一種管板結(jié)構(gòu)脹焊一體化的固相擴散連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種摩擦焊接方法,具體涉及一種利用摩擦熱為熱源,實現(xiàn)管板結(jié)構(gòu)脹焊一體化的固相擴散連接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]管板結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的換熱器形式,將換熱管與管板進(jìn)行連接后,就可以作為裝置,實現(xiàn)換熱的功能。換熱器在化工、石油、食品等許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位,應(yīng)用廣泛。管板結(jié)構(gòu)是換熱器中常見的一種結(jié)合結(jié)構(gòu),常采用脹接、焊接和脹焊并用的方式進(jìn)行連接,由于管口接頭長期承受壓差對管子產(chǎn)生的軸向負(fù)荷、多次反復(fù)冷卻、加熱、高壓和介質(zhì)腐蝕疲勞破壞等作用,管口焊縫質(zhì)量尤為重要,特別是力學(xué)性能和密封性。如果焊縫中存在裂紋、氣孔等缺陷,在交變應(yīng)力的作用下,容易導(dǎo)致缺陷擴展,以致發(fā)生泄漏。脹接是依靠管子的塑性變形達(dá)到密封和機械連接,在高溫下蠕變釋放殘余應(yīng)力,并使材料的剛性下降,熱膨脹應(yīng)力增大,引起接頭處發(fā)生松弛,甚至脫落。熔化焊接的方法可以保證連接處一定的密封性和強度,然而焊縫處存在應(yīng)力集中,且管與管板之間存在間隙,在腐蝕介質(zhì)中容易產(chǎn)生間隙(應(yīng)力)腐蝕。脹焊并用是目前普遍使用的方法,目的在于綜合利用脹接和焊接各自的優(yōu)點,既保證強度又可消除間隙腐蝕。在實際生產(chǎn)中,一般采用先焊后脹或者先脹后焊的順序,這樣一來會使連接過程復(fù)雜化,管子與管板之間材料的匹配、脹管壓力、焊接材料、焊接參數(shù)等諸多因素都會對連接質(zhì)量產(chǎn)生影響,特別是針對管子-管板異種材料的熔化焊接,極易產(chǎn)生裂紋、應(yīng)力集中等缺欠,最終導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低,成本增加。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明為解決利用脹接、熔焊及其組合的方法實現(xiàn)換熱器管子與管板之間連接時出現(xiàn)的高溫接頭松弛、間隙腐蝕、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高等問題,提供了一種管板結(jié)構(gòu)脹焊一體化的固相擴散連接方法。
[0004]本發(fā)明的一種管板結(jié)構(gòu)脹焊一體化的固相擴散連接方法是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0005]步驟一、焊前清理:先通過機械打磨除去管子和管板待焊區(qū)材料表面氧化膜,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;
[0006]步驟二、管子與管板的裝卡:裝卡時管子外壁與管板內(nèi)孔之間的間隙為e,管子的上端伸出管板上端面的長度為k ;
[0007]步驟三、摩擦焊接:高速旋轉(zhuǎn)摩擦頭以一定的壓入速度扎入管子的內(nèi)孔中,使管子在摩擦頭與管子之間摩擦產(chǎn)熱,管子形變產(chǎn)熱逐漸達(dá)到熱塑性狀態(tài);當(dāng)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(zhuǎn)并停留Is?10s,之后將摩擦頭勻速提起,管板與管子之間原子擴散并形成冶金結(jié)合,從而獲得一體化的固相擴散連接的換熱管。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
[0009]—、本發(fā)明是一種通過非消耗的摩擦頭與管壁之間的摩擦產(chǎn)熱及管壁材料在摩擦針旋轉(zhuǎn)帶動下的強形變產(chǎn)熱共同作用下形成的固相擴散連接方法。
