轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热装置及其加热方法与流程

本发明涉及一种轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热装置及其加热方法。

背景技术：

摩擦焊接技术属于固相压力焊，主要可以分为轴向摩擦焊、线性摩擦焊、搅拌摩擦焊与相位摩擦焊等。与熔化焊接方法相比，摩擦焊接方法不存在熔焊过程的疏松、夹杂、气孔及裂纹缺陷；不需保护气体；可以进行异种材料焊接；具有焊接接头性能稳定；热影响区窄、应力低、变形小、完整性高；焊接过程可完全机械化和自动控制，可靠性高，焊接过程优质高效、环境友好、能量输入准确可控等独特优势。但对于硬度高，抗变形能力强、热导率小、常温及高温塑性较差、高温强度高的材料，在焊接过程中极易产生裂纹等焊接缺陷，严重影响接头优质成形，但通过焊接过程中的热处理可以有效解决这个问题。轴向摩擦焊主要可以分为惯性摩擦焊和连续驱动摩擦焊两种，是通过两工件之间摩擦产热，使摩擦面金属达到粘塑性状态，并在顶锻力的作用下焊合区金属通过相互扩散与再结晶形成优质焊接接头的一种焊接方法。轴向摩擦焊因其焊接过程绿色无污染，焊接接头质量稳定可靠，焊接过程可实现完全机械化、自动化，已在石油化工、航空航天、汽车制造等邻域取得了广泛的应用。

线性摩擦焊是一种利用被焊工件接触面在压力作用下相对往复运动摩擦产生热量，从而实现焊接的固态连接方法。它拥有传统熔焊方法无法比拟的优点，与其它摩擦焊如轴向摩擦焊相比较其应用范围更加广泛，可用于非圆形截面等不规则构件的焊接。

技术实现要素：

本发明的发明目的是提供一种轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热装置及其加热方法，既可以对磁性材料在摩擦焊接过程进行加热，也可以对非磁性材料在摩擦焊接过程中进行加热；同时还可以保证摩擦焊接过程正常进行，不会影响焊接过程，也不会对所述加热装置造成损坏。本发明的技术方案是：一种轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热装置：通过调节第一调节螺栓2和第二调节螺栓13调整第一石英加热棒1与第二石英加热棒11的位置，从而控制加热圈的内径，使加热圈内径适合待焊工件，对待焊工件进行焊前预热、焊接过程中加热和焊后保温控制降温速率；轴向摩擦焊接用加热装置由第一石英加热棒1，第一调节螺栓2，第一调节螺母3，第一加热圈支架4，第一不锈钢外壳5，第一加热棒固定线圈6，第一温控器连接电缆7，第一一体式温控器8，第一测温热电偶9，第一热电偶连接导线10组成：第一石英加热棒1通过第一加热棒固定线圈6固定在一起组成一个环形加热圈组件，整个环形加热圈由四个加热圈组件构成，环形加热圈组件通过第一温控器连电缆7与第一一体式温控器8连接在一起，组成整个加热部分，每个加热圈组件通过第一加热棒固定线圈6与第一调节螺栓2连接在一起，加热圈通过第一不锈钢外壳5包裹起来，在第一不锈钢外壳5的45°、135°、225°、315°方向上钻有通孔，第一调节螺栓2通过第一不锈钢外壳5上的通孔和第一调节螺母3装备在一起，第一测温热电偶9通过第一不锈钢外壳5上的通孔固定在加热圈组件的间隙处，第一热电偶连接导线10与第一一体式温控器8相连；线性摩擦焊接用加热装置由第二石英加热棒11，第二调节螺母12，第二调节螺栓13，第二一体式温控器14，第二温控器连接电缆15，第二热电偶连接导线16，第二测温热电偶17，第二不锈钢外壳18，第二加热棒固定线圈19，第二加热圈支架20：第二石英加热棒11通过第二加热棒固定线圈19固定在一起组成方形加热圈组件，整个方形加热圈由四个加热圈组件构成，加热圈组件通过第二温控器连接电缆15与第二一体式温控器17连接在一起，组成整个加热部分，每个加热圈组件通过加第二热棒固定线圈19与第二调节螺栓13连接在一起，加热圈通过第二不锈钢外壳18包裹起来，在第二不锈钢外壳18的0°、90°、180°、270°方向上钻有通孔，第二调节螺栓13通过第二不锈钢外壳18上的通孔和第二调节螺母12装备在一起，第二测温热电偶17通过第二不锈钢外壳18上的通孔固定在第二加热圈组件的间隙处，通过第二热电偶连接导线16与第二一体式温控器14相连。

