一种采用棒材搅拌摩擦制造异种管接头的方法

本发明涉及异种材料搅拌摩擦焊接领域，尤其涉及一种采用棒材搅拌摩擦制造异种管接头的方法。

背景技术：

在各领域的产品中，经常需要使用各种管材作为系统介质输送的渠道。不同的管件需要使用不同的管材，在管材的应用实际中，由于管材的长度有限，通常需要多根管材进行连接使用。管件的连接形式多样，主要分为外加连接结构件以及直接连接两类。前者通过密封圈密封紧固的方式连接，虽然安装便捷，可拆卸，但是连接强度较低，稳定性较差，可应用的管径范围比较窄，使用年限受到密封圈的制约。同时，连接处通常会有结构凸出，这会使仪器装备其他结构件的组装存在空间限制，还会带来清洁度差等问题。管件直接连接时通常采用焊接技术，可以实现“无接头连接”，适用范围比较广，接头处连接强度高，更具特殊优势。

随着我国工业的不断发展以及工程技术的不断进步，对产品安全性能及节能环保的要求也不断提高。为满足产品设备的使用要求，实现结构轻量化，通常需要多种材料混合使用，综合发挥其各自在力学性能、工艺性能、经济性等各方面的优势。因此，需要连接使用的相邻两根管材可能会是异种材料，异种管材连接的应用越来越普遍。

由于不同材料的物理性能、化学性能及组织成分等差别较大，所以异种材料的焊接比同种材料的焊接复杂困难许多，对连接技术、连接装置的要求更高。采用熔焊方法容易出现气孔、夹渣、焊不透等焊接缺陷，容易出现废品。而扩散焊、钎焊的焊接效率较低，对工件的尺寸和形状要求比较严格。旋转摩擦焊接头质量好，但当连接薄壁管件时，管件容易受顶锻压力作用发生变形甚至折弯，影响接头性能。搅拌摩擦焊作为一种新型固相连接技术，有效解决了轻合金材料焊接问题，可以实现铝、镁、铜等轻质合金材料高效、优质连接，且在异种材料连接上也表现出独特的优势。焊接时，在摩擦热和塑性变形热的作用下，焊缝两侧的金属软化，在搅拌针的带动下发生塑性流动，经过搅拌针的搅拌和轴肩的锻压作用，形成焊接接头。焊接过程中，材料不熔化，焊缝不存在气孔、夹渣、裂纹等缺陷，操作简单，便于实现自动化。但是焊接过程中待焊工件要承受主轴方向上较大的顶锻力，并且对待焊工件有一定的形状要求，实现管件特别是薄壁管件的搅拌摩擦焊接还存在技术困难。

现有技术公开了一种用于搅拌摩擦焊接异种管状结构的新装置，主要由托盘、托盘轴、轴承、搅拌头和搅拌头固定圆形架组成，通过工作台和搅拌头相互反方向旋转形成更高热量实现两种接管的叠加焊接，适合于轻量化合金管接头搅拌摩擦焊接，解决了现有的不同管径的管材焊接效率低，易出现废品的问题。然而，该方法在焊接同管径的管材时，对管材固定以及搅拌头定位的要求较高。另一方面，在连接薄壁管材时，对搅拌针的下压量难控制，容易出现接头处未连接或压塌变形等问题，影响接头质量。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种采用棒材搅拌摩擦制造异种管接头的方法，能够有效地避免异种薄壁管材直接焊接时出现的焊接效率低、接头力学性能低、尺寸不稳定等问题，从而保证异种薄壁管状结构实现稳定连接，提高使用性能。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种采用棒材搅拌摩擦制造异种管接头的方法，包括：

将材料不同的至少两种棒材依次放入模具，且相邻棒材的对接端契合；

搅拌棒以设定下压量、转速及下压速度完成搅拌摩擦制备过程；在搅拌棒的旋转搅拌作用下，其周围材料产生塑性流动，发生塑性流动的材料被限制在模具和搅拌棒组成的环状空腔内，形成结构件；

取出模具中结构件，经后处理后得到异种管接头。

作为进一步的实现方式，下压过程中，搅拌棒不能直接接触模具；搅拌棒的下压量大于单个棒材的长度，且小于所有棒材对接端契合后的长度之和，以保证在搅拌棒即将接触位于下侧的棒材下表面之前，结束搅拌摩擦制备过程。

