錯(cuò)位摩擦焊接裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于石油鉆井工具焊接領(lǐng)域，具體為一種錯(cuò)位摩擦焊接裝置及方法。解決現(xiàn)有摩擦焊接技術(shù)無法準(zhǔn)確焊接非圓形工件的技術(shù)問題，兩個(gè)被焊接的工件之間為直線往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，具體是首先在一個(gè)工件接頭上銑方形槽，在另一個(gè)焊接工件上車出方形定位條，摩擦焊接時(shí)該焊接工件上的方形條嵌入工件接頭的方形槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鑲嵌定位；摩擦焊接前，要用高頻線圈對(duì)工件接頭與工件端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，同時(shí)工件延縱向方向移動(dòng)；當(dāng)摩擦達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓。而采用本發(fā)明所述的錯(cuò)位摩擦焊接技術(shù)，直接購(gòu)買方形管，與接頭方對(duì)方焊接，成本降低，加工量大大減少，縮短了生產(chǎn)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】錯(cuò)位摩擦焊接裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油鉆井工具焊接領(lǐng)域，具體為一種錯(cuò)位摩擦焊接裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，當(dāng)時(shí)美國(guó)批準(zhǔn)了這種焊接方法的第一個(gè)專利。該專利是利用摩擦熱來連接鋼纜。隨后德國(guó)、英國(guó)、蘇聯(lián)、日本等國(guó)家先后開展了摩擦焊接的生產(chǎn)與應(yīng)用。我國(guó)是世界上研究摩擦焊接最早的國(guó)家之一，取得了很多引人注目的成果。多年來，摩擦焊接以其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無污染的技術(shù)特色，深受制造業(yè)的重視，特別是不斷開發(fā)出摩擦焊接的新技術(shù)，如超塑性摩擦焊接、線性摩擦焊接、攪拌摩擦焊接等，使其在航空、航天、核能、海洋開發(fā)等高【技術(shù)領(lǐng)域】及電力、機(jī)械制造、石油鉆探、汽車制造等產(chǎn)業(yè)部門得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。摩擦焊技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出很多種摩擦焊接的分類:摩擦螺柱焊、摩擦堆焊、第三體摩擦焊、嵌入摩擦焊、慣性摩擦焊、攪拌摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊和摩擦疊焊等。傳統(tǒng)摩擦焊方法都是全截面摩擦焊接。而且傳統(tǒng)的摩擦焊接主要針對(duì)焊接面為圓形，而且面積基本相等的材料，通過相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高溫實(shí)現(xiàn)兩個(gè)材料的融合焊接。
[0003] 申請(qǐng)人:生產(chǎn)的產(chǎn)品主要為異形柱狀產(chǎn)品，如三方，四方，六方的鉆桿鉆柱等產(chǎn)品。以四方柱體焊接為例，現(xiàn)在通用摩擦焊機(jī)及焊接方法不能保證兩個(gè)被焊零件按不同的截面的定位要求焊到一起，兩個(gè)異形截面或非圓周體面按照精確尺寸進(jìn)行摩擦后焊接不可能完全對(duì)正，如果是圓形，則完全不存在焊接后對(duì)正的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有摩擦焊接技術(shù)無法準(zhǔn)確焊接非圓形工件的技術(shù)問題，提供了一種錯(cuò)位摩擦焊接方法及裝置。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種錯(cuò)位摩擦焊接方法，特征是兩個(gè)被焊接的工件之間為直線往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，具體是首先在一個(gè)工件接頭上銑方形槽，在另一個(gè)焊接工件上車出方形定位條，摩擦焊接時(shí)該焊接工件上的方形條嵌入工件接頭的方形槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鑲嵌定位；摩擦焊接前，要用高頻線圈對(duì)工件接頭與工件端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度250-300°C，摩擦面積不大于截面積的5-8% ;移動(dòng)頻率300HZ，同時(shí)工件延縱向方向移動(dòng)；當(dāng)摩擦達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓。