一种轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热方法，在轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接过程中，将环形加热圈23安放在轴向摩擦焊机主轴工件22与轴向摩擦焊机尾座工件24之间，将方形加热圈33安放在线性摩擦焊机主轴工件32与线性摩擦焊机尾座工件34之间，根据设定的焊接工艺需要，对轴向摩擦焊接工件和线性摩擦焊接工件进行焊前预热、焊接过程加热与焊后保温及控制降温速率，从而完成整个焊接过程，包括如下步骤：

1)、待焊工件焊接面清理：清理待焊轴向摩擦焊接工件和线性摩擦焊接工件表面油污、杂质与污染物等，保持待焊工件焊接面清洁；

2)、装夹工件：把步骤(1)中所清理的轴向摩擦焊接工件装夹在轴向摩擦焊机主轴21与轴向摩擦焊机尾座25上，将线性摩擦焊接工件装夹在线性摩擦焊机主轴31与线性摩擦焊机尾座35上，并调整轴向摩擦焊机主轴工件22与轴向摩擦焊机尾座工件24的位置使轴向摩擦焊机主轴工件22与轴向摩擦焊机尾座工件24对中性良好；调整线性摩擦焊机主轴工件32与线性摩擦焊机尾座工件34的位置使线性摩擦焊机主轴工件32与线性摩擦焊机尾座工件34对中性良好；

3)、调节加热棒位置：根据轴向摩擦焊机主轴工件22、轴向摩擦焊机尾座工件25和线性摩擦焊机主轴工件32、线性摩擦焊机尾座工件34的尺寸大小，分别调节安装在环形加热圈第一不锈钢外壳5上的第一调节螺栓2和安装在方形加热圈第二不锈钢外壳18上的第二调节螺栓13，通过第一调节螺栓2和第二调节螺栓13的运动带动第一石英加热棒1和第二石英加热棒11运动，从而调节环形加热圈和方形加热圈的内径大小；

4)、安放加热圈：完成步骤3)后，分别启动轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，通过轴向摩擦焊机顶锻油缸26、轴向摩擦焊机顶锻油缸支座27和线性摩擦焊机顶锻油缸36、线性摩擦焊机顶锻油缸支座37分别推动轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35向前运动，当轴向摩擦焊机尾座工件24、线性摩擦焊机尾座工件34分别与轴向摩擦焊机主轴工件22、线性摩擦焊机主轴工件32相距2mm时，轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35停止向前运动，然后把环形加热圈23安放在轴向摩擦焊机底座28上，使环形加热圈23处在轴向摩擦焊接主轴工件22与轴向摩擦焊接尾座工件24的伸出部位的中间位置，保证环形加热圈23不与轴向摩擦焊接主轴工件22、轴向摩擦焊接尾座工件25接触；把方形加热圈33安放在线性摩擦焊机底座38上，使方形加热圈33处在线性摩擦焊接主轴工件32与线性摩擦焊接尾座工件34的伸出部位的中间位置，保证方形加热圈33不与线性摩擦焊机主轴工件32、线性摩擦焊机尾座工件34接触；

5)、设置温度：根据待焊工件材料的强度、常温塑性、高温塑性、热导率确定焊接时需要的焊前预热温度，焊接过程中的加热温度以及焊后的保温温度和保温时间，分别通过轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39设置焊前预热温度，预热温度范围为100℃-300℃，焊接过程中加热温度，加热温度范围为500℃-800℃，焊后保温温度以及保温时间，保温温度范围为200℃-700℃，保温时间范围为30min-100min；

6)、开始加热：当在轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39设置好温度以后，打开轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39的加热电源，开始加热；

7)、开始焊接：当轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39显示的温度达到设置预热温度及预热时间以后，分别启动轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，开始进行轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接；轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接结束后，环形加热圈23和方形加热圈33开始保温，当达到设定的保温时间后，关闭轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39的加热电源及总电源。

