一种铜-不锈钢薄壁管摩擦焊方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种铜－不锈钢薄壁管摩擦焊方法。摩擦焊过程在连续驱动摩擦焊机上完成，不锈钢管为旋转端，铜管为固定端。铜管端部外侧安置全封闭保压腔，管内安置固定锥形芯棒，按确定的摩擦焊工艺规范进行焊接。用压缩比计算公式确定保压腔和芯棒尺寸。采用本方法焊接，在保证焊接接头各种机械性能的条件下，进行接头内成型控制，接头内壁飞边少、平整光滑，可保证接头处有尽可能大的内通径，内通径可达到９０～９７％。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及异种材料间的摩擦对接焊。多年国内外摩擦焊生产、研究表明，铜和不锈钢由于两者热物理性能，机械性能包括高温强度相差甚大，在摩擦焊过程中如不加以控制，强度低的铜将被挤出摩擦面形成大量飞边，带走热量，增大材料消耗，不能保证接头获得较高的连接强度。对于铜-钢棒料间的摩擦对接焊，目前采用在铜棒外侧安装保压腔封闭加压来完成。除了安装保压腔外需要对焊的铜棒直径大于钢棒直径10～25%，钢棒对焊端面焊前加工成园锥或园锥台形。这种方法对同直径的铜-不锈钢薄壁管对接是不适用的。管子之间的对接摩擦焊与棒料之间的对接摩焊不同点还在于摩擦焊过程中金属的流动同时向管内外两侧进行，使得管内通径变小，内成型破坏。对小管径异种材料间的摩擦焊，目前主要是采用焊后机加工的方法去除和清理内毛刺。美国US4331280，专利介绍φ8毫米×1毫米管壁厚～φ6.35毫米×0.8毫米管壁厚铜-铝管摩擦焊将铜管端面加工成一定角度的斜面，摩擦在斜面上进行，内通径可达70%。该结果内通径偏小，而且方法只适于小管径的铜-铝管。由于以上原因，尽管摩擦焊具有生产率高，质量稳定，特别适用于异种材料焊接的优点。但经资料收集铜-不锈钢薄壁管摩擦焊及内成型控制方法在国内是空白，在国外现有资料中也未见专题报导。本专利技术为克服上述焊接方法和设备存在的不足，设计出一种可控制内成型铜-不锈钢薄壁管摩擦焊方法和设备，以达到在保证焊接接头各种机械性能条件下，接头内壁内壁飞边少，平整光滑，对φ8毫米×1毫米管壁厚～φ25毫米×2毫米管壁厚管焊接接头处有尽可能大的内通径之目的。本专利技术的目的通过以下技术措施实现一种铜-不锈钢薄壁管摩擦焊设备包括锥状芯棒(1)，垫片(2)，被焊铜管(3)，保压腔(4)。在焊前根据不同管材的外径，用与铜、不锈钢两者摩擦可焊性差的耐热、耐靡材料制成全封闭保压腔。根据管材内径用上述性能的材料制成具有一定锥度的管内固定芯棒。锥状芯棒(1)分为四部分锥状芯棒的支撑段L1;锥状芯棒的园柱体段L2;锥状芯棒的锥形工作段L3;锥形芯棒段L3的延长段L4。保压腔(4)分为两段全封闭的保压腔(4)的工作段A段和保压腔(4)的夹持段B段，其内径为直园筒，底部有45°的锥角与B段过渡，且A段内径略大于被焊管外径保压腔(4)的夹持段B段沿保压腔体直径剖开，底部靠近A段沿腔体直径有一通孔，其内径等于或略大于被焊铜管(3)的外径。固定锥状芯棒半锥角α为0.3～1.5°。锥状芯棒(1)和保压腔(4)由与铜-不锈钢摩擦可焊性差的耐热、耐磨材料制成，包括球墨铸铁和铬钼钢。摩擦焊过程是在连续驱动摩擦焊机上进行，保压腔直径、固定锥状芯棒直径及锥度根据被焊管径规格及内通径要求，其中一种铜-不锈钢薄壁管摩擦焊方法的总压缩比＝×100%;内侧间隙分配比＝×100%;外侧间隙分配比＝×100%;满足一种铜-不锈钢薄壁管摩擦焊方法的总压缩比为10～70(%);内侧间隙分配比为6～40(%);外侧间隙分配比为60～95(%)。然后按内外侧间隙分配比和压缩比公式计算结果来确定保压腔(4)的内径，锥状芯棒(1)的外径，被焊铜管(3)的外径，被焊钢管的内径，被焊管的内通径，摩擦焊过程在连续驱动摩擦焊机上完成，不锈钢管为旋转端，被焊铜管(3)为固定端。被焊铜管(3)的外侧安置全封闭保压腔(4)，被焊铜管(3)内安置固定锥形芯棒(1)。