[0006]所使用的焊接裝置結(jié)構(gòu)包括往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)夾具，移動(dòng)導(dǎo)軌，固定夾具，固定基座，高頻線圈，在固定夾具上設(shè)有可彈出的定位銷，在移動(dòng)夾具上設(shè)有定位槽，所述的定位槽外部分為錐狀，內(nèi)部分為柱孔，柱孔直徑和定位銷相同。
[0007]在移動(dòng)夾具內(nèi)夾裝工件接頭，在固定夾具座上夾裝著焊接工件，往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使移動(dòng)夾具通過在移動(dòng)導(dǎo)軌上延橫向來回移動(dòng)進(jìn)行摩擦焊接作業(yè)，移動(dòng)頻率300HZ，同時(shí)工件延縱向方向移動(dòng)；當(dāng)摩擦達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓。
[0008]摩擦焊接前，要用高頻線圈對(duì)工件接頭與工件端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度250-300°C，摩擦面積不大于截面積的5-8% ;達(dá)到設(shè)定的摩擦?xí)r間，控制系統(tǒng)發(fā)出定位指令，電磁鐵失電，定位銷在壓簧的彈力作用下伸出，插入定位法蘭盤的定位槽中，焊接工件和工件接頭完全準(zhǔn)確定位并且焊接在一起。
[0009]錯(cuò)位摩擦焊后對(duì)焊口進(jìn)行深冷氮化強(qiáng)化性能。
[0010]與現(xiàn)有摩擦焊接技術(shù)相比，本發(fā)明所述的摩擦焊機(jī)裝置的主卡具機(jī)頭圓周運(yùn)動(dòng)方向發(fā)明成Z或Y軸直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過工件上的定位槽和定位條配合，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)異形焊體窄面積的相對(duì)直線往復(fù)錯(cuò)位高速摩擦，成功解決異形截面或相同截面直接摩擦焊接。很好的解決了異形截面或相同截面金屬的直接摩擦焊接，主要用于相對(duì)位置有要求的工件，如三方鋼、四方鋼、六方鋼等，及貴重金屬材料直接成型錯(cuò)位對(duì)焊，要求工件焊后棱邊對(duì)齊，方向?qū)φ蛭恢脻M足要求。最大減少加工余量，極大降低成本，做到精確焊接。
[0011]因此現(xiàn)有的摩擦焊接只能焊接等圓柱形，而本發(fā)明所述的錯(cuò)位摩擦焊接技術(shù)可以焊接異形管，含三方、四方、六方等?，F(xiàn)有的石油鉆井方鉆桿多采用購(gòu)買實(shí)心圓柱材料，經(jīng)過鉆孔銑方車螺紋制造。加工量大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高。而采用本發(fā)明所述的錯(cuò)位摩擦焊接技術(shù)，直接購(gòu)買方形管，與接頭方對(duì)方焊接，成本降低，加工量大大減少，縮短了生產(chǎn)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。尤其在鈦合金異形管材摩擦對(duì)焊中，由于采用了錯(cuò)位精確焊接技術(shù)，減少原材料達(dá)50%以上。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于，定位槽導(dǎo)入部分的直徑比定位銷略大，這樣可以起到導(dǎo)向作用，也就是強(qiáng)制定位。定位銷比較容易插入到定位槽口，并且隨著壓力逐漸向里插入，定位槽最里端的尺寸和定位銷完全一致，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)定兩工件相對(duì)位置對(duì)中時(shí)，定位銷完全插入定位槽內(nèi)，從而完成焊接工件和工件接頭的定位，定位精度達(dá)到了 ±0.30。
[0013]只有I級(jí)摩擦，沒有2級(jí)摩擦，緩慢梯度頂壓。由于接頭熔點(diǎn)高于管體，管體先塑化，飛邊擠向一邊，不能同時(shí)產(chǎn)生飛邊?？刂骑w邊溫度在980-1300°C，使飛邊處于塑變體狀態(tài)。
[0014]由于采用錯(cuò)位摩擦焊接，相對(duì)摩擦移動(dòng)范圍窄。摩擦運(yùn)動(dòng)中的熱場(chǎng)分布對(duì)金屬流向產(chǎn)生應(yīng)力軸向集中，因此，利用焊后高溫場(chǎng)采用深冷氮化處理有利改善焊接組織結(jié)構(gòu)的均勻性，比傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱處理更加均勻。
[0015]本發(fā)明的主要特點(diǎn)如下:
1、摩擦焊接時(shí)金屬產(chǎn)生高溫?zé)崴茏凅w，由于切線摩擦錯(cuò)位面積窄狹，以孔部壁厚為主，摩擦面積不大于截面積的5-8%。焊接體的凸凹定位結(jié)構(gòu)。
[0016]2、只有I級(jí)摩擦，沒有2級(jí)摩擦，緩慢梯度頂壓，持續(xù)頂壓。
[0017]3、剎車定位頂鍛，當(dāng)達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓。
[0018]4、移動(dòng)夾具夾持工件接頭在移動(dòng)導(dǎo)軌上延Z方向前后摩擦移動(dòng)或Y方向上下摩擦移動(dòng)結(jié)構(gòu)。
