Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов
Владельцы патента RU 2412034:
Овчинников Виктор Васильевич (RU)
Алексеев Вячеслав Владимирович (RU)
Соколов Виктор Петрович (RU)
Гуреева Марина Алексеевна (RU)
Манаков Иван Николаевич (RU)
Рязанцев Владимир Иванович (RU)
Изобретение может быть использовано для выполнения стыковых соединений алюминиевых сплавов. На кромках свариваемых заготовок с обратной стороны выполняют скос в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, катеты которого совмещены с торцевой и обратной стороной заготовок. Величину катета К задают по соотношению K=(0,15-0,40)h, где h - толщина заготовок. Кромки фиксируют на массивной подкладке из материала с низкой теплопроводностью. Сварку осуществляют вращающимся инструментом, состоящим из заплечника и штыря. Штырь в зоне стыка погружают в материал заготовок, а заплечник вводят в контакт с поверхностью заготовок. Инструмент перемещают вдоль стыка свариваемых кромок заготовок со скоростью сварки, при этом рабочий торец штыря инструмента заглубляют в материал заготовок до уровня скоса кромок. Способ обеспечивает повышение прочности соединения за счет устранения в швах дефектов в виде несплошностей при полном проплавлении свариваемых заготовок. 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области сварки и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для выполнения стыковых соединений алюминиевых сплавов.
Известен способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов, при котором используется специальный вращающийся инструмент /Eur. Pat. Spec. 0615480 В1. Improvements relating to friction welding / W.M.Thomas, E.D.Nicholas, J.C.Needham. Опубл. 1995/. Специальный вращающийся инструмент состоит из утолщенной части /заплечник/ и выступающей части (штырь). Инструмент в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью зафиксированных на массивной подкладке соединяемых заготовок. Инструмент вводится таким образом, чтобы штырь внедрился в заготовки, а заплечник коснулся их поверхности. В результате трения штыря и заплечника о заготовку выделяется тепло, которое доводит металл вокруг инструмента до пластичного состояния. Затем инструменту сообщают поступательное движение со скоростью сварки, и материал заготовок, перемещаясь из зоны нагрева в зону охлаждения, огибает штырь и образует соединение.
Недостатком данного способа сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов является образование дефектов в корне шва за счет недостаточного перемешивания металла. Существенным недостатком упомянутого способа является снижение прочности соединения из-за дефектов в корне шва.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов, при котором с обратной стороны свариваемых пластин выполняют скос кромок (см. Pat. US 5611479, B23K 20/12. Friction stir welding total penetration technique / Ch. Posen. Опубл. 1997). Наличие скоса кромок с обратной стороны свариваемых пластин улучшает заполнение этой области при течении металла в пластичном состоянии. Скос кромок выполняется в форме равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами, совмещенными с торцевой и обратной поверхностями свариваемой пластины.
Существенным недостатком прототипа является образование несплошностей в металле соединения при его опускании для заполнения области, образованной скосами на свариваемых кромках.
Технический эффект, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении прочности соединения за счет устранении дефектов в швах при полном проплавлении свариваемых пластин.
Указанный технический эффект достигается тем, что при сварке трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов на заготовках 1 с обратной стороны выполняют скос 2 в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, катеты которого совмещены с торцевой и обратной стороной заготовок 1, кромки фиксируют на массивной подкладке 3, а сварку осуществляют вращающимся инструментом, состоящим из заплечника 4 и штыря 5. Штырь 5 в зоне стыка погружают в материал заготовок 1, а заплечник 4 вводят в контакт с поверхностью заготовок 1. После этого инструмент перемещают вдоль свариваемых кромок со скоростью сварки. Способ отличается тем, что величину катета скоса 2 кромок выбирают из соотношения к=(0,15-0,40)h, где h - толщина свариваемых заготовок, рабочий торец штыря 5 заглубляют в материал заготовок 1 до уровня скоса 2 кромок, причем подкладку 3 выполняют из материала 6 с низкой теплопроводностью.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена схема реализации заявляемого способа;
на фиг.2 - макроструктура соединения на сплаве В-1341 при K=0,12h;
на фиг.3 - макроструктура соединения на сплаве В-1341 при K=0,30h;
на фиг.4 - макроструктура соединения на сплаве В-1341 при K=0,45h;
При величине катета К скоса 2 кромок менее 0,15h в корневой части соединения в процессе сварки не происходит перемешивания металла свариваемых заготовок, разрушения оксидных пленок и образования металлической связи между заготовками (фиг.2). Увеличение катета К скоса 2 кромок до (0,15-0,40)h способствует интенсификации перемешивания металла заготовок в корневой части соединения, разрушению оксидных пленок и повышению прочности сварного соединения (фиг.3). Дальнейшее увеличение катета К скоса 2 кромок более 0,40h сопровождается интенсивным перемешиванием металла в корневой части соединения. Однако в этом случае требуется дополнительный металл для заполнения разделки, образованной скосами на свариваемых заготовках. Этот металл поступает в образовавшуюся разделку из шва под действием инструмента. В данном случае заполнение разделки, образованной скосами кромок соединяемых заготовок, будет сопровождаться возникновением пустот в металле шва (фиг.4). Наличие пустот снижает прочность соединения.