作为进一步的实现方式，搅拌棒高速旋转并缓慢插入棒材内部，搅拌棒与棒材摩擦生热，产生的摩擦热使搅拌棒周围材料处于热塑性状态。

作为进一步的实现方式，随着搅拌棒的不断下压，在模具与搅拌棒之间形成的管件材质也随之发生变化；上方管件材质与位于上侧棒材的材质一致，中间管件为所需要的异种管接头，下方管件的材质与下侧棒材的材质一致。

作为进一步的实现方式，去除结构件中多余的下底面，获得管状结构，进一步修整以使管件两端面平整光滑，从而得到异种管接头。

作为进一步的实现方式，在去除结构件多余部分及修整管件结构端面时，需要保留其两端的单一材料管件部分。

作为进一步的实现方式，所述搅拌棒直径小于棒材直径。

作为进一步的实现方式，所述棒材直径相同，棒材按照材质从软到硬的顺序从上到下排列。

作为进一步的实现方式，相邻棒材通过相互配合的凸起与凹槽结构配合。

作为进一步的实现方式，模具内腔中轴线、棒材中心轴线以及搅拌棒的中轴线重合。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式采用棒材搅拌摩擦制造异种管接头，避免了薄壁异种管件直接摩擦焊，降低薄壁管件变形甚至弯折的风险，降低了废品率；保证过渡管接头处力学性能优良，提高了管状结构连接处的使用寿命；便于控制薄壁管材接头处的尺寸精度，提高管状结构接头处的尺寸稳定性。

(2)本发明的一个或多个实施方式所需棒状材料的结构形状简单，可采用机械加工、模锻等方式获得，节省了加工成本；同时搅拌摩擦过程操作简单，便于实现自动化，提高了生产效率。

(3)本发明的一个或多个实施方式无需对现有搅拌摩擦焊接设备进行大量的改造，所需模具结构简单，易于实现快速产业化应用。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图；

图2(a)-图2(e)是本发明根据一个或多个实施方式的制造过程示意图。

其中，1-搅拌棒；2-模具；3-第一棒材；4-第二棒材；5-结构件；6-异种管接头。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种采用棒材搅拌摩擦制造异种管接头的方法，如图1所示，包括：

将材料不同的多种棒材依次放入模具2，且棒材的对接端契合；

搅拌棒1以设定下压量、转速及下压速度完成搅拌摩擦制备过程；在搅拌棒1的旋转搅拌作用下，搅拌棒1周围材料产生塑性流动，发生塑性流动的材料被限制在模具2和搅拌棒1组成的环状空腔内，形成结构件5；

取出模具2中结构件5，经后处理后得到异种管接头6。

在本实施例中，棒材可以是两种或两种以上的金属或非金属材料，例如铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、复合材料、高分子材料等；棒材的个数可以根据实际管接头要求而定。本实施例以两种棒材进行具体描述：

具体的，包括以下步骤：

步骤一：过程前准备：

确定模具2的材质；在本实施例中，采用筒状模具，其顶部开口、内部为空腔。采用两种不同材料的棒材，即第一棒材3、第二棒材4，二者相互靠近的一端形成对接端。

在实施例中，第一棒材3和第二棒材4采用相互配合的凸台与凹槽对接。凸台与凹槽形状和尺寸应当具有一致性，目的是在搅拌摩擦焊接过程中，保证两种材料保持稳定的相对位置关系，同时提供异种材料接触区域，实现异种材料复合塑性流动和焊接。

在本实施例中，凸台与凹槽可以为球形或其他形状；凸台或凹槽高度为棒状材料圆柱部分长度的5％-50％，凸台或凹槽外径为棒材直径的50％-80％。

进一步的，第一棒材3和第二棒材4的直径相同，放入模具2时一般相对较软的材料位于上方，较硬的材料位于下方。在本实施例中，如图2(a)所示，带有凹槽的第二棒材4位于下方，直接接触模具2形内空腔的底面，凹槽一面朝上；带有凸台的第一棒材3位于上方，凸台一面朝下，嵌入第二棒材4的凹槽中，两个棒材形状契合，保证其接触面紧密贴合，避免在搅拌摩擦过程中发生移动。

进一步的，为了保证两种材料能充分接触，搅拌棒1的下压量应大于单个棒材的长度，同时为不损坏模具，搅拌棒1的下压量应小于两个棒材对接端契合后的长度之和。搅拌棒1的端部可以为平面、球面、凸台、凹槽等任意形状。

