Способ фрикционной сварки вращающимся диском

Авторы патента:

Кащук Николай Михайлович (RU)

Егоров Антон Витальевич (RU)

Егоров Виталий Николаевич (RU)

Штрикман Михаил Михайлович (RU)

B23K20/12 - нагревом, создаваемым трением; сварка трением

Владельцы патента RU 2496621:

Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) (RU)

Изобретение может использоваться при соединении сваркой трением тонколистовых конструкций, преимущественно из несвариваемых плавлением материалов толщиной от 0,5 до 2 мм. Перед сваркой поверх стыка свариваемых заготовок закