一种管板结构胀焊一体化的固相扩散连接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种摩擦焊接方法，具体涉及一种利用摩擦热为热源，实现管板结构胀焊一体化的固相扩散连接方法。
【背景技术】
[0002]管板结构是目前应用最广泛的换热器形式，将换热管与管板进行连接后，就可以作为装置，实现换热的功能。换热器在化工、石油、食品等许多工业生产中占有重要地位，应用广泛。管板结构是换热器中常见的一种结合结构，常采用胀接、焊接和胀焊并用的方式进行连接，由于管口接头长期承受压差对管子产生的轴向负荷、多次反复冷却、加热、高压和介质腐蚀疲劳破坏等作用，管口焊缝质量尤为重要，特别是力学性能和密封性。如果焊缝中存在裂纹、气孔等缺陷，在交变应力的作用下，容易导致缺陷扩展，以致发生泄漏。胀接是依靠管子的塑性变形达到密封和机械连接，在高温下蠕变释放残余应力，并使材料的刚性下降，热膨胀应力增大，引起接头处发生松弛，甚至脱落。熔化焊接的方法可以保证连接处一定的密封性和强度，然而焊缝处存在应力集中，且管与管板之间存在间隙，在腐蚀介质中容易产生间隙(应力)腐蚀。胀焊并用是目前普遍使用的方法，目的在于综合利用胀接和焊接各自的优点，既保证强度又可消除间隙腐蚀。在实际生产中，一般采用先焊后胀或者先胀后焊的顺序，这样一来会使连接过程复杂化，管子与管板之间材料的匹配、胀管压力、焊接材料、焊接参数等诸多因素都会对连接质量产生影响，特别是针对管子-管板异种材料的熔化焊接，极易产生裂纹、应力集中等缺欠，最终导致生产效率降低，成本增加。
【发明内容】
[0003]本发明为解决利用胀接、熔焊及其组合的方法实现换热器管子与管板之间连接时出现的高温接头松弛、间隙腐蚀、生产工艺复杂、成本高等问题，提供了一种管板结构胀焊一体化的固相扩散连接方法。
[0004]本发明的一种管板结构胀焊一体化的固相扩散连接方法是通过以下步骤实现的:
[0005]步骤一、焊前清理:先通过机械打磨除去管子和管板待焊区材料表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭管子和管板的表面，去除油污和金属粉尘；
[0006]步骤二、管子与管板的装卡:装卡时管子外壁与管板内孔之间的间隙为e，管子的上端伸出管板上端面的长度为k ;
[0007]步骤三、摩擦焊接:高速旋转摩擦头以一定的压入速度扎入管子的内孔中，使管子在摩擦头与管子之间摩擦产热，管子形变产热逐渐达到热塑性状态；当摩擦头的轴肩压入管板上表面深度t时，摩擦头保持高速旋转并停留Is?10s，之后将摩擦头匀速提起，管板与管子之间原子扩散并形成冶金结合，从而获得一体化的固相扩散连接的换热管。
[0008]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0009]—、本发明是一种通过非消耗的摩擦头与管壁之间的摩擦产热及管壁材料在摩擦针旋转带动下的强形变产热共同作用下形成的固相扩散连接方法。
[0010]二、摩擦针的直径Φ1大于管子的内径a，在摩擦针扎入管子内径时，摩擦针向外挤压管子，达到胀接的目的；与此同时，在摩擦热和强形变诱导下，原子快速扩散，在管子外壁与管板内壁间形成扩散焊接头。
[0011]三、管子的端部伸出长度k在与摩擦头轴肩相互作用过程中形成冶金连接和机械啮合共同作用的区域f，如图3所示，既保证了接头密封性还增强了接头力学性能。
[0012]四、本发明方法可应用于绝大多数有色金属和钢质的管板结构，不仅适用于管子-管板为同种材料的情况，还可用于铜/钢、招/钢，钛/钢等异种材料的连接。
[0013]五、本发明方法是固相连接，无熔化现象，可避免熔焊中的裂纹、气孔、夹渣、应力集中等问题。
[0014]六、本发明方法能实现换热器管板结构的胀焊一体化同时完成，工序简单，生产效率高，且无需添加材料及保护气等，成本低。
[0015]七、本发明方法无弧光、烟尘等对人有害的物资产生，是一种绿色、高质、高效的新方法。
【附图说明】
[0016]图1是本发明方法步骤二的示意图；
[0017]图2是本发明方法步骤三中摩擦头3与管子1摩擦产热并达到热塑性状态的示意图；
[0018]图3是本发明方法步骤三中摩擦头3的轴肩3-1压入管板2上表面深度t的示意图；
[0019]图4是本发明方法步骤三中将摩擦头3匀速提起的示意图。
[0020]图5是本发明方法步骤三中获得一体化固相扩散连接的换热管的示意图。
【具体实施方式】
[0021]【具体实施方式】一:结合图1?图5说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的:
[0022]步骤一、焊前清理:先通过机械打磨除去管子1和管板2待焊区材料表面氧化膜，再采用有机溶剂或清洗剂擦拭管子1和管板2的表面，去除油污和金属粉尘；
[0023]步骤二、管子1与管板2的装卡:装卡时管子1外壁与管板2内孔之间的间隙为e，管子1的上端伸出管板2上端面的长度为k，见图1 ;
[0024]步骤三、摩擦焊接:高速旋转摩擦头3以一定的压入速度扎入管子1的内孔中，使管子1在摩擦头3与管子1之间摩擦产热，管子1形变产热逐渐达到热塑性状态，见图2 ;当摩擦头3的轴肩3-1压入管板2上表面深度t时，见图3，摩擦头3保持高速旋转并停留Is?10s，之后将摩擦头3匀速提起，见图4，管板2与管子1之间原子扩散并形成冶金结合，从而获得一体化的固相扩散连接的换热管，见图5。
[0025]【具体实施方式】二:结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤一中有机溶剂为酒精或丙酮。其它步骤与【具体实施方式】一相同。
[0026]【具体实施方式】三:结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤二中管子1外壁与管板2内孔之间的间隙e为0.05mm?0.25_。根据所选材料及性能选取间隙e的数值。其它步骤与【具体实施方式】一或二相同。
[0027]【具体实施方式】四:结合图1说明本实施方式，本实施方式为步骤二中管子1的上端伸出管板2上端面的长度k为0?2mm。根据所选材料及性能选取长度k的数值。其它步骤与【具体实施方式】三相同。
[0028]【具体实施方式】五:结合图1?图4说明本实施方式，本实施方式为步骤三中摩擦头3的材质为陶瓷或硬质合金。其它步骤与【具体实施方式】一、二或四相同。
[0029]【具体实施方式】六:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为步骤三中摩擦头3的摩擦针3-2为无螺纹圆台式结构，其长度L取值范围为5mm?25m