安置时在保压腔和芯棒上涂上少量石墨和机油混合液，而后按下列的摩擦焊工艺参数进行焊接，一种铜-不锈钢薄壁管摩擦焊的工艺参数为主轴转数为1250～2500(转/分);摩擦压力为68～250MPa;顶锻压力为160～360MPa;工进速度为1.5～4毫米/秒;摩擦时间为2～5秒;不锈钢管装夹后伸出长度＝A段长度+10毫米;铜管出模量为-2～5毫米。焊好后，松开夹具，退出锥状芯棒(1)即可。本专利技术的优点和效果1适用于φ8毫米×1毫米管壁厚～φ25毫米×2毫米管壁厚各种规格铜-不锈钢薄壁管摩擦焊生产过程，在保证焊接接头各种机械性能的条件下，进行接头内成型控制。2采用固定锥状芯棒限制内飞边流量和形状，通过固定锥状芯棒上不同的半锥角α变化控制内成型通径的大小，所得接头内壁光滑，内通径可达到90～97%。3选用与铜，不锈钢摩擦可焊性差的耐热、耐磨材料制作保压腔和锥状芯棒，焊前涂上润滑剂，降低焊接过程中挤出的内外飞边与保压腔(4)和锥状芯棒(1)的摩擦，防止烧腔和粘模，提高设备的使用寿命。4有利于焊后锥状芯棒(1)退出，焊接好的管子的取出。5通过压缩比公式计算确定保压腔和锥状芯棒尺寸，再配以合适的焊接工艺参数，焊接接头强度高于铜母材，抗弯性能良好。附图说明图1是安装结构示意图。图1中锥状芯棒(1)、垫片(2)、被焊铜管(3)、保压腔(4)、A段为保压腔(4)的工作段、B段为保压腔(4)的夹持段、L1为锥状芯棒的支撑段、L2为锥状芯棒的园柱体段、L3为锥状芯棒的锥形工作段、L4是锥形芯棒段L3的延长段、锥状芯棒半锥角为α。结合图1对本专利技术作进一步说明如下1、焊前工件处理焊前将被焊铜管(3)和不锈钢管端面车平，去除油、锈、水、氧化皮。临焊前再用砂布打磨端面露出金属光泽。2、保压腔(4)形状和安放位置被焊不锈钢管通过弹簧夹头或其它装夹方式安置在摩擦焊机的旋转端。被焊铜管(3)安置在非旋转固定端，被焊铜管(3)外侧安有保压腔(4)。A段是保压腔(4)的工作段，为全封闭式。内径为一直园筒，底部有一个45°的锥角与B段过渡。A段内径略大于被焊管外径与被焊管外径之间有一定的间隙，其大小取决于被焊工件直径和壁厚，通过外侧间隙分配比公式来确定。全封闭式保压腔(4)使摩擦焊过程中产生的外飞边均匀分布并限制在外间隙内，有利于提高摩擦压力和使端面压力均匀，保证了端面迅速一致的加热，从而获得质量稳定的焊合效果。保压腔(4)外径与内径之间的壁厚取被焊管壁厚的4～6倍。B段是保压腔(4)的夹持段，与A段为一体，内径等于或略大于被焊铜管(3)外径。该段用电火花加工或1毫米园盘铣沿保压腔体直径剖开，摩擦焊机非旋转固定平移端的V型夹头夹持在B段，通过加工间隙的闭合将被焊铜管(3)夹紧以防摩擦焊接过程中管子旋转和移动。B段底部靠近A段沿腔体直径有一个φ3毫米～4毫米管厚的通孔用于止裂和便于夹紧。3、锥状芯棒形状和安放位置，锥状芯棒(1)放置在被焊铜管(3)内。锥状芯棒(1)根据其外形和作用可分为四部分。L1为锥状芯棒的支撑段，支撑在移动滑台后部，防止锥状芯棒(1)在焊接过程中发生轴向窜动。L2为锥状芯棒的园柱体段，外径等于或略小于被焊铜管(3)的内径，长度略短于被焊铜管(3)，通过调整垫片(2)的厚度使L2最左端位于焊缝最后形成的位置附近。L3为锥状芯棒的锥形工作段，L3与L2交界处靠近保压腔(4)A段的底部。从这里起锥状芯棒(1)成锥形，它与管内壁的间隙也就是内飞边流动的间隙，是主要工作段，加工时要保证有高的光洁度和小的形位公差，固定芯棒半锥角α分别为0.3°，1.0°，1.5°。焊前涂上少许润滑剂(石墨加机油)。L4是锥形芯棒段L3的延长段，长约25毫米。作用是将挤出并压延的内飞边限制在不锈钢管的内径与其锥面的间隙之间，便于焊后锥状芯棒(1)退出。均匀抗压在L4与管内径间的飞边，有利于减少管子的振动，有利本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜－不锈钢薄壁管摩擦焊设备，其特征在于：一种铜－不锈钢薄壁管摩擦焊设备包括锥状芯棒（１），垫片（２），被焊铜管（３）和保压腔（４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：石凯，
申请(专利权)人：西安石油学院，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]