[0019]5、摩擦焊接前，要用高頻線圈(10000Hz)對(duì)工件接頭與工件端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度650-750°C，線圈面積與凹形焊接工件面積相同，外型相同。
[0020]6、固定夾具座上安裝有定位銷，移動(dòng)夾具座上與定位銷對(duì)應(yīng)有定位槽，通過定位銷插入定位槽內(nèi)完成定位及定位結(jié)構(gòu)。
[0021 ] 7、摩擦焊接完成后的深冷氮化處理方式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖2為本發(fā)明所述焊接工件接面結(jié)構(gòu)圖；
圖3為焊接工件接觸圖；
圖4為定位銷的驅(qū)動(dòng)部分控制原理圖；
圖5為驅(qū)動(dòng)移動(dòng)夾具的機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖；
圖中:1-移動(dòng)夾具，2-固定夾具，3-定位槽，4-定位銷，5-工件接頭，6-工件，7-移動(dòng)導(dǎo)軌，8-固定基座，9-高頻線圈，10-油缸。

【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖2、3所示意，一種錯(cuò)位摩擦焊接方法，特征是兩個(gè)被焊接的工件之間為直線往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，具體是首先在一個(gè)工件接頭上銑方形槽，在另一個(gè)焊接工件上車出方形定位條，摩擦焊接時(shí)該焊接工件上的方形條嵌入工件接頭的方形槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鑲嵌定位；摩擦焊接前，要用高頻線圈對(duì)工件接頭與工件端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度250-300°C，摩擦面積不大于截面積的5-8% ;移動(dòng)頻率300HZ，同時(shí)工件延縱向方向移動(dòng)；當(dāng)摩擦達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓。
[0024]如圖1所示意，所使用的焊接裝置結(jié)構(gòu)包括往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)夾具1，移動(dòng)導(dǎo)軌7,固定夾具2，固定基座8，高頻線圈9，在固定夾具2上設(shè)有可彈出的定位銷4，在移動(dòng)夾具上設(shè)有定位槽3，所述的定位槽3外部分為錐狀，內(nèi)部分為柱孔，柱孔直徑和定位銷4相同。
[0025]所述的往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為液壓控制，通過油缸10來控制移動(dòng)導(dǎo)軌7運(yùn)動(dòng)。
[0026]所述的可彈出的定位銷(即剎車限位裝置)的控制系統(tǒng)如圖4所示意，通過系統(tǒng)控制電磁鐵，使壓簧帶動(dòng)定位銷彈出。
[0027]固定夾具2上下安裝有4個(gè)定位銷，定位銷前部為錐形，在移動(dòng)導(dǎo)軌7上部安裝著移動(dòng)夾具1，移動(dòng)夾具I上下與定位銷對(duì)應(yīng)有4個(gè)定位槽3，定位槽導(dǎo)入部分的直徑比定位銷大20%，而里面定位槽的直徑與定位銷直徑在配合公差范圍內(nèi)，移動(dòng)夾具座與液壓油缸10連接。在移動(dòng)夾具I內(nèi)夾裝工件接頭5，在固定夾具座上夾裝著焊接工件6。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使移動(dòng)夾具I通過在移動(dòng)導(dǎo)軌7上延橫向來回移動(dòng)進(jìn)行摩擦焊接作業(yè)，移動(dòng)頻率300HZ，同時(shí)工件6延縱向方向移動(dòng)；當(dāng)摩擦達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓。錯(cuò)位摩擦焊后對(duì)焊口進(jìn)行深冷氮化強(qiáng)化性能。
[0028]具體操作方法，摩擦焊接前，要用高頻線圈9對(duì)工件接頭5與工件6端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度250-300°C，然后由數(shù)控系統(tǒng)控制移動(dòng)夾具I帶動(dòng)工件接頭5延Z方向與工件6左右摩擦，以孔部壁厚為主，摩擦面積不大于壁厚的5-8% ；同時(shí)工件6延X方向移動(dòng)，設(shè)定I級(jí)摩擦?xí)r間，壓力，頂鍛壓力，只有I級(jí)摩擦，沒有2級(jí)摩擦，緩慢梯度頂壓。由于接頭熔點(diǎn)高于管體，管體先塑化，飛邊擠向一邊，不能同時(shí)產(chǎn)生飛邊?？刂骑w邊溫度在980-1300°C，使飛邊處于塑變體狀態(tài)。當(dāng)時(shí)間繼電器檢測(cè)到頂鍛時(shí)間到時(shí)，時(shí)間誤差控制在0.03秒以內(nèi)，控制器發(fā)出指令，啟動(dòng)剎車定位頂鍛裝置，該裝置主要由電磁鐵，壓簧，定位銷組成。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出強(qiáng)制定位指令后，電磁鐵失電，定位銷在壓簧的彈力作用下伸出，插入定位法蘭盤的定位槽中。定位槽導(dǎo)入部分的直徑比定位銷大得多，以便起到導(dǎo)向作用，也就是強(qiáng)制定位。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)定兩工件相對(duì)位置對(duì)中時(shí)，定位銷插入定位槽內(nèi)完成定位，定位精度達(dá)到了 ±0.3°。