8)、关闭轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39的加热电源后，从轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机上取走环形加热圈23和方形加热圈33，启动轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，松开轴向摩擦焊机主轴21和线性摩擦焊机主轴31，轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35分别在轴向摩擦焊机顶锻油缸26和线性摩擦焊机顶锻油缸36的作用下向后退500mm后停止，松开轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35，取下轴向摩擦焊接工件和线性摩擦焊接工件，关闭轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，整个轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接及加热过程完成；

本发明装置工作原理：

本发明所述摩擦焊接过程加热装置有两种，一种是环形的，适用于轴向摩擦焊接过程；一种是方形的，适用于线性摩擦焊接过程。如图1所示，所述环形加热装置由第一石英加热棒1，第一调节螺栓2，第一调节螺母3，第一加热圈支架4，第一不锈钢外壳5，第一加热棒固定线圈6，第一温控器连接电缆7，第一一体式温控器8，第一测温热电偶9，第一热电偶连接导线10组成。所述第一一体式温控器8通过所述第一温控器连接电缆7与所述第一石英管加热棒1相连，所述第一石英管加热棒1外面包覆有所述第一不锈钢外壳5，所述第一不锈钢外壳5与所述第一石英加热棒1之间隔有10mm厚优质保温棉，减少温度损耗，提高加热效率。所述第一测温热电偶9通过第一热电偶连接导线10与所述第一一体式温控器8相连，起到实时监测温度的作用。本发明所述轴向摩擦焊接加热装置为环形，可根据工件具体外径大小调节加热组件内径大小。

所述第一不锈钢外壳5在45°、135°、225°、315°方向上钻有通孔，并在通孔位置装有第一调节螺母3，加热组件整体为环形，以90°划分分为四块组件，每一块组件上均布数量相同的第一石英加热棒1；每一块组件上的石英加热棒通过第一加热棒固定线圈6连接在一起，并在90°范围内均布；每一块组件上第一加热棒固定线圈6在45°方向上安装有所述第一调节螺栓2，把所述第一调节螺栓2分别拧入固定在所述第一不锈钢外套5的45°、135°、225°、315°方向上的所述第一调节螺母3里，通过调整所述第一调节螺栓2的伸出长短，便可控制每一块组件里面石英加热棒的位置，从而调节加热圈内径以适合待焊工件。

本发明所述线性摩擦焊接加热装置为方形，如图2所示，由第二石英加热棒11，第二调节螺母12，第二调节螺栓13，第二一体式温控器14，第二温控器连接电缆15，第二热电偶连接导线16，第二测温热电偶17，第二不锈钢外壳18，第二加热棒固定线圈19，第二加热圈支架20组成。所述第二一体式温控器14通过所述第二温控器连接电缆7与所述第二石英管加热棒11相连，所述第二石英加热棒外面包覆有所述第二不锈钢外壳18，所述第二不锈钢外壳18与所述第二石英加热棒11之间隔有10mm厚所述优质保温棉，减少温度损耗，提高加热效率。所述第二测温热电偶17通过第二热电偶连接导线16与所述第二一体式温控器14相连，起到实时监测温度的作用。

本发明所述线性摩擦焊接加热装置为方形，可根据工件具体尺寸调节加热组件尺寸大小，具体实施方案为：所述第二不锈钢外壳18在0°、90°、180°、270°方向上钻有通孔，并在通孔位置装有第二调节螺母12，石英加热组件整体为矩形，分为上下左右四块组件，每一块组件上以相同间隔安置第二石英加热棒11；每一块组件上的第二石英加热棒11通过第二加热棒固定圈19连接在一起；每一块组件第二加热棒固定圈19在中线方向上安装有所述第二调节螺栓13，把所述第二调节螺栓13分别拧入固定在所述第二不锈钢外壳18的0°、90°、180°、270°方向上的所述第二调节螺母12里，通过调整所述第二调节螺栓13的伸出长短，便可控制每一块组件里面第二石英加热棒11的位置，从而调节加热圈组件尺寸以适合待焊工件。

本发明加热方法的技术效果：

本发明装置通过调节螺栓和调节螺母根据待焊工件尺寸大小来调节加热圈内部尺寸大小以适合焊接，通过石英加热棒发出的远红外射线来对焊接工件进行焊前的预热，焊接过程中的加热以及焊后的保温和控制焊件降温速率，实现难焊材料的优质焊接。

