用于钢管摩擦焊的内腔模具及焊接方法与流程

本发明涉及的是一种摩擦焊领域使用的模具以及焊接方法，具体的说，是一种应用于钢管对接摩擦焊中使用的内腔模具以及焊接方法。

背景技术：

摩擦焊是指利用工件接触面相对运动摩擦而产生的热量作为热源，使工件在压力作用下产生塑性变形从而实现类锻态固相连接的焊接方法。相对于常规的熔化焊接，摩擦焊具有焊缝质量好、焊接效率高、一致性好、可实现异种材料焊接等优点。

摩擦焊技术在厚壁钢管焊接领域得到了一定应用，例如，油田用的钻杆采用摩擦焊工艺连接杆体与螺纹头部。但是，由于摩擦焊生热量较大，导致薄壁钢管在摩擦焊时，对接处在无约束情况下容易产生径向失稳变形，偏离对接焊部位，由此无法实现摩擦焊接。并且，钢管对接摩擦焊时，焊缝内壁处产生飞边，这给后续焊缝处内孔加工造成一定的难度。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种用于钢管摩擦焊的内腔模具及焊接方法,应用该种内腔模具，摩擦焊时放置在钢管里，约束薄壁钢管的径向失稳变形，并且限制焊缝在内壁处产生飞边，由此既可以实现薄壁钢管的摩擦焊接，又可以省略焊缝内壁清理飞边工序。

本发明的技术方案是：该种用于钢管摩擦焊的内腔模具，包括推进端部件，其中：

所述推进端部件包括推进端拉杆、挡圈、推进端支撑筒、轴承、筒支架、陶瓷筒、螺钉、挡环、垫圈、螺母，所述推进端部件用于约束和封堵摩擦焊缝内壁以及支撑推进端薄壁钢管；所述推进端拉杆为细长杆，推进端拉杆轴肩两侧安装两对轴承，并用挡圈、垫圈和螺母固定；所述推进端支撑筒为厚壁圆柱筒形状，用于支撑薄壁钢管，推进端支撑筒内孔的两端大孔处用于安装轴承；所述挡圈为轴用弹性挡圈，用于固定推进端支撑筒处的轴承；所述轴承为两对圆锥滚子轴承，分别安装在推进端拉杆轴肩两侧，一对轴承上安装筒支架，另一对轴承上安装推进端支撑筒，两对轴承用于保证筒支架以及推进端支撑筒自由旋转；所述筒支架为类圆筒形状，筒支架内壁两端大孔用于安装一对轴承，筒支架外壁中间部位安装陶瓷筒，筒支架一端带有径向小螺纹孔，通过螺钉将挡环固定在筒支架外壁一端；所述陶瓷筒为圆筒形，材质为非金属的耐高温陶瓷，陶瓷筒安装在筒支架上，用于摩擦焊时封堵焊缝区域；所述挡环为圆环形，带有径向小孔，通过螺钉固定在筒支架上，用于装卸陶瓷筒；所述螺钉为内六角固定螺钉，用于将挡环固定在支撑筒上；所述挡圈、垫圈和螺母为标准件，用于将轴承顶紧固定在推进端拉杆上。

此外，所述内腔模具还可以包括旋转端部件，所述旋转端部件包括旋转端拉杆、顶丝和旋转端支撑筒，所述旋转端部件用于支撑旋转端薄壁钢管，其中：

所述旋转端拉杆为细长杆，拉杆端部为凸起轴肩，用于挡住旋转端支撑筒；所述旋转端支撑筒为厚壁圆柱筒形状，旋转端支撑筒一端带有径向小螺纹孔，当支撑筒套在旋转端拉杆上时通过顶丝将其固定；所述顶丝为内六角紧固螺钉，用于将旋转端支撑筒固定在旋转端拉杆上。

