專利名稱：一種感應(yīng)摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接方法，是一種感應(yīng)摩擦焊接方法的發(fā)明創(chuàng)造。
(二)技術(shù)背景感應(yīng)釬焊和摩擦焊是目前最重要的兩種固相連接方法。摩擦焊的發(fā)展和應(yīng)用已有30多年的歷史?；痉椒ㄊ且粋€(gè)構(gòu)件在壓力下去摩擦另一個(gè)構(gòu)件而產(chǎn)生熱量，一旦產(chǎn)生足夠的熱量后，摩擦運(yùn)動(dòng)就終止，但壓力可以保持或增大一段時(shí)間以促進(jìn)焊接完成。
根據(jù)工件相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)的軌跡，可將摩擦焊分為1.旋轉(zhuǎn)式的摩擦焊。這是最普通的摩擦焊。它是以一工件的中心線為軸，相對(duì)于另一工件作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。然后對(duì)另一工件施加軸向壓力，開(kāi)始摩擦生熱，待加熱到焊接溫度時(shí)，立即停止工件轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)施加更大的軸向壓力進(jìn)行焊接。這種焊接方法主要用于那些接頭部為圓形斷面的工件。
旋轉(zhuǎn)式摩擦焊根據(jù)機(jī)械能輸入工件方式的不同又分為連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊、慣性摩擦焊和弧形摩擦焊。
2.軌道式摩擦焊。在焊接時(shí)，使工件焊接界面上的每一個(gè)點(diǎn)，都在焊接界面平面上相對(duì)于另一工件的焊接界面作同樣軌跡的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡可以是環(huán)形的或往復(fù)直線的。這種摩擦焊僅用于焊接非圓形斷面的工件。
3.攪拌摩擦焊，利用一種特殊結(jié)構(gòu)形式的攪拌頭插入工件的待焊部位，通過(guò)攪拌頭與工件之間的攪拌摩擦產(chǎn)生熱，這種摩擦熱使該金屬處于熱塑性狀態(tài)，并在攪拌頭的壓力下從其前端向后部塑性變形移動(dòng)，從而使待焊件壓焊為一個(gè)整體。
此外，還有其它類型的摩擦焊，如耗材摩擦焊等。其基本原理均為通過(guò)摩擦生熱，從而實(shí)現(xiàn)焊接。
摩擦焊雖然是當(dāng)今焊接領(lǐng)域主要技術(shù)方法之一，是最活躍的研究熱點(diǎn)，但這種摩擦焊方法需要大功率機(jī)械裝置用于摩擦生熱，機(jī)械裝置復(fù)雜，設(shè)備昂貴，只適用于某些特定的零件加工和生產(chǎn)，一般不適合于現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接。由于該方法受到摩擦焊機(jī)主軸電動(dòng)機(jī)功率和施加壓力的限制，目前用此方法焊接的最大的截面只有200cm2。對(duì)盤(pán)狀工件和薄壁管件也很難焊接。
為克服傳統(tǒng)摩擦焊的不足，并充分利用感應(yīng)加熱速度快和效率高的特點(diǎn)，構(gòu)思了一種感應(yīng)摩擦焊接方法。

發(fā)明內(nèi)容一種感應(yīng)摩擦焊接方法，其特征在于要焊接的兩構(gòu)件焊接界面處采用感應(yīng)加熱使其受熱，同時(shí)用兩構(gòu)件間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)使界面清潔，在軸向壓力作用下，使界面緊密結(jié)合，達(dá)到固相連接。
感應(yīng)摩擦焊接系統(tǒng)主要包括主軸系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、機(jī)身、卡盤(pán)、控制系統(tǒng)、感應(yīng)加熱系統(tǒng)、輔助裝置等。