本发明所述加热装置采用非接触式的远红外辐射加热技术，加热过程加热圈与焊接工件未接触，既可以对磁性材料在摩擦焊接过程进行加热，也可以对非磁性材料在摩擦焊接过程中进行加热；同时还可以保证摩擦焊接过程正常进行，不会影响焊接过程，也不会对所述加热装置造成损坏。

本发明解决的技术问题是，在轴向摩擦焊接以及线性摩擦焊接时，对于硬度高、抗变形能力强、热导率小、常温及高温塑性差、高温强度高的材料、异种材料以及焊后易产生裂纹等缺陷的难焊材料，通过使用本发明所述加热装置，可以针对不同尺寸、不同工艺要求，对难焊材料进行焊前预热、焊接过程中加热以及焊后保温控制降温速率等方法，来改善材料焊接性，抑制焊接裂纹的产生，减少异种材料焊接时金属间化合物的产生，提高摩擦焊接接头综合性能，实现难焊材料及异质材料的优质焊接。

附图说明

图1轴向摩擦焊接加热圈示意图

图2线性摩擦焊接加热圈示意图

图3轴向摩擦焊接及加热过程示意图

图4线性摩擦焊接及加热过程示意图

具体实施方式

如图2所示，一种轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热装置，通过调节第一调节螺栓2和第二调节螺栓13调整第一石英加热棒1与第二石英加热棒11的位置，从而控制加热圈的内径，使加热圈内径适合待焊工件，对待焊工件进行焊前预热、焊接过程中加热和焊后保温控制降温速率。

所述加热装置与加热方法适用于ti-al间金属间化合物、高温合金、铝-钢异种材料等材料的摩擦焊接。

如图1所示，轴向摩擦焊接与线性摩擦焊接过程中的加热装置，轴向摩擦焊接用加热装置由第一石英加热棒1，第一调节螺栓2，第一调节螺母3，第一加热圈支架4，第一不锈钢外壳5，第一加热棒固定线圈6，第一温控器连接电缆7，第一一体式温控器8，第一测温热电偶9，第一热电偶连接导线10组成：第一石英加热棒1通过第一加热棒固定线圈6固定在一起组成一个环形加热圈组件，整个环形加热圈由四个加热圈组件构成，环形加热圈组件通过第一温控器连电缆7与第一一体式温控器8连接在一起，组成整个加热部分，每个加热圈组件通过第一加热棒固定线圈6与第一调节螺栓2连接在一起，加热圈通过第一不锈钢外壳5包裹起来，在第一不锈钢外壳5的45°、135°、225°、315°方向上钻有通孔，第一调节螺栓2通过第一不锈钢外壳5上的通孔和第一调节螺母3装备在一起，第一测温热电偶9通过第一不锈钢外壳5上的通孔固定在加热圈组件的间隙处，第一热电偶连接导线10与第一一体式温控器8相连；

轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热装置，线性摩擦焊接用加热装置由第二石英加热棒11，第二调节螺母12，第二调节螺栓13，第二一体式温控器14，第二温控器连接电缆15，第二热电偶连接导线16，第二测温热电偶17，第二不第二锈钢外壳18，第二加热棒固定线圈19，第二加热圈支架20：第二石英加热棒11通过第二加热棒固定线圈19固定在一起组成方形第二加热圈组件，整个方形加热圈由四个加热圈组件构成，加热圈组件通过第二温控器连接电缆15与第二一体式温控器17连接在一起，组成整个加热部分，每个加热圈组件通过加第二热棒固定线圈19与第二调节螺栓13连接在一起，加热圈通过第二不锈钢外壳18包裹起来，在第二不锈钢外壳18的0°、90°、180°、270°方向上钻有通孔，第二调节螺栓13通过第二不锈钢外壳18上的通孔和第二调节螺母12装备在一起，第二测温热电偶17通过第二不锈钢外壳18上的通孔固定在第二加热圈组件的间隙处，通过第二热电偶连接导线16与第二一体式温控器14相连。

一种轴向摩擦焊与线性摩擦焊过程中的加热方法，在轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接过程中，如图3所示，将环形加热圈23安放在轴向摩擦焊机主轴工件22与轴向摩擦焊机尾座工件24之间，将方形加热圈33安放在线性摩擦焊机主轴工件32与线性摩擦焊机尾座工件34之间，根据设定的焊接工艺需要，对轴向摩擦焊接工件和线性摩擦焊接工件进行焊前预热、焊接过程加热与焊后保温及控制降温速率，从而完成整个焊接过程，包括如下步骤：

