一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法，包括如下步骤：S1、设计焊件1及焊件2的焊前接头结构、焊接工装结构并进行加工，而后将焊接工装分别装配于焊件1和焊件2，焊件1为铝钢异种金属管接头的钢端、焊件2为铝钢异种金属管接头的铝端，再将装配后的焊件1和焊件2分别安装于惯性摩擦焊接设备的旋转端和固定端；S2、按照惯性摩擦焊接设备运行程序及设定的焊接工艺参数进行焊接，焊接工艺参数为：转动惯量50

【技术实现步骤摘要】
一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法


[0001]本专利技术属于焊接
，涉及一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法。

技术介绍

[0002]铝钢异种金属管连接结构，既具有铝合金比重小、导电性能佳、耐蚀性能好的优点，同时兼具钢的高强度特点，具有很高的实用价值，应用越来越广泛；尤其是在航空航天、空气分离等行业的管路连接系统中，由于产品结构需要，必须使用铝钢异种金属管接头；且随着航空航天等领域高端装备大型化的发展，Φ150mm及以上的大直径厚壁铝钢管接头的焊接连接需求逐渐增多。
[0003]惯性摩擦焊接是铝钢异种金属的有效连接工艺，但铝钢两种材料的物理化学性质差异较大使得接头易形成硬脆的金属间化合物而导致性能低、易开裂，且无论是在液态还是固态条件下，Fe
‑
Al两种元素皆不发生互溶，即铝钢要形成焊接连接还必须通过接头界面形成的金属间化合物来实现，也使得铝钢焊接易产生孔洞、未焊合等缺陷，因此，既要通过金属间化合物实现铝钢焊接连接、又要解决金属间化合物对接头质量及性能的影响，这是铝钢异种金属实现优质高性能焊接的最大难点。
[0004]目前针对铝钢异种金属惯性摩擦焊接的技术研究及工程应用基本都集中在焊接直径小于150mm、焊接壁厚小于10mm的小规格接头，对于直径大于150mm、壁厚超过10mm的大直径厚壁接头，随着待焊工件直径及壁厚的增加，铝钢异种材料特性与工件尺寸效应的叠加又显著提高了接头焊接质量和性能的控制难度。同时，大尺寸铝钢接头的惯性摩擦焊接一般都需要数十吨、上百吨甚至更大的焊接顶锻力，焊接后接头部位存在大量飞边及塑性变形层，需采用比产品厚度大的管坯料进行焊接再经过机加形成最终的产品结构，由于焊接过程中接头铝钢界面在摩擦热作用下温度急剧升高使得接头焊接区域铝钢强度大幅下降、刚性大幅减弱，为了防止在大的顶锻力作用下接头区域被压溃而形不成有效连接，实际采用的管坯料的焊接厚度还需要进一步加厚以保证焊接过程接头区域的刚性，使得实际焊接的管坯料厚度较产品厚度大幅增加，显著提高了惯性摩擦焊接设备的要求，也显著增大了铝钢接头焊后残余应力，导致当前铝钢接头焊后机加成产品过程中受残余应力的影响易开裂。
[0005]上述因素使得当前铝钢异种金属惯性摩擦焊接方法对设备要求高、焊接缺陷控制难度大、焊后接头加工易开裂，导致焊接合格率、接头质量及性能都较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0008]一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法，包括如下步骤：
[0009]S1、设计焊件1及焊件2的焊前接头结构、焊接工装结构并进行加工，而后将焊接工
装分别装配于焊件1和焊件2，再将装配后的焊件1和焊件2分别安装于惯性摩擦焊接设备的旋转端和固定端；焊接1和2分别安装于旋转端还是固定端没有限制，不影响后续焊接程序的设置和焊接参数的设定；
[0010]S2、按照惯性摩擦焊接设备运行程序及设定的焊接工艺参数进行焊接，焊接工艺参数为：转动惯量50
‑
500Kg.m2、飞轮转速800
‑
1200r/min、焊接顶锻力80
‑
200bar、顶锻保压时间10
‑
30s。
[0011]根据铝钢异种金属管接头产品尺寸，设计焊前管坯料焊接接头结构。接头包括焊件1和焊件2，二者皆为圆管状结构，焊件1为钢端，焊件2为铝端；焊件1和焊件2的焊接部位采用小尺寸焊接厚度的接头结构，即焊件1的焊接部位外壁开有焊接坡口并内壁设计为台阶结构，焊件2的焊接部位外壁设计为台阶结构并内壁开有焊接坡口，二者台阶结构分别用于放置内撑及外抱焊接工装。
[0012]焊件1外径D1、内径D2，外壁焊接坡口角度α、焊接坡口小径D3，内壁台阶直径D4、台阶高度H1；焊件2外径D5、内径D6，焊接坡口面与焊件1重合即其内壁焊接坡口角度为α、焊接坡口大径与焊件1外径D1一致、小径为D6与焊件1焊接坡口小径D3一致，外壁台阶直径D7、台阶高度H2。
[0013]D1、D2及D5、D6为工件产品尺寸，焊接坡口角度80
°
≤α≤100
°
(优选为90
°
)，30mm≤D1
‑
D3≤40mm，10mm≤D3
‑
D4≤15mm，10mm≤H1≤30mm，5mm≤D5
‑
D7≤10mm，50mm≤H2≤70mm。