应用前述内腔模具将两个钢管对接进行摩擦焊的焊接方法为：

第一步，摩擦焊接前，先将两个钢管的预摩擦焊端面以及端部附近内壁加工或者打磨除锈，以避免氧化层进入焊缝里；

第二步，将所述内腔模具的推进端部件和旋转端部件分别放到两个钢管里，推拉推进端拉杆，使陶瓷筒中间位于钢管端面处；将两个钢管分别装卡在摩擦焊机的推进端卡具和旋转端卡具上；

第三步，推进端卡具带动钢管以及推进端部件沿轴向平移，与另一侧的钢管对接上，陶瓷筒封堵对接处的内壁；

第四步，旋转端卡具带动一侧钢管旋转，推进端卡具推动另一侧钢管顶压，两个钢管接触进行摩擦焊接；

第五步，摩擦焊好后，松开推进端卡具，旋转端卡具带动两个钢管一同旋转；在侧面用车刀切削加工焊缝处的外壁飞边；

第六步，松开旋转端卡具，从钢管里抽出推进端部件和旋转端部件，摩擦焊工艺完成，从摩擦焊机上取下钢管。

应用前述内腔模具将一小段薄壁不锈钢管利用摩擦焊接在厚壁碳钢管端部内壁处的方法为：

第一步，摩擦焊接前，先将厚壁碳钢管端部内壁加工一小段扩孔，扩孔直径略大于薄壁不锈钢管外径；

第二步，将内腔模具的推进端部件放到薄壁不锈钢管里，推拉推进端拉杆，使陶瓷筒中间位于钢管端面处；将厚壁碳钢管装卡在摩擦焊机的旋转端卡具上，将薄壁不锈钢管装卡在摩擦焊机的推进端卡具上，卡具卡紧部位对应在支撑筒处；

第三步，推进端卡具带动薄壁不锈钢管以及推进端部件沿轴向平移，插入到厚壁碳钢管端部的扩孔里，与扩孔尾端对接上，陶瓷筒封堵对接处的内壁；

第四步，旋转端卡具带动厚壁碳钢管旋转，推进端卡具推动薄壁不锈钢管顶压，两个钢管在扩孔尾端接触处进行摩擦焊接；

第五步，摩擦焊好后，松开推进端卡具，退回一定距离推进端部件，旋转端卡具带动两个钢管一同旋转，在侧面用车刀切断薄壁不锈钢管；

第六步，松开旋转端卡具，从摩擦焊机上取下厚壁碳钢管，剩余薄壁不锈钢管继续留用，以进行下一个厚壁碳钢管的摩擦焊接。

本发明具有如下有益效果：1、可以实现摩擦焊接壁厚较薄的钢管；2、钢管摩擦焊后焊缝内壁无飞边，节省加工和清理内壁焊缝工序；3、能够将一小段薄壁不锈钢管摩擦焊在厚壁碳钢管端部内壁处；4、整套内腔模具结构简单，制造成本低。

附图说明：

图1为内腔模具的推进端部件；

图2为内腔模具的旋转端部件；

图3为内腔模具的推进端拉杆视图；

图4为内腔模具的旋转端支撑筒剖视图；

图5为内腔模具的推进端支撑筒剖视图；

图6为内腔模具的筒支架剖视图；

图7为在摩擦焊机上的装卡两个薄壁钢管；

图8为在摩擦焊机上的钢管对接和摩擦焊；

图9为在摩擦焊机上的焊后加工焊缝外壁；

图10为两个薄壁钢管摩擦焊接好的焊缝；

图11为在摩擦焊机上的厚壁与薄壁钢管摩擦焊；

图12为在摩擦焊机上的两个厚壁钢管摩擦焊；

图13为在摩擦焊机上的装卡厚壁与薄壁钢管；

图14为在摩擦焊机上的顶进薄壁钢管和摩擦焊；

图15为在摩擦焊机上的退模具与切断薄壁钢管；

图16为钢管端部内壁摩擦焊接好的焊缝。

图中：图中：1、推进端拉杆；2、挡圈；3、推进端支撑筒；4、轴承；5、筒支架；6、陶瓷筒；7、螺钉；8、挡环；9、垫圈；10、螺母；11、旋转端拉杆；12、薄壁钢管；13、旋转端卡具；14、推进端卡具；15、摩擦焊缝；16、厚壁钢管；17、车刀；18、顶丝；19、旋转端支撑筒。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