(1)主軸系統(tǒng)主要由主軸箱、主軸電機(jī)、連軸器、傳動(dòng)皮帶等組成。作用是使工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要承受較大的軸向壓力。(2)加壓系統(tǒng)由加壓機(jī)構(gòu)和受力機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)工件大小及結(jié)構(gòu)形式，可以采用不同的加壓方式，如機(jī)械加壓、氣壓、液壓、氣液聯(lián)合加壓等，對(duì)于頂鍛壓力大于50Mp的場(chǎng)合，宜采用液壓方式加壓，液壓機(jī)構(gòu)由油缸、活塞、油管、液壓泵、閥門(mén)、控制器等組成；受力機(jī)構(gòu)用來(lái)平衡摩擦壓力、頂鍛壓力和摩擦扭矩，防止焊機(jī)變形，保持主軸系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的同心度，主要由導(dǎo)軌、拉桿等組成。(3)機(jī)身是焊機(jī)的底座，感應(yīng)摩擦焊機(jī)的主軸箱、導(dǎo)軌、拉桿、一部分加壓機(jī)構(gòu)都裝在機(jī)身上。(4)卡盤(pán)一般是自定心的彈簧卡盤(pán)、三爪卡盤(pán)或液壓虎鉗，用于夾持工件，因此應(yīng)能承受摩擦壓力、頂鍛壓力、和摩擦扭矩的綜合作用。(5)控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器、單片微處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，并配合相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)程序控制和工藝參數(shù)控制。程序控制要完成上料、夾緊工件、感應(yīng)加熱、摩擦、頂鍛焊接、退出工件的順序動(dòng)作和連鎖保護(hù)。工藝參數(shù)控制使焊接過(guò)程按預(yù)定的工藝參數(shù)進(jìn)行，這些工藝參數(shù)主要有感應(yīng)加熱電流和電壓、焊接界面加熱溫度、摩擦轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、頂鍛壓力等。(6)感應(yīng)加熱系統(tǒng)，包括感應(yīng)加熱電源和感應(yīng)線圈。(7)輔助裝置包括自動(dòng)送料、卸料、自動(dòng)切除飛邊裝置等。
感應(yīng)摩擦焊接中根據(jù)焊接工件大小和材質(zhì)不同，其工藝參數(shù)不同，就鋼而言，(1)感應(yīng)加熱功率為3～500Kw，感應(yīng)加熱功率越大，加熱速度越快，可焊接的焊接界面越大；(2)感應(yīng)加熱時(shí)間為2～50秒，感應(yīng)加熱時(shí)間主要影響加熱溫度和加熱范圍；(3)摩擦轉(zhuǎn)速為500～5000r/min，由于感應(yīng)摩擦焊的主要熱源來(lái)自于感應(yīng)加熱，摩擦運(yùn)動(dòng)主要為清除雜質(zhì)，工件直徑越大，轉(zhuǎn)速越慢；(4)摩擦?xí)r間一般為2～15s，在此時(shí)間內(nèi)可徹底清楚焊接界面的雜質(zhì)；(5)摩擦壓力為5～100Mp，摩擦壓力太小不利于清除雜質(zhì)，太大則相應(yīng)的扭矩增大，所需主軸的功率增大；(6)頂鍛壓力的范圍通常在30～500Mp以內(nèi)，要能擠碎和擠出變形層中氧化了的金屬和其他有害雜質(zhì)，并使接頭金屬得到鍛造，結(jié)合緊密。
感應(yīng)摩擦焊接的焊接過(guò)程為焊接時(shí)首先將工件裝卡在焊機(jī)上，焊接界面輕輕接觸在一起，將感應(yīng)加熱線圈纏繞在焊接界面處，感應(yīng)線圈的內(nèi)徑大于焊接界面的外徑10～30mm，感應(yīng)線圈一般采用單層，也可以采用兩層或多層，感應(yīng)線圈徑向纏繞長(zhǎng)度約為10～200mm，橫跨在焊接界面兩側(cè)；然后主控制箱啟動(dòng)感應(yīng)加熱電源，在感應(yīng)加熱線圈中通以5kHz～50kHz交變電流，當(dāng)工件達(dá)到預(yù)定的加熱溫度時(shí)(約為工件塑性變形的溫度)，主軸箱旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，同時(shí)施加一定的軸向壓力，使待焊件的焊接界面相互摩擦，摩擦?xí)r間為2～15s，待焊接界面處的雜質(zhì)清楚完畢后，增大軸向壓力至頂鍛壓力，同時(shí)停止主軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，工件在摩擦力的作用下停止轉(zhuǎn)動(dòng)，最后保持壓力3～10s。