[0014]焊接工装包括内撑工装与外箍工装，内撑工装作用于焊件1，包括楔形件1、楔形件2及连接螺栓。其中，楔形件1采用分块结构以增强内撑适应性，根据焊件1的内径大小由不少于4个楔形等分块组成，每个等分块为L型结构，其上设置通孔，等分块组成楔形件1后在自由状态下其小端外径D8与焊件1内径D2的关系为2mm≤D2
‑
D8≤4mm、大端外径D9与焊件1内壁台阶直径D4的关系为0.5mm≤D9
‑
D4≤1mm、内孔夹角β为15
°
≤β≤20
°
、内孔大端直径D10根据外径D8及焊接过程楔形件1等分块承受的压力而保证其刚度足够不变形而定，其内撑区域的高度H3与焊件1焊接部位内壁台阶高度H1的关系为H3＝H1，总高度H4与H3的关系为20mm≤H4
‑
H3≤25mm；
[0015]楔形件2为整体T形锥台结构，为保证其压入楔形件1后使焊件1焊接部位外径D1扩大0.5
‑
1mm且保证足够刚度，与楔形件1的匹配关系如下：锥台的锥角与楔形件1内孔夹角β一致，大端直径D13＝D8，锥台高度H5与楔形件1总高度H4满足关系0≤H5
‑
H4≤5mm，总高度H6为20mm≤H6
‑
H5≤40mm，小端直径D12与楔形件1内孔小端直径D11满足关系D12
‑
D11≥2mm且与楔形件1内孔大端直径D10满足关系D12＝D10
‑2×
H5
×
tan(β/2)。
[0016]焊接前，将等分块依次放置于焊件1内壁台阶组成楔形件1，再将楔形件2压入楔形件1的内孔，使得楔形件1的等分块向外扩张将焊件1的焊接部位产生弹性变形，通过控制楔形件2压入楔形件1内孔的深度调节焊件1焊接部位外径D1扩大0.5
‑
1mm，再利用螺栓将楔形件1与楔形件2连接锁紧；为了保证楔形件2压入楔形件1内孔后二者螺栓连接孔的位置关系，楔形件1等分块的通孔直径较楔形件2螺纹孔大径大2mm，以弥补楔形件1内撑扩径0.5
‑
1mm导致的二者连接孔位置偏差。楔形件1与楔形件2采用不锈钢材料。
[0017]外箍工装作用于焊件2，为环状结构，其内径D14与焊件2外壁台阶直径D7的关系为0≤D7
‑
D14≤0.05m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、设计焊件1及焊件2的焊前接头结构、焊接工装结构并进行加工，而后将焊接工装分别装配于焊件1和焊件2，焊件1为铝钢异种金属管接头的钢端、焊件2为铝钢异种金属管接头的铝端，再将装配后的焊件1和焊件2分别安装于惯性摩擦焊接设备的旋转端和固定端；S2、按照惯性摩擦焊接设备运行程序及设定的焊接工艺参数进行焊接，焊接工艺参数为：转动惯量50
‑
500Kg.m2、飞轮转速800
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1200r/min、焊接顶锻力80
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200bar、顶锻保压时间10
‑
30s。2.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中，焊件1的焊接部位外壁开有焊接坡口且内壁设计为台阶结构，焊件2的焊接部位外壁设计为台阶结构且内壁开有焊接坡口。3.根据权利要求2所述的一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法，其特征在于：所述焊件1外壁焊接坡口角度为α、焊接坡口小径为D3，内壁台阶直径为D4、台阶高度为H1；焊件2内壁焊接坡口角度为α、焊接坡口大径与焊件1外径D1一致、小径D6与焊件1焊接坡口小径D3一致，外壁台阶直径D7、台阶高度H2。4.根据权利要求3所述的一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法，其特征在于：80
°
≤α≤100
°
，30mm≤D1
‑
D3≤40mm，10mm≤D3
‑
D4≤15mm，10mm≤H1≤30mm，5mm≤D5
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D7≤10mm，50mm≤H2≤70mm。5.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属管接头惯性摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中，焊接工装包括内撑工装与外箍工装，内撑工装装配焊件1，包括楔形件1、楔形件2和连接螺栓，楔形件1由不少于4个楔形等分块组成，等分块为L型结构，等分块有设有通孔；楔形件2为整体T形锥台结构；将等分块依次放置于焊件1内壁台阶组成楔形件1，再将楔形件2压入楔形件1的内孔，使得楔形件1的等分块向外扩张将焊件1的焊接部位产生弹性变形，通过控制楔形件...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑森木，文远华，沈勇，吴江巍，王刚，
申请(专利权)人：四川航天长征装备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：