[发明专利]一种新的管板焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接方法，具体涉及一种管板焊接方法。该管板焊接方法是一种专用于对接管和板的，类似于搅拌摩擦焊的固相焊接方法。

背景技术

现有技术中，对于管和板的焊接，通常采用氩弧焊，氩弧焊需用焊料，焊料与母料为不同材质，强度较低，且因为焊接时热影响区域大，焊接后结构的残余应力大，易发生变形。

另外，现有技术有一种名为搅拌摩擦焊的焊接方式。搅拌摩擦焊，是将一个焊具的突出段伸入工件的接缝处，通过焊具的高速旋转，焊具的突出段在材料内部进行摩擦和搅拌，焊具的肩部与工件表面摩擦生热，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时焊具还沿工件的接缝向前移动，使金属向焊具后方流动从而形成致密焊缝。此种焊接方式，无需焊料和助焊剂，焊接强度高且环保，同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力和变形也较氩弧焊等熔化焊小得多。但，搅拌摩擦焊有一特点：焊缝宽而浅，焊缝宽度至少是焊缝的深度的3-5倍。若将搅拌摩擦焊用于焊接管和板，焊接时焊具要绕管周向作圆周运动，对于壁厚7.5mm的管焊接后的焊缝深度也最多达到3-5mm，这样焊接强度完全不够，是没有意义的，故，可以说现有的搅拌摩擦焊不适用于管和板的焊接。并且，目前搅拌摩擦焊仅能焊接同种材料或硬度差异较小的两种材料，如铜-铝，但对于铝-钢这种硬度差异大的两种材料无法焊接。

发明内容

本发明目的是提供一种新的管板焊接方法，完成管和板的焊接并仍具有现有搅拌摩擦焊的焊接强度高、环保，焊接后结构的残余应力和变形小的优点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新的管板焊接方法，针对管与板的连接对象，采用旋转的焊具通过摩擦和顶锻的方式实现管与板的焊接；

（1）焊具

所述焊具具有一段柱体，柱体的一端为焊接的工作端，所述工作端为一个以各段母线绕柱体轴线旋转而形成的旋转体结构，该旋转体结构在柱体轴向上依次由球头、颈部和肩部三段连接组成，球头位于工作端的前端中心位置，肩部位于工作端的后端周边位置，颈部位于球头与肩部之间位置；球头对应的母线为一外凸的第一圆弧段，颈部对应的母线为与第一圆弧段连接的内凹的第二圆弧段，肩部对应的母线是由与第二圆弧段连接的一内凹的第三圆弧段以及与第三圆弧段连接的一外凸的第四圆弧段组成；

所述球头的直径与管的内径为过盈配合的尺寸关系；所述肩部上第四圆弧段的顶点直径大于管的外径；所述球头的顶点至肩部上第四圆弧段的顶点在轴线方向的投影距离小于板的厚度；

（2）焊接步骤

第一步，将管的端部装入板上所设的焊接孔中，使管的端面与焊接孔的孔端面平齐，并支撑固定；

第二步，焊具绕柱体轴线旋转，并伸向所述管端部，使焊具的球头嵌入管内，焊具的肩部第四圆弧的顶点与板上的焊接孔孔端面接触；

第三步，焊具一边旋转，一边作圆摆运动和轴向往复运动，以使板和管的结合部材料发生塑性变形；所述圆摆运动是指焊具以球头为中心倾斜，使焊具的柱体轴线与管的轴心线形成一夹角后，焊具绕管的轴心线的转动；所述轴向往复运动是指焊具沿柱体轴线的往复直线移动；

第四步，焊具退出管和板，板和管的结合部材料沉积连接成一体。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述焊具旋转的具体速度的选择范围较大，从20r/min至20000r/min都有可能，这是因为焊具的旋转速度是与被焊的管与板的材料硬度和管的直径相关，是要根据被焊的管与板的材料硬度和管的直径来进行设定的。焊具旋转速度的设定的目标是要焊具旋转后与被焊的管与板间的摩擦可以产生足够的热量使结合部的材料达到塑性变形状态。如管与板的材料硬度越低时，转速就需设定地越高，这是因为在同等转速下材料硬度越低磨擦产生的热量越少，要产生足够的热量就需要高的转速。如管的直径越大时，转速就需设定地越低，这是因为管直径越大，同等转速下的线速度就越大磨擦产生的热量也就越大，较低的转速就可以产生足够的热量。本领域的技术人员针对选定的管和板的材料、管的尺寸大小经有限次的试验即可确定合适的焊具旋转速度。