整個(gè)焊接過(guò)程根據(jù)工件的大小和材質(zhì)的不同可持續(xù)8至50秒不等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)(1)與熔焊技術(shù)相比，避免了如凝固裂紋、氣孔、氧化等缺陷，熱影響區(qū)小。焊接效率高，焊接質(zhì)量好，工作現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有弧光干擾。(2)與感應(yīng)釬焊相比，本發(fā)明不需要釬料、釬劑為中間結(jié)合體，直接使母材與母材達(dá)到原子間結(jié)合，這樣的結(jié)合強(qiáng)度高。(3)與傳統(tǒng)摩擦焊相比，主軸電動(dòng)機(jī)功率可以大大減小，可焊截面積將大大提高。(4)本發(fā)明使用的感應(yīng)加熱線圈既可以是剛性的也可以是柔性的，因此，可以對(duì)復(fù)雜截面的構(gòu)件進(jìn)行加熱。(5)用本發(fā)明可制成可移動(dòng)式設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)焊接、水下焊接等。(6)本發(fā)明因采用感應(yīng)加熱，可控制熱量的大小和分布，這對(duì)焊接異種金屬材料，更容易獲得滿意的效果。(7)本發(fā)明采用的感應(yīng)加熱法不僅可以作為焊接過(guò)程的主要熱源，還可以作為焊前予熱，焊后熱處理的熱源。


圖1是兩管狀構(gòu)件旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)摩擦焊接方法示意圖。
圖2為一種可移動(dòng)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)摩擦焊接方法示意圖。
圖3是雙感應(yīng)線圈加熱，中間構(gòu)件旋轉(zhuǎn)的感應(yīng)摩擦焊方法示意圖。
圖4是一種線性感應(yīng)摩擦焊接方法示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是兩管狀構(gòu)件旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)摩擦焊接方法示意圖。要焊接的兩管狀構(gòu)件1、2，其端面3、4為被焊接界面。在焊接接頭處纏繞感應(yīng)線圈5，線圈為柔性高頻感應(yīng)圈，并通水冷卻，纏繞層數(shù)為單層或多層，匝數(shù)為5～20匝，線圈內(nèi)徑比工件外徑大10～30mm。焊接時(shí)，在感應(yīng)線圈5中通以交變電流，當(dāng)焊接界面達(dá)到預(yù)定的溫度時(shí)，管子1、2在主軸箱的驅(qū)動(dòng)下作相對(duì)摩擦旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，摩擦運(yùn)動(dòng)清除焊接界面上的雜質(zhì)如氧化皮等，最后焊接界面3、4通過(guò)液壓或氣壓方式(圖中未示出)，在軸向壓力的作用下，形成固相焊接接頭。
感應(yīng)摩擦焊接的工藝參數(shù)是根據(jù)工件的大小、材質(zhì)、金屬的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、冶金性能的變化等制定的。對(duì)于典型的鋼制零件如石油鉆桿管體的焊接，構(gòu)件1、2的材質(zhì)是42MnMo7。直徑為80至140mm左右，可以采用如下的工藝參數(shù)感應(yīng)加熱功率20～100kw。感應(yīng)加熱時(shí)間20～40s摩擦主軸轉(zhuǎn)速500～1000r/min 摩擦?xí)r間3～8s摩擦壓力5～40Mp頂鍛壓力50～130Mp構(gòu)件1、2可以是兩種不同的金屬材料。如構(gòu)件1為耐熱合金，構(gòu)件2為低合金鋼時(shí)，可以采用強(qiáng)規(guī)范下的感應(yīng)摩擦焊，即較短的加熱時(shí)間，配合較大的加熱功率，對(duì)直徑為16mm左右的構(gòu)件，具體焊接參數(shù)為感應(yīng)加熱功率50～200kw。感應(yīng)加熱時(shí)間2～10s；摩擦主軸轉(zhuǎn)速800～2000r/min；摩擦?xí)r間3～8s；摩擦壓力5～40Mp；頂鍛壓力50～130Mp。