[0029]因?yàn)槎ㄎ徊蹖?dǎo)入部分的直徑比定位銷大，這樣可以起到導(dǎo)向作用，也就是強(qiáng)制定位。定位銷比較容易插入到定位槽口，并且隨著壓力逐漸向里插入，定位槽最里端的尺寸和定位銷完全一致，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)定兩工件相對(duì)位置對(duì)中時(shí)，定位銷完全插入定位槽內(nèi)，從而完成焊接工件和工件接頭的定位，定位精度達(dá)到了 ±0.3°。
[0030]只有I級(jí)摩擦，沒有2級(jí)摩擦，緩慢梯度頂壓。由于接頭熔點(diǎn)高于管體，管體先塑化，飛邊擠向一邊，不能同時(shí)產(chǎn)生飛邊?？刂骑w邊溫度在980-1300°C，使飛邊處于塑變體狀態(tài)。
[0031]由于采用錯(cuò)位摩擦焊接，相對(duì)摩擦移動(dòng)范圍窄。摩擦運(yùn)動(dòng)中的熱場(chǎng)分布對(duì)金屬流向產(chǎn)生應(yīng)力軸向集中，因此，利用焊后高溫場(chǎng)采用深冷氮化處理有利改善焊接組織結(jié)構(gòu)的均勻性，比傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱處理更加均勻。
【權(quán)利要求】
1.一種錯(cuò)位摩擦焊接方法，其特征是兩個(gè)被焊接的工件之間為直線往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦，具體是首先在一個(gè)工件接頭上銑方形槽，在另一個(gè)焊接工件上車出方形定位條，摩擦焊接時(shí)該焊接工件上的方形條嵌入工件接頭的方形槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)鑲嵌定位；摩擦焊接前，要用高頻線圈對(duì)工件接頭與工件端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度250-300°C，摩擦面積不大于截面積的5-8% ;移動(dòng)頻率300HZ，同時(shí)工件延縱向方向移動(dòng)；當(dāng)摩擦達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓。
2.一種錯(cuò)位摩擦焊接裝置，其特征是，包括往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)夾具(1)，移動(dòng)導(dǎo)軌(7),固定夾具(2)，固定基座(8)，高頻線圈(9)，在固定夾具(2)上設(shè)有可彈出的定位銷(4)，在移動(dòng)夾具上設(shè)有定位槽(3)，所述的定位槽(3)外部分為錐狀，內(nèi)部分為柱孔，柱孔直徑和定位銷(4)相同，所述的往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為液壓控制，通過油缸(10)來控制移動(dòng)導(dǎo)軌(7)運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錯(cuò)位摩擦焊接方法，其特征是在移動(dòng)夾具(I)內(nèi)夾裝工件接頭(5)，在固定夾具(2)上夾裝著焊接工件(6)，往復(fù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使移動(dòng)夾具通過在移動(dòng)導(dǎo)軌上延橫向來回移動(dòng)進(jìn)行摩擦焊接作業(yè)，移動(dòng)頻率300HZ，同時(shí)工件延縱向方向移動(dòng)；當(dāng)摩擦達(dá)到塑變溫度時(shí)剎車限位最終頂壓，摩擦焊接前，要用高頻線圈(9)對(duì)工件接頭與工件端面進(jìn)行高頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度250-300°C，摩擦面積不大于截面積的5-8% ;達(dá)到設(shè)定的摩擦?xí)r間，控制系統(tǒng)發(fā)出定位指令，電磁鐵失電，定位銷在壓簧的彈力作用下伸出，插入定位法蘭盤的定位槽中，焊接工件和工件接頭完全準(zhǔn)確定位并且焊接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的錯(cuò)位摩擦焊接裝置，其特征是，固定夾具(2)安裝有4個(gè)定位銷，定位銷前部為錐形，移動(dòng)夾具(I)上與定位銷對(duì)應(yīng)有4個(gè)定位槽(3)，定位槽導(dǎo)入部分的直徑比定位銷大20%。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK104259652SQ201410408282
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】宮晉文, 宮宜旭, 南永強(qiáng), 宮宜欣, 宮晉福 申請(qǐng)人:山西環(huán)界石油鉆具制造股份有限公司