一種環形槽輔助強化管板摩擦形變擴散焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種摩擦焊接方法，具體涉及一種環形槽輔助強化管板摩擦形變擴散焊接方法。
【背景技術】
[0002]換熱器在化工、石油、食品等許多工業生產中占有重要地位，應用廣泛。管-板結構是目前應用廣泛的換熱器形式，這種結構常采用脹接、焊接和脹焊并用的方式進行連接，由于管口接頭長期承受壓差對管子產生的軸向負荷、多次反復冷卻、加熱、高壓和介質腐蝕疲勞破壞等作用，管口焊縫質量尤為重要，特別是力學性能和密封性。脹接是依靠管子的塑性變形達到密封和機械連接，在高溫下蠕變釋放殘余應力，并使材料的剛性下降，熱膨脹應力增大，引起接頭處發生松弛，甚至脫落。特別是針對管子-管板異種材料的熔化焊接，極易產生裂紋、應力集中等缺欠。

【發明內容】

[0003]本發明為解決換熱器管子與管板之間連接時出現的高溫接頭松弛、間隙腐蝕、強度低、生產工藝復雜、成本高的問題，提供了一種利用環形槽輔助強化管-板結構摩擦形變擴散焊接方法。
[0004]本發明的一種環形槽輔助強化管板摩擦形變擴散焊接方法是通過以下步驟實現的:
[0005]步驟一、管板內壁開設環形槽:焊接前在距離管板上表面距離s處開設1?3個環形槽；
[0006]步驟二、焊前處理:先通過機械打磨除去管子內外壁、管板上表面、環形槽表面的氧化膜，再采用有機溶劑或清洗劑擦拭管子和管板的表面，去除油污和金屬粉塵；
[0007]步驟三、管子與管板的裝卡:裝卡時管子外壁與管板內孔之間的間隙為e，且管子上端伸出管板上端面的長度為k，在管板另一端對管子進行機械夾緊；
[0008]步驟四、摩擦焊接:使高速旋轉的摩擦頭以一定的壓入速度扎入管子的內孔中，使管子在摩擦頭與管子之間的摩擦產熱，管子形變產熱逐漸達到熱塑性狀態；由于摩擦針的大端直徑大于管子內徑a、小于管子外徑b，熱塑性化的管子材料在摩擦針的擠壓作用下，逐漸將環形槽填滿并形成機械嚙合；
[0009]步驟五、當摩擦頭的軸肩壓入管板上表面深度t時，摩擦頭保持高速旋轉并停留3s?15s，以保證管板與管子之間原子擴散以形成冶金結合，之后將摩擦頭勻速提起，從而獲得環形槽輔助強化管板摩擦形變擴散焊接的換熱管。
[0010]本發明與現有技術相比具有以下有益效果:
[0011]—、本發明是一種在環形槽機械嚙合輔助下，利用摩擦產熱和形變共同作用下形成的固相擴散連接方法。通過該方法焊接的換熱管解決了管子與管板之間連接時出現的高溫接頭松弛、間隙腐蝕、強度低、生產工藝復雜的問題。同時也降低了生產成本。
[0012]二、環形槽的設計使換熱管和管板之間形成緊密機械嚙合，大大提高了接頭的密封性和力學性能。
[0013]三、在摩擦產熱和強形變誘導下，摩擦針作用區域(環形槽及管板內壁表面)原子快速擴散，在連接界面處形成冶金連接。
[0014]四、摩擦針的直徑大于換熱管內徑a，在摩擦針扎入管內時，向外擠壓換熱管，達到脹接的效果。
[0015]五、換熱管的端部伸出部分k在與摩擦頭軸肩相互作用過程中形成冶金連接和機械嚙合共同作用的區域f，如圖7所示，進一步提高了接頭密封性和接頭力學性能。
[0016]六、本發明方法可應用于絕大多數有色金屬和鋼質的管板結構，不僅適用于管子與管板為同種材料的情況，還可用于銅/鋼、鋁/鋼，鈦/鋼等異種材料的連接。
[0017]七、由于本發明方法是固相連接，無熔化現象，可避免熔焊中的裂紋、氣孔、夾渣、應力集中等問題。
[0018]八、本發明方法無弧光、煙塵等對人有害的物資產生，且無需添加材料及保護氣體等，是一種綠色、尚質、尚效的新方法。
【附圖說明】
[0019]圖1是步驟三中管子1與管板2采用間隙配合的示意圖；
[0020]圖2是圖1的I局部放大圖；
[0021]圖3是焊接前，摩擦頭3正對管子1內孔的示意圖；
[0022]圖4是步驟四中摩擦頭3與管子1摩擦產熱并達到熱塑性狀態的示意圖；
[0023]圖5是步驟五中摩擦頭3的軸肩3-1壓入管板2上表面深度t的示意圖；
[0024]圖6是步驟五中將摩擦頭3勻速提起的示意圖；
[0025]圖7是圖6的II局部放大圖；
[0026]圖8是摩擦頭3的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0027]【具體實施方式】一:結合圖1?圖8說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現的:
[0028]步驟一、管板2內壁開設環形槽2-1:焊接前在距離管板2上表面距離s處開設1?3個環形槽2-1，以輔助強化管-板結構連接強度，見圖1和圖2 ;
[0029]步驟二、焊前處理:先通過機械打磨除去管子1內外壁、管板2上表面、環形槽2-1表面的氧化膜，再采用有機溶劑或清洗劑擦拭管子1和管板2的表面，去除油污和金屬粉塵;
[0030]步驟三、管子1與管板2的裝卡:裝卡時管子1外壁與管板2內孔之間的間隙為e，且管子1上端伸出管板2上端面的長度為k，見圖1，在管板2另一端對管子1進行機械夾緊，防止管子1在焊接過程中沿管板內腔出現縱向滑動；
[0031]步驟四、摩擦焊接:使高速旋轉的摩擦頭3以一定的壓入速度扎入管子1的內孔中，使管子1在摩擦頭3與管子1之間的摩擦產熱，管子1形變產熱逐漸達到熱塑性狀態，見圖3 ;由于摩擦針3-2的大端直徑大于管子1內徑a、小于管子1外徑b，熱塑性化的管子材料在摩擦針3-2的擠壓作用下，逐漸將環形槽2-1填滿并形成機械嚙合，見圖4和圖5 ;
[0032]步驟五、當摩擦頭3的軸肩3-1壓入管板2上表面深度t時，見圖5，摩擦頭3保持高速旋轉并停留3s?15s，以保證管板2與管子1之間原子擴散以形成冶金結合，之后將摩擦頭3勻速提起，見圖6，從而獲得環形槽輔助強化管板摩擦形變擴散焊接的換熱管。
[0033]【具體實施方式】二:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為步驟一中環形槽
2-1的寬度g為2mm?5mm，深度h為0.1mm?0.5mm。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0034]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟一中環形槽2-1距離管板上表面s為3mm?10mm，相鄰兩個環形槽2-1的槽間距j為2mm?8mm。其它步驟與【具體實施方式】一或二相同。
[0035]【具體實施方式】四:結合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟二中有機溶劑為酒精或丙酮。其它步驟與【具體實施方式】三相同。
[0036]【具體實施方式】五:結合圖1說明本實施方式，本實施方式為步驟三中管子1外壁與管板2內孔之間的間隙e為0.05mm?0.3mm。根據所選材料及性能選取間隙e的數值。其它步驟與【具體實施方式】一、二或四相同。
[0037]【具體實施方式