構(gòu)件1、2可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)，也可以其中一個(gè)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)不旋轉(zhuǎn)。
圖2為一種可移動(dòng)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)摩擦焊接方法示意圖。這種焊接方法適合于至少有一個(gè)構(gòu)件是小型構(gòu)件的情況，這個(gè)小型構(gòu)件的直徑一般應(yīng)小于30mm，以便于裝卡在一種小型的可以移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。而另一個(gè)構(gòu)件，如圖2中的構(gòu)件2可以是一個(gè)體積、重量較大的構(gòu)件，也可以是一個(gè)小型非圓截面的構(gòu)件，但它可以被裝卡固定在一個(gè)物體上，構(gòu)件1不動(dòng)，小型構(gòu)件2是被夾持在一個(gè)可移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(圖中未畫(huà)出)上，隨旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。構(gòu)件1和構(gòu)件2相接觸的端部裝有感應(yīng)線圈5，當(dāng)交變電流通過(guò)感應(yīng)線圈并在焊接界面3處產(chǎn)生感應(yīng)熱，構(gòu)件1的旋轉(zhuǎn)也輔助產(chǎn)生熱，同時(shí)除去焊接界面3的雜質(zhì)，在構(gòu)件1的另一端部施加壓力，從而形成良好的固相接頭。這種方法也可以用于現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接。由于構(gòu)件直徑較小，當(dāng)構(gòu)件1和2均為碳鋼時(shí)，感應(yīng)加熱功率為3～20kw，感應(yīng)加熱時(shí)間5～15s，摩擦主軸轉(zhuǎn)速1000～5000r/min，摩擦?xí)r間3～8s，摩擦壓力5～20Mp，頂鍛壓力10～80Mp。
對(duì)構(gòu)件2為碳鋼，1為不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)時(shí)，由于不銹鋼的磁導(dǎo)率小，感應(yīng)加熱功率要增大到10～100Kw，感應(yīng)時(shí)間3～10s，摩擦主軸轉(zhuǎn)速1000～5000r/min；摩擦?xí)r間3～8s；摩擦壓力10～50Mp；頂鍛壓力50～130Mp。
圖3是另一種感應(yīng)摩擦焊方法示意圖，是用雙感應(yīng)線圈加熱，中間構(gòu)件旋轉(zhuǎn)的方式，這種形式特別適合大型構(gòu)件，如輸油管線、長(zhǎng)的筒體型構(gòu)件等，構(gòu)件材質(zhì)一般為低合金結(jié)構(gòu)鋼。圖中構(gòu)件1、2為兩個(gè)長(zhǎng)的固定不動(dòng)的管狀構(gòu)件，6為中間連接件。中間連接件6裝卡在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7上，中間連接件6的左端部和右端部分別裝有感應(yīng)加熱線圈5和5’。焊接時(shí)，在感應(yīng)線圈5和5’中通以交變電流，中間構(gòu)件6作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)件1、2固定不動(dòng)。焊接界面3、4及3’、4’在感應(yīng)加熱和摩擦熱的復(fù)合作用下，并依靠摩擦運(yùn)動(dòng)清除各焊接界面上的雜質(zhì)。此時(shí)施加軸向壓力，使焊接界面形成焊接接頭。這種方法適合直徑在150mm以上、焊接界面在100cm2以上的構(gòu)件，感應(yīng)加熱電源的功率100～500Kw，感應(yīng)加熱時(shí)間10～50s，摩擦主軸轉(zhuǎn)速300～500r/min，摩擦?xí)r間3～8s，摩擦壓力20～80Mp，頂鍛壓力80～300Mp。
圖4是一種線性感應(yīng)摩擦焊的施焊方法，構(gòu)件1、2可以是圓截面構(gòu)件，也可以是非圓截面構(gòu)件。感應(yīng)線圈5中通以交變電流，相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)式的，也可以是環(huán)形平動(dòng)形式。相對(duì)運(yùn)動(dòng)由機(jī)械振動(dòng)機(jī)構(gòu)或磁致伸縮機(jī)構(gòu)(圖中未示出)產(chǎn)生，振動(dòng)頻率為1～10kHz，振動(dòng)幅度0.5～1.5mm，對(duì)界面為300mm2的鋼質(zhì)構(gòu)件，采用感應(yīng)加熱功率為30～100Kw，感應(yīng)加熱時(shí)間8～20s，摩擦?xí)r間3～8s，摩擦壓力10～50Mp，頂鍛壓力30～100Mp的工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)成功的焊接。本發(fā)明焊接效率高，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，焊接質(zhì)量容易保證，降低了主軸電機(jī)的功率，焊接設(shè)備的體積和重量較傳統(tǒng)的摩擦焊機(jī)可大大減??；傳統(tǒng)摩擦焊最大焊接界面為200cm2，本發(fā)明的感應(yīng)摩擦焊方法可以焊接更大界面的構(gòu)件，而且加熱時(shí)間短、焊接質(zhì)量好；此外，也可用于非圓形界面構(gòu)件，因此，本發(fā)明具有廣泛的應(yīng)用前途。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)焊接方法，其特征是利用感應(yīng)線圈加熱兩構(gòu)件的焊接界面，利用兩構(gòu)件之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)輔助生熱，清除焊接界面上的氧化皮等雜質(zhì)，然后在壓力的作用下使焊接界面形成焊接接頭，達(dá)到固相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的一種感應(yīng)摩擦焊接方法，其特征在于該方法依據(jù)焊接件的大小和材質(zhì)不同，感應(yīng)加熱功率、加熱時(shí)間、摩擦轉(zhuǎn)速、摩擦?xí)r間、摩擦壓力、頂鍛壓力不同，就鋼而言，其感應(yīng)加熱功率為3～500Kw、加熱時(shí)間2～50秒、摩擦轉(zhuǎn)速500～5000r/min、摩擦?xí)r間2～15s、摩擦壓力5～100Mp、頂鍛壓力30～500Mp。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的一種感應(yīng)摩擦焊接方法，其特征在于感應(yīng)加熱線圈的內(nèi)徑大于焊接界面外徑10～30mm，徑向纏繞長(zhǎng)度10～200mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的一種感應(yīng)摩擦焊接方法，其特征在于構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以有多種類型，如旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)加轉(zhuǎn)動(dòng)、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)等。
全文摘要
本發(fā)明為一種感應(yīng)摩擦焊接方法,其特征在于利用感應(yīng)線圈加熱焊接界面,加熱到一定的溫度后,使兩焊接構(gòu)件作相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng),清除阻礙焊接的氧化皮等雜質(zhì),再對(duì)焊件用力軸向頂壓,從而形成焊接接頭,達(dá)到固相連接。利用本方法焊接效率高,焊接范圍廣,具有傳統(tǒng)摩擦焊方法和感應(yīng)釬焊等方法無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn),是焊接技術(shù)的一個(gè)突破,具有廣泛的發(fā)展前途。
文檔編號(hào)B23K20/12GK1365870SQ0113501
公開(kāi)日2002年8月28日 申請(qǐng)日期2001年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月15日
發(fā)明者齊鉑金, 吳紅杰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)