应当理解的是，异种棒状材料的选择以待连接异种管材为标准，棒材的材质与待连接异种管材的材质应当一致。

进一步的，确定模具2空腔内径φ1、空腔深度h1以及模具壁厚h2。确定待连接异种管件的材质及其壁厚h3，并选择合适的搅拌棒1直径φ2。确定异种棒状材料(棒材)的尺寸，包括棒材直径φ3和棒材长度l1，确定棒材凸台(凹槽)的高度(深度)l2，以及棒材凸台的大径φ4和小径φ5。确定下压量h4，确定搅拌棒1转速ω以及下压速度v。

在本实施例中，搅拌棒转速ω为50-10000rpm的范围内选择，下压速度v可以在0.1-100mm/s的范围内选择。

随后清除异种棒状材料表面的粉尘和油污，保证异种材料接触面的清洁。将两种棒材按凸台与凹槽形状契合，依次放入模具2中。模具2的内径决定过渡管接头(异种管接头6)的外径，为此，应根据后续需连接的管材选择合适的模具2尺寸。

搅拌棒1的直径尺寸决定过渡管接头的内径，搅拌棒1的直径尺寸应当根据后续需连接的异种管材的内径决定，其直径尺寸与后续连接管材的内径应当一致。

进一步的，搅拌棒1的直径尺寸应比棒材直径尺寸要小，以便于焊接过程中搅拌棒旋压入待连接棒状材料的合适位置。

需要说明的是，模具2内腔中轴线，棒状材料中心轴线以及搅拌棒1的中轴线应当重合。

本实施例的搅拌摩擦方法可以制作管壁厚为0.2-20mm的异种过渡管接头。过渡管接头的原材料可以相同或不同；若相同，即为制备同种管接头；若不同，即为制备异种管接头。

步骤二：搅拌摩擦焊接制备过程：

将模具2与棒材固定好，并且确认模具2、棒材、搅拌棒1的相对位置，按照预先选择的下压量、搅拌棒1的转速以及下压速度完成搅拌摩擦制备过程。

需要注意的是，下压过程中，搅拌棒1不能直接接触模具，其下压量应小于两个棒状材料的总长度，保证在搅拌棒1即将接触带凹槽棒状材料的下表面之前，结束搅拌摩擦制备过程。搅拌棒1对棒状材料施加一定的轴向压力使两棒状材料接合面紧密结合在一起。

进一步的，如图2(b)所示，搅拌棒1高速旋转并缓慢插入棒材内部，搅拌棒1与棒材摩擦生热，产生的摩擦热使搅拌棒1周围的金属处于热塑性状态。在搅拌棒1的旋转搅拌作用下，搅拌棒1周围的材料产生塑性流动。发生塑性流动的材料被限制在模具3和搅拌棒1组成的环状空腔内，形成结构件5(管件)。

随着搅拌棒1的不断下压，在模具2与搅拌棒1之间形成的管件的材质也随之发生变化，最上方管件材质与第一棒材3的材质一致，中间管件为所需要的异种材料过渡管接头(异种管接头6)，最下方管件的材质则与第二棒材4的材质一致。

步骤三：后处理：

搅拌摩擦过程完成之后，如图2(c)所示，搅拌棒1回抽，随后取出模具中形成如图2(d)所示的结构件5。去除结构件中多余的下底面，获得管状结构，进一步修整以使管件两端面平整光滑，从而得到如图2(e)所示的异种材料过渡管接头。

在本实施例中，可采用机械加工、电火花切割、火焰切割等材料去除加工方式。

需要说明的是，在去除制备的结构件的多余部分以及修整管件结构的端面时，需要注意保留其两端的单一材料管件部分。以便于将异种管件连接转化成同种材料的管件连接，发挥异种材料过渡管接头的效用。

实施例二：

本实施例采用实施例一所述的方法，制造一种外径为20mm，内径为14mm，壁厚为3mm的铝/铜异种合金过渡管接头，其中两种材料分别为t2铜合金和1050铝合金，具体包括以下步骤：

步骤一：过程前准备：

选择不锈钢模具，确定模具空腔内径φ1为20mm和空腔深度h1为40mm，模具壁厚h2为5mm。待连接异种管件的材质分别为t2铜合金和1050铝合金，壁厚h3为3mm，搅拌棒的直径φ2为14mm。

