浅槽21的数量与在轴/管类构件100表面加工的环形构件200的数量一致，如图1所示，本实施例中环形构件200的数量为3个，则同一夹持卡爪20上开设的定位浅槽21的数量也为3个)；定位浅槽21的深度为1～2mm、其宽度与待焊接的环形构件200宽度一致。
推力块30设置在夹持卡爪20远离定位基座10的一端且推力块30中部开设与通孔11同轴的锥形孔31，锥形孔31的锥度与夹持卡爪20外壁锥度一致(如图1所示，即锥形孔31为由左至右直径逐渐减小，且其锥度为20～70°，优选30°、45°或60°中的任意一种)且锥形孔31内壁分别与对应的夹持卡爪20外壁滑动连接。
实施例2：
一种多焊缝均匀焊接的径向摩擦焊接方法，采用如实施例1所述的径向夹持工装，其特征在于：
针对外径为φ50mm、宽度为3mm、壁厚为4mm的钢环与外径为φ41mm的30CrMoSi钢棒，且一根30CrMoSi钢棒的表面需要焊接5个钢环；
包括：
S01、首先，根据待摩擦焊接的环形构件200的数量、尺寸，加工出径向夹持工装，径向夹持工装同一夹持卡爪20上的定位浅槽21数量为5个，槽深为1mm、宽度为3mm，微锥度结构的锥度R为0.5°，径向夹持工装采用40Cr中碳调质钢材料制备获得；同时，根据待焊接的轴/管类构件100尺寸，加工出旋转夹持工装，旋转夹持工装采用外夹式弹性夹持工装(本实施例中不对旋转夹持工装的具体结构进行限定，采用本领域常见的外夹式弹性夹持工装结构即可)，其采用40CrNiMo材料制备获得。
S02、然后，分别对待焊接的环形构件200及轴/管类构件100毛坯件进行机加工、使其符合焊接尺寸，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。
S03、之后，将步骤S01中加工出的径向夹持工装安装在摩擦焊接的移动滑台上，径向夹持工装的安装方式为：将定位基座10固定安装在摩擦焊机的移动滑台上，推力块30与摩擦焊机的移动滑台相对滑动且推力块30远离夹持卡爪20的一端与摩擦焊机的油缸推力输出端固定连接。将步骤S01中加工出的旋转夹持工装安装在摩擦焊接的主轴上，旋转夹持工装与摩擦焊机的主轴中轴线共线安装。
分别利用径向夹持工装夹持待焊接环形构件200、利用旋转夹持工装夹持待焊接轴/管类构件100，并分别进行预夹紧；其中，旋转夹持工装夹持待焊接轴/管类构件100的宽度为120mm。
S04、再之后，在摩擦焊接的控制面板处设置摩擦焊接参数，具体为：摩擦转速3000r/min，摩擦压力2MPa，顶锻转速1500r/min，顶锻压力4MPa；开启摩擦焊机，旋转夹持工装夹紧30CrMoSi钢棒、径向加压工装夹紧钢环，在径向压力作用下(即在油缸启动、推力块30推力作用下)，30CrMoSi钢棒的焊接面与钢环的焊接面紧密接触，摩擦焊机主轴开始旋转升速至主轴转速3000r/min时，30CrMoSi钢棒与钢环在2MPa轴向摩擦力作用下、其焊接面前端接触并相互摩擦，随着金属的软化并径向加压，焊接面面后端的金属渐进摩擦生热，从而使整个焊接面面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至1500r/min顶锻转速时，夹持在径向加压工装中的钢环在4MPa的径向顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成5道的钢环与30CrMoSi钢棒的同步径向摩擦焊接。
S05、最后，分别松开径向夹持工装与旋转夹持工装，取下焊接件，完成摩擦焊接。
取下焊接件后，对径向摩擦焊后的钢棒进行剪切强度测试，测试表明：5道焊缝的钢环与30CrMoSi钢棒合金接头的剪切强度分别为512MPa、508MPa、521MPa、518MPa、507MPa，其剪切强度变化率为1.6％。
实施例3：
一种多焊缝均匀焊接的径向摩擦焊接方法，采用如实施例1所述的径向夹持工装，其特征在于：
针对外径为φ185mm、宽度为15mm、壁厚为12mm的钢环与外径为φ160mm、壁厚15mm的30CrMoSi钢管，且一根30CrMoSi钢管的表面需要焊接2个钢环；
包括：
S01、首先，根据待摩擦焊接的环形构件200的数量、尺寸，加工出径向夹持工装，径向夹持工装同一夹持卡爪20上的定位浅槽21数量为2个，槽深为2mm、宽度为15mm，微锥度结构的锥度R为1°，径向夹持工装采用40Cr中碳调质钢材料制备获得；同时，根据待焊接的轴/管类构件100尺寸，加工出旋转夹持工装，旋转夹持工装采用外夹式弹性夹持工装(本实施例中不对旋转夹持工装的具体结构进行限定，采用本领域常见的外夹式弹性夹持工装结构即可)，其采用40Cr中碳调质钢材料制备获得。
S02、然后，分别对待焊接的环形构件200及轴/管类构件100毛坯件进行机加工、使其符合焊接尺寸，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。