该种内腔模具可以包括推进端部件和旋转端部件两部分，其中：

如图1所示，所述推进端部件包括推进端拉杆、挡圈、推进端支撑筒、轴承、筒支架、陶瓷筒、螺钉、挡环、垫圈、螺母，用于约束和封堵摩擦焊缝内壁以及支撑推进端薄壁钢管。

如图3所示，所述推进端拉杆为细长杆，拉杆长度略长于预摩擦焊的推进端钢管，推进端拉杆轴肩两侧安装两对轴承，并用挡圈、垫圈和螺母固定，拉杆另一端伸出钢管一小段，通过手动或者卡具来推动拉杆沿轴向平移。

如图5所示，所述推进端支撑筒为厚壁圆柱筒形状，推进端支撑筒内孔的两端大孔处用于安装轴承，推进端支撑筒外径与薄壁钢管内径之间为小间隙配合，当摩擦焊机推进端卡具夹紧薄壁钢管时，推进端支撑筒用于支撑薄壁钢管，保证其不发生塑性变形。

如图6所示，所述筒支架为类圆筒形状，筒支架内壁两端大孔用于安装一对轴承，筒支架外壁中间部位安装陶瓷筒，筒支架一端带有径向小螺纹孔，通过螺钉将挡环固定在筒支架外壁一端。

所述陶瓷筒为圆筒形，材质为非金属的耐高温陶瓷，以避免与焊缝处金属粘接，陶瓷筒安装在筒支架上，陶瓷筒外径与预摩擦焊的钢管内径之间为小间隙配合，用于支撑摩擦焊附近区域薄壁钢管，并约束和封堵摩擦焊部位内壁，使之无法在内壁处产生飞边。

所述挡环为圆环形，带有径向小孔，通过螺钉固定在筒支架上，用于装卸陶瓷筒。

所述挡圈为轴用弹性挡圈标准件，用于固定推进端支撑筒处的轴承。

所述轴承为两对圆锥滚子轴承，分别安装在推进端拉杆轴肩两侧，一对轴承上安装筒支架，另一对轴承上安装推进端支撑筒，两对轴承用于保证筒支架以及推进端支撑筒自由旋转。

所述螺钉为内六角固定螺钉标准件，用于将挡环固定在支撑筒上。

所述垫圈和螺母为标准件，用于将轴承顶紧固定在推进端拉杆上。

如图2所示，所述旋转端部件包括：旋转端拉杆、顶丝、旋转端支撑筒，仅限于摩擦焊旋转端是薄壁钢管时用于支撑薄壁钢管。

所述旋转端拉杆也为细长杆，拉杆端部为凸起轴肩，用于挡住旋转端支撑筒，拉杆长度略长于预摩擦焊的旋转端钢管，拉杆一端安装支撑筒，拉杆另一端伸出钢管一小段，通过手动或者卡具来推动拉杆沿轴向平移。

如图4所示，所述旋转端支撑筒为厚壁圆柱筒形状，支撑筒一端带有径向小螺纹孔，当支撑筒套在旋转端拉杆上时通过顶丝将其固定，支撑筒外径与薄壁钢管内径之间为小间隙配合，当摩擦焊机旋转端卡具夹紧薄壁钢管时，旋转端支撑筒用于支撑薄壁钢管，保证其不发生塑性变形。

