[发明专利]管道高频振动径向线性摩擦焊接装置及工艺

权利要求书

1.一种管道高频振动径向线性摩擦焊接装置，其特征是，包括能够套在管道外表面的径向环，管道内设置有支撑栓，径向环的外表面上与若干沿径向环周向均匀布置的径向顶块一端接触，若干径向顶块分别插在限位槽体上的若干限位槽中，且径向顶块的另一端与径向换向夹具的楔形内壁接触；换向夹具夹在由控制器控制的振动体上，振动体对换向夹具施力，通过换向夹具接触的顶块带动径向环沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环与管道摩擦生热，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述支撑栓包括一圆台体和套在圆台体外部的锥形套，所述圆台体的斜面角度为10°；所述锥形套由两对称的半环形体组成，两半环形体外表面沿轴向为水平面，两半环形体的内壁沿轴向为斜面，半环形体内壁沿轴线方向与轴线之间有10°夹角。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述限位槽体包括一环形体，所述环形体的圆周上均布有若干与环形体内腔相通的用于径向顶块插入其中的限位槽。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述换向夹具为一圆环形结构，该圆环形结构的内表面成楔形，且楔形表面与圆环的中心线之间的夹角为15°。

5.如权利要求4所述的装置，其特征是，所述径向顶块与换向夹具接触的端面与水平面之间具有15°夹角，且所述端面的倾斜方向与换向夹具的楔形表面倾斜方向相匹配。

6.一种利用权利要求1所述管道高频振动径向线性摩擦焊接装置的焊接工艺，其特征是，步骤如下：

第一、利用车床车削加工径向环与管道摩擦表面，对径向环与管道焊接处清洗，除去氧化物、油渍杂质，以免影响焊接质量；并将径向环与管道装配好；

第二步，把装配好的径向环与管道放置在限位槽体中，使其精确安装；

第三步，将管道对接，把支撑栓放在被焊管道内的接缝处，再将径向环套在管道外面的对接处；在焊接结束后，该支撑栓能够轻松被取出，减小了工作量，使用支撑栓能够避免焊接过程中管道产生较大的变形；

第四步，将限位槽体套在径向环的外面，把径向顶块精确插到限位槽中，限位槽用来导引径向顶块的径向运动，径向顶块顶端与径向环接触，焊接中径向顶块推动径向环沿着径向方向运动，实现径向加压；

第五步，将换向夹具与顶块配合装配，换向夹具有15°斜面，顶块与换向夹具的接触面也成15°斜面；主要作用是把焊接中的轴向推力转换为径向推力；

第五步，换向夹具与顶块装配好后，将换向夹具夹在振动体上，在各组件完成装配后，由控制器控制的振动体对换向夹具施力，通过换向夹具接触的顶块带动径向环沿管道轴向往复高频振动，同时换向夹具受到轴向推力，并转换为径向推力，推挤径向环与管道摩擦生热，由于摩擦生热，摩擦界面上的材料发生塑性变形、表面激活、扩散和动态再结晶而达到冶金接合，整个焊接过程分为三级加压，即一级初始摩擦压力、二级稳定摩擦压力和三级顶锻摩擦压力，摩擦压力逐级升高，到达预定顶锻时刻，顶锻停机，完成焊接；

第六步、焊接完成后，将整个装置由外至内逐个拆卸，得到符合要求的管道接头。

7.如权利要求6所述的工艺，其特征是，所述第五步中整个焊接过程的具体步骤如下：

1）整套装置装配完成后，由控制器设定各级压力和各级的摩擦时间参数；

2）启动施焊的振动体，实施高频振动径向摩擦焊接；

3）防止径向环与管道之间的摩擦阻力过大引起的系统抱死；当摩擦界面温度升高到1100℃后，施加50MPa～100MPa二级稳定摩擦压力,摩擦时间为3～50s，该压力能保证摩擦产热与热量的耗散的动态平衡；瞬间通过径向顶块施加100MPa～200MPa的三级顶锻摩擦压力，顶锻时间为0.2s到1s，同时振动频率降至为零，完成焊接。