Таким образом, оптимальным является величина скоса свариваемых кромок (0,15-0,40)h.
На формирование соединения и его качество, помимо величины катета К скоса 2 кромок, существенное влияние оказывает глубина погружения штыря в материал соединяемых заготовок 1. Оптимальным следует признать положение штыря 5 инструмента, когда его рабочий торец совмещен с началом катета скоса 2 кромок (точка А на фиг.1). При положении, когда рабочий торец штыря 5 находится выше точки А, в процессе сварки не наблюдается разогрева и перемешивания материала заготовок в области скоса кромок. Это приводит к образованию несплавления в корне шва.
Когда рабочий торец штыря 5 инструмента совмещен с точкой А (фиг.1) или введен в материал глубже, но не более чем на 10% от величины катета скоса кромок, то наблюдается формирование полного проплавления заготовок 1 с заполнением разделки, сформированной скосами кромок соединяемых заготовок. Увеличение глубины введения инструмента в материал заготовок и в разделку, сформированную скосами кромок соединяемых заготовок, приводит к вытеснению пластифицированного материала из-под штыря 5 инструмента с образованием несплошности в корне соединения, что снижает прочность сварного соединения.
Для качественного формирования соединения без дефектов в корневой части шва необходимо обеспечить пребывание металла соединяемых заготовок в этой зоне в пластичном состоянии некоторый промежуток времени. В этом случае обеспечивается перемешивание металла заготовок в корне шва. Для достижения этого эффекта подкладка 3 в зоне соединения на ширине, равной диаметру заплечника, выполнена из материала 6 с низкой теплопроводностью, например из титанового сплава.
Заявляемый способ был опробован при сварке заготовок из алюминиевого сплава В-1341 толщиной 3 мм. Заготовки сваривали стыковым швом. При сварке использовали вертикальный фрезерный станок, оснащенный специальным приспособлением для фиксации свариваемых заготовок. Сварку осуществляли с помощью специального инструмента, состоящего из заплечника диаметром 14 мм и штыря диаметром 3 мм. Глубину погружения штыря в материал заготовок варьировали в зависимости от величины К скоса кромок свариваемых заготовок. Сварку выполняли на скорости 150 мм/мин при частоте вращения инструмента 920 об/мин. Влияние параметров процесса на качество соединения представлено в таблице.
Таблица | |||||||
№ п.п. | h, мм | K | f, мм | D′, мм | σв, МПа | Формирование шва | |
n×h | мм | ||||||
1 | 3 | 0,10h | 0,3 | 2,70 | 14 | 280 | Дефекты в корне шва |
2 | 3 | 0,15h | 0,45 | 2,55 | 14 | 308 | Формирование соединения без дефектов в шве |
3 | 3 | 0,30h | 0,90 | 2,10 | 14 | 317 | |
4 | 3 | 0,40h | 1,20 | 1,80 | 14 | 310 | |
5 | 3 | 0,50h | 1,50 | 1,50 | 14 | 215 | Полости в металле шва |
6 | 3 | 0,30h | 0,9 | 2,10 | 14 | 317 | Соединение без дефектов |
7 | 3 | 0,30h | 0,9 | 2,19 | 14 | 309 | |
8 | 3 | 0,30h | 0,9 | 2,30 | 14 | 285 | Полости в металле шва |
9 | 3 | 0,30h | 0,9 | 2,10 | 15 | 310 | Соединение без дефектов |
10 | 3 | 0,30h | 0,9 | 2,10 | 13 | 277 | Несплавления в корне шва |
Таким образом, заявляемый способ сварки трением с перемешиванием обеспечивает повышение прочности соединения за счет устранения дефектов в корневой части соединения.
Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов, при котором на кромках свариваемых заготовок с обратной стороны выполняют скос в виде прямоугольного треугольника, кромки фиксируют на массивной подкладке, а сварку осуществляют вращающимся инструментом, состоящим из заплечника и штыря, причем штырь в зоне стыка погружают в материал заготовок, а заплечник вводят в контакт с поверхностью заготовок, после чего инструмент перемещают вдоль стыка свариваемых кромок заготовок со скоростью сварки, отличающийся тем, что скос кромок выполняют в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, катеты которого совмещены с торцевой и обратной сторонами заготовок, величину катета K задают по соотношению K=(0,15-0,40)h, где h - толщина заготовок, при сварке рабочий торец штыря инструмента заглубляют в материал заготовок до уровня скоса кромок, а подкладку выполняют из материала с низкой теплопроводностью.