S03、之后，将步骤S01中加工出的径向夹持工装安装在摩擦焊接的移动滑台上，径向夹持工装的安装方式为：将定位基座10固定安装在摩擦焊机的移动滑台上，推力块30与摩擦焊机的移动滑台相对滑动且推力块30远离夹持卡爪20的一端与摩擦焊机的油缸推力输出端固定连接。将步骤S01中加工出的旋转夹持工装安装在摩擦焊接的主轴上，旋转夹持工装与摩擦焊机的主轴中轴线共线安装。
分别利用径向夹持工装夹持待焊接环形构件200、利用旋转夹持工装夹持待焊接轴/管类构件100，并分别进行预夹紧；其中，旋转夹持工装夹持待焊接轴/管类构件100的宽度为90mm。
S04、再之后，在摩擦焊接的控制面板处设置摩擦焊接参数，具体为：摩擦转速1000r/min，摩擦压力8MPa，顶锻转速500r/min，顶锻压力15MPa；开启摩擦焊机，旋转夹持工装夹紧30CrMoSi钢管、径向加压工装夹紧钢环，在径向压力作用下(即在油缸启动、推力块30推力作用下)，30CrMoSi钢管的焊接面与钢环的焊接面紧密接触，摩擦焊机主轴开始旋转升速至主轴转速1000r/min时，30CrMoSi钢管与钢环在8MPa轴向摩擦力作用下、其焊接面前端接触并相互摩擦，随着金属的软化并径向加压，焊接面面后端的金属渐进摩擦生热，从而使整个焊接面面处于热塑性状态，随着主轴转速下降至500r/min顶锻转速时，夹持在径向加压工装中的钢环在15MPa的径向顶锻压力作用下产生顶锻刹车，保压，完成2道的钢环与30CrMoSi钢管的同步径向摩擦焊接。
S05、最后，分别松开径向夹持工装与旋转夹持工装，取下焊接件，完成摩擦焊接。
取下焊接件后，对径向摩擦焊后的钢管进行剪切强度测试，测试表明：2道焊缝的钢环与30CrMoSi钢管合金接头的剪切强度分别为525MPa、504MPa，其剪切强度变化率为2％。
Claims (8)
1.一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，其特征在于：包括定位基座、夹持卡爪及推力块，定位基座中部开设通孔且通孔直径大于待焊接的环形构件外径；定位基座一侧侧面且绕通孔中轴线均匀设置多个夹持卡爪，夹持卡爪与定位基座滑动连接；夹持卡爪外壁设置为由靠近定位基座向远离定位基座方向、外径逐渐减小的锥形结构，夹持卡爪内壁设置为靠近定位基座向远离定位基座方向、外径逐渐增大的微锥度结构且夹持卡爪内壁沿夹持卡爪轴线方向依次加工多个定位浅槽；推力块设置在夹持卡爪远离定位基座的一端且推力块中部开设与通孔同轴的锥形孔，锥形孔的锥度与夹持卡爪外壁锥度一致且锥形孔内壁分别与对应的夹持卡爪外壁滑动连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，其特征在于：所述定位基座靠近夹持卡爪的一侧侧面且对应夹持卡爪分别开设移动滑槽，夹持卡爪靠近定位基座的一侧侧面且对应移动滑槽设置滑动卡块，滑动卡块卡接在对应的移动滑槽内且滑动卡块外壁与对应的移动滑槽侧壁滑动连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，其特征在于：所述滑动卡块靠近通孔一侧侧面与远离通孔一侧侧面分别通过弹簧与对应的移动滑槽侧壁连接。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，其特征在于：所述微锥度结构的锥度为0.5～1°。
5.根据权利要求1～3任一项所述的一种用于多焊缝均匀焊接的径向夹持工装，其特征在于：所述定位浅槽的数量为2～5个；定位浅槽的深度为1～2mm、其宽度与待焊接的环形构件宽度一致。
6.采用如权利要求1～5任一项所述的径向夹持工装的一种径向摩擦焊接方法，其特征在于：包括：
S01、首先，根据待摩擦焊接的环形构件的数量、尺寸，加工出径向夹持工装；同时，根据待焊接的轴/管类构件尺寸，加工出旋转夹持工装；
S02、然后，分别对待焊接的环形构件及轴/管类构件毛坯件进行机加工、使其符合焊接尺寸，并对机加工后的待焊接部位依次进行去铁锈、去毛刺与去油污处理；
S03、之后，将步骤S01中加工出的径向夹持工装安装在摩擦焊接的移动滑台上、将步骤S01中加工出的旋转夹持工装安装在摩擦焊接的主轴上，分别利用径向夹持工装夹持待焊接环形构件、利用旋转夹持工装夹持待焊接轴/管类构件，并分别进行预夹紧；
S04、再之后，在摩擦焊接的控制面板处设置摩擦焊接参数，然后启动摩擦焊机，完成多道环形构件与轴/管类构件之间的同时摩擦焊接、顶锻保压的焊接工序；
S05、最后，分别松开径向夹持工装与旋转夹持工装，取下焊接件，完成摩擦焊接。
7.根据权利要求6所述的一种径向摩擦焊接方法，其特征在于：所述待焊接的轴/管类构件的外径为φ41mm～φ160mm；待焊接的环形构件的外径为φ50mm～φ185mm，宽度为3～15mm，壁厚为4～12mm。
8.根据权利要求6所述的一种径向摩擦焊接方法，其特征在于：所述摩擦焊机的焊接参数为：摩擦转速1000r/min～3000r/min，摩擦压力2MPa～8MPa，顶锻转速500r/min～1500r/min，顶锻压力4MPa～15MPa。
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