[0010]二、摩擦針的直徑Φ1大于管子的內(nèi)徑a,在摩擦針扎入管子內(nèi)徑時,摩擦針向外擠壓管子,達(dá)到脹接的目的;與此同時,在摩擦熱和強形變誘導(dǎo)下,原子快速擴散,在管子外壁與管板內(nèi)壁間形成擴散焊接頭。
[0011]三、管子的端部伸出長度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(qū)域f,如圖3所示,既保證了接頭密封性還增強了接頭力學(xué)性能。
[0012]四、本發(fā)明方法可應(yīng)用于絕大多數(shù)有色金屬和鋼質(zhì)的管板結(jié)構(gòu),不僅適用于管子-管板為同種材料的情況,還可用于銅/鋼、招/鋼,鈦/鋼等異種材料的連接。
[0013]五、本發(fā)明方法是固相連接,無熔化現(xiàn)象,可避免熔焊中的裂紋、氣孔、夾渣、應(yīng)力集中等問題。
[0014]六、本發(fā)明方法能實現(xiàn)換熱器管板結(jié)構(gòu)的脹焊一體化同時完成,工序簡單,生產(chǎn)效率高,且無需添加材料及保護(hù)氣等,成本低。
[0015]七、本發(fā)明方法無弧光、煙塵等對人有害的物資產(chǎn)生,是一種綠色、高質(zhì)、高效的新方法。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明方法步驟二的示意圖;
[0017]圖2是本發(fā)明方法步驟三中摩擦頭3與管子1摩擦產(chǎn)熱并達(dá)到熱塑性狀態(tài)的示意圖;
[0018]圖3是本發(fā)明方法步驟三中摩擦頭3的軸肩3-1壓入管板2上表面深度t的示意圖;
[0019]圖4是本發(fā)明方法步驟三中將摩擦頭3勻速提起的示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明方法步驟三中獲得一體化固相擴散連接的換熱管的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:結(jié)合圖1?圖5說明本實施方式,本實施方式是通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0022]步驟一、焊前清理:先通過機械打磨除去管子1和管板2待焊區(qū)材料表面氧化膜,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;
[0023]步驟二、管子1與管板2的裝卡:裝卡時管子1外壁與管板2內(nèi)孔之間的間隙為e,管子1的上端伸出管板2上端面的長度為k,見圖1 ;
[0024]步驟三、摩擦焊接:高速旋轉(zhuǎn)摩擦頭3以一定的壓入速度扎入管子1的內(nèi)孔中,使管子1在摩擦頭3與管子1之間摩擦產(chǎn)熱,管子1形變產(chǎn)熱逐漸達(dá)到熱塑性狀態(tài),見圖2 ;當(dāng)摩擦頭3的軸肩3-1壓入管板2上表面深度t時,見圖3,摩擦頭3保持高速旋轉(zhuǎn)并停留Is?10s,之后將摩擦頭3勻速提起,見圖4,管板2與管子1之間原子擴散并形成冶金結(jié)合,從而獲得一體化的固相擴散連接的換熱管,見圖5。
[0025]【具體實施方式】二:結(jié)合圖1說明本實施方式,本實施方式為步驟一中有機溶劑為酒精或丙酮。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0026]【具體實施方式】三:結(jié)合圖1說明本實施方式,本實施方式為步驟二中管子1外壁與管板2內(nèi)孔之間的間隙e為0.05mm?0.25_。根據(jù)所選材料及性能選取間隙e的數(shù)值。其它步驟與【具體實施方式】一或二相同。
[0027]【具體實施方式】四:結(jié)合圖1說明本實施方式,本實施方式為步驟二中管子1的上端伸出管板2上端面的長度k為0?2mm。根據(jù)所選材料及性能選取長度k的數(shù)值。其它步驟與【具體實施方式】三相同。
[0028]【具體實施方式】五:結(jié)合圖1?圖4說明本實施方式,本實施方式為步驟三中摩擦頭3的材質(zhì)為陶瓷或硬質(zhì)合金。其它步驟與【具體實施方式】一、二或四相同。
[0029]【具體實施方式】六:結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式,本實施方式為步驟三中摩擦頭3的摩擦針3-2為無螺紋圓臺式結(jié)構(gòu),其長度L取值范圍為5mm?25m