所述顶丝为内六角紧固螺钉标准件，用于将旋转端支撑筒固定在旋转端拉杆上。

本发明的内腔模具主要用于四种情况下的钢管摩擦焊接：第一种情况，薄壁钢管与薄壁钢管的对接摩擦焊；第二种情况，薄壁钢管与厚壁钢管的对接摩擦焊；第三种情况，厚壁钢管与厚壁钢管的对接摩擦焊；第四种情况，将一小段薄壁不锈钢管摩擦焊在厚壁碳钢管端部内壁处。

本发明的内腔模具用于两个薄壁钢管对接摩擦焊的使用方法如下，参见图7~图10：

第一步，摩擦焊接前，先将两个钢管的预摩擦焊端面以及端部附近内壁加工或者打磨除锈，以避免氧化层进入焊缝里。

第二步，将内腔模具的推进端部件和旋转端部件分别放到两个薄壁钢管里，推拉推进端拉杆，使陶瓷筒中间位于钢管端面处；将两个薄壁钢管分别装卡在摩擦焊机的推进端卡具和旋转端卡具上，卡具卡紧部位对应在支撑筒处，参见图7。

第三步，推进端卡具带动钢管以及推进端部件沿轴向平移，与另一侧的钢管对接上，陶瓷筒封堵对接处的内壁，参见图8。

第四步，旋转端卡具带动一侧钢管旋转，推进端卡具推动另一侧钢管顶压，两个钢管接触进行摩擦焊接，由于陶瓷筒在内壁的支撑作用，薄壁钢管在加热的对接附近不发生径向变形，并且陶瓷筒的封堵作用使得焊缝处只在外壁产生飞边，参见图8。

第五步，摩擦焊好后，松开推进端卡具，旋转端卡具带动两个钢管一同旋转；在侧面用车刀切削加工焊缝处的外壁飞边，参见图9。

第六步，松开旋转端卡具，从钢管里抽出推进端部件和旋转端部件，摩擦焊工艺完成，从摩擦焊机上取下钢管，参见图10。

本发明的内腔模具用于薄壁钢管与厚壁钢管以及两个厚壁钢管的对接摩擦焊的使用方法与上述两个薄壁钢管对接摩擦焊的使用方法基本相同，区别在于厚壁钢管自身强度足够，其里侧不用安装支撑筒部件，参见图11和图12。

本发明的内腔模具用于将一小段薄壁不锈钢管摩擦焊在厚壁碳钢管端部内壁处的使用方法如下，参见图13~图16：

第一步，摩擦焊接前，先将厚壁碳钢管端部内壁加工一小段扩孔，扩孔直径略大于薄壁不锈钢管外径。

第二步，将内腔模具的推进端部件放到薄壁不锈钢管里，推拉推进端拉杆，使陶瓷筒中间位于钢管端面处；将厚壁碳钢管装卡在摩擦焊机的旋转端卡具上，将薄壁不锈钢管装卡在摩擦焊机的推进端卡具上，卡具卡紧部位对应在支撑筒处，参见图13。

第三步，推进端卡具带动薄壁不锈钢管以及推进端部件沿轴向平移，插入到厚壁碳钢管端部的扩孔里，与扩孔尾端对接上，陶瓷筒封堵对接处的内壁，参见图14。

第四步，旋转端卡具带动厚壁碳钢管旋转，推进端卡具推动薄壁不锈钢管顶压，两个钢管在扩孔尾端接触处进行摩擦焊接，由于摩擦焊部位在钢管内孔处并且陶瓷筒产生封堵作用，焊缝处基本不会产生飞边，参见图14。

第五步，摩擦焊好后，松开推进端卡具，退回一定距离推进端部件，旋转端卡具带动两个钢管一同旋转，在侧面用车刀切断薄壁不锈钢管，参见图15。

第六步，松开旋转端卡具，从摩擦焊机上取下厚壁碳钢管，剩余薄壁不锈钢管继续留用，以进行下一个厚壁碳钢管的摩擦焊接，参见图16。