1)、待焊工件焊接面清理：清理待焊轴向摩擦焊接工件和线性摩擦焊接工件表面油污、杂质与污染物等，保持待焊工件焊接面清洁；

2)、装夹工件：把步骤1)中所清理的轴向摩擦焊接工件装夹在轴向摩擦焊机主轴21与轴向摩擦焊机尾座25上，将线性摩擦焊接工件装夹在线性摩擦焊机主轴31与线性摩擦焊机尾座35上，并调整轴向摩擦焊机主轴工件22与轴向摩擦焊机尾座工件24的位置使轴向摩擦焊机主轴工件22与轴向摩擦焊机尾座工件24对中性良好；调整线性摩擦焊机主轴工件32与线性摩擦焊机尾座工件34的位置使线性摩擦焊机主轴工件32与线性摩擦焊机尾座工件34对中性良好；

3)、调节加热棒位置：根据轴向摩擦焊接主轴工件22、轴向摩擦焊接尾座工件25和线性摩擦焊机主轴工件32、线性摩擦焊机尾座工件34的尺寸大小，分别调节安装在环形加热圈第一不锈钢外壳5上的第一调节螺栓2和安装在方形加热圈第二不锈钢外壳18上的第二调节螺栓13，通过第一调节螺栓2和第二调节螺栓13的运动带动第一石英加热棒1和第二石英加热棒11运动，从而调节环形加热圈和方形加热圈的内径大小；

4)、安放加热圈：完成步骤3)后，分别启动轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，通过轴向摩擦焊机顶锻油缸26、轴向摩擦焊机顶锻油缸支座27和线性摩擦焊机顶锻油缸36、线性摩擦焊机顶锻油缸支座37分别推动轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35向前运动，当轴向摩擦焊机尾座工件24、线性摩擦焊机尾座工件34分别与轴向摩擦焊机主轴工件22、线性摩擦焊机主轴工件32相距2mm时，轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35停止向前运动，然后把环形加热圈23安放在轴向摩擦焊机底座28上，使环形加热圈23处在轴向摩擦焊接主轴工件22与轴向摩擦焊接尾座工件24的伸出部位的中间位置，保证环形加热圈23不与轴向摩擦焊接主轴工件22、轴向摩擦焊接尾座工件25接触；如图4所示，把方形加热圈33安放在线性摩擦焊机底座38上，使方形加热圈33处在线性摩擦焊接主轴工件32与线性摩擦焊接尾座工件34的伸出部位的中间位置，保证方形加热圈33不与线性摩擦焊机主轴工件32、线性摩擦焊机尾座工件34接触；

5)、设置温度：根据待焊工件材料的强度、常温塑性、高温塑性、热导率确定焊接时需要的焊前预热温度，焊接过程中的加热温度以及焊后的保温温度和保温时间，分别通过轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39设置焊前预热温度，预热温度范围为100℃-300℃，焊接过程中加热温度，加热温度范围为500℃-800℃，焊后保温温度以及保温时间，保温温度范围为200℃-700℃，保温时间范围为30min-100min；

6)、开始加热：当在轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39设置好温度以后，打开轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39的加热电源，开始加热；

7)、开始焊接：当轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39显示的温度达到设置预热温度及预热时间以后，分别启动轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，开始进行轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接；轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接结束后，环形加热圈23和方形加热圈33开始保温，当达到设定的保温时间后，关闭轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39的加热电源及总电源。

8)、关闭轴向摩擦焊一体式温控器29和线性摩擦焊一体式温控器39的加热电源后，从轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机上取走环形加热圈23和方形加热圈33，启动轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，松开轴向摩擦焊机主轴21和线性摩擦焊机主轴31，轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35分别在轴向摩擦焊机顶锻油缸26和线性摩擦焊机顶锻油缸36的作用下向后退500mm后停止，松开轴向摩擦焊机尾座25和线性摩擦焊机尾座35，取下轴向摩擦焊接工件和线性摩擦焊接工件，关闭轴向摩擦焊机和线性摩擦焊机，整个轴向摩擦焊接和线性摩擦焊接及加热过程完成。