确定棒状材料直径φ3为19mm和材料长度l1为9mm，确定棒材凸台(凹槽)的高度(深度)l2为2mm，棒材凸台的大径φ4为16mm,其小径φ5为12mm；相应地，凹槽内大径为16mm，小径为12mm。确定下压量h4为12mm，确定搅拌棒转速ω为600rpm，下压速度v为0.5mm/s。

随后清除异种棒状材料表面的粉尘和油污，保证异种材料接触面的清洁。将两种棒状材料按凸台与凹槽形状契合，依次放入模具中。

步骤二：搅拌摩擦过程：

将模具与棒材固定好，并且确认模具、棒材、搅拌棒的相对位置完成之后，按照预先选择的下压量、搅拌棒转速以及下压速度完成搅拌摩擦过程。

步骤三：后处理：

搅拌摩擦过程完成之后，将搅拌棒从棒材中回抽，随后取出模具中新形成的新结构件。去除新结构件中多余的下底面，获得管状结构，进一步修整以使管件两端面平整光滑，从而得到异种材料过渡管接头。可采用机械加工等方式。

实施例三：

本实施例采用实施例一所述的方法，过渡管接头管壁厚为2mm，外径为30mm，内径为26mm的铝/镁异种合金过渡管接头，其中两种材料分别为6061-t6铝合金和az31b-h24镁合金，具体步骤如下：

步骤一：过程前准备：

选择不锈钢模具，确定模具空腔内径φ1为30mm和空腔深度h1为60mm，模具壁厚h2为5mm。待连接异种管件的材质分别为6061-t6铝合金和az31b-h24镁合金，壁厚h3为2mm，搅拌棒的直径φ2为26mm。

确定棒状材料直径φ3为29mm和材料长度l1为9mm，确定棒材凸台(凹槽)的高度(深度)l2为3mm，棒材凸台的大径φ4为27mm,其小径φ5为24mm；相应地，凹槽的大径为27mm,其小径为24mm。确定下压量h4为14mm，确定搅拌棒转速ω为500rpm，下压速度v为0.4mm/s。

随后清除异种棒状材料表面的粉尘和油污，保证异种材料接触面的清洁。将两种棒状材料按凸台与凹槽形状契合，依次放入模具中。

步骤二：搅拌摩擦过程：

将模具与棒材固定好，并且确认模具、棒材、搅拌棒的相对位置完成之后，按照预先选择的下压量、搅拌棒转速以及下压速度完成搅拌摩擦过程。

步骤三：后处理：

搅拌摩擦过程完成之后，将搅拌棒从棒材中回抽，随后取出模具中新形成的新结构件。去除新结构件中多余的下底面，获得管状结构，进一步修整以使管件两端面平整光滑，从而得到异种材料过渡管接头。可采用机械加工等方式。

实施例四：

本实施例采用实施例一所述的方法，过渡管接头管壁厚为3mm，内径为9mm，外径为15mm的铝/钛异种合金过渡管接头，其中两种材料分别为tc4钛合金和2a14铝合金，本实施例中采用棒材搅拌摩擦进行制造，具体包括以下步骤：

步骤一：过程前准备：

选择不锈钢模具，确定模具空腔内径φ1为15mm和空腔深度h1为40mm，模具壁厚h2为5mm。待连接异种管件的材质分别为tc4钛合金和2a14铝合金，壁厚h3为3mm，搅拌棒直径φ2为9mm。

确定棒状材料直径φ3为14mm和材料长度l1为10mm，确定棒材凸台(凹槽)的高度(深度)l2为2mm，棒材凸台的大径φ4为12mm,其小径φ5为8mm；相应地，凹槽的大径为12mm，小径为8mm。确定下压量h4为16mm，确定搅拌棒转速ω为700rpm，下压速度v为0.6mm/s。

随后清除异种棒状材料表面的粉尘和油污，保证异种材料接触面的清洁。将两种棒状材料按凸台与凹槽形状契合，依次放入模具中。

步骤二：搅拌摩擦过程：

将模具与棒材固定好，并且确认模具、棒材、搅拌棒的相对位置完成之后，按照预先选择的下压量、搅拌棒转速以及下压速度完成搅拌摩擦过程。

步骤三：后处理：

搅拌摩擦过程完成之后，将搅拌棒从棒材中回抽，随后取出模具中新形成的新结构件。去除新结构件中多余的下底面，获得管状结构，进一步修整以使管件两端面平整光滑，从而得到异种材料过渡管接头。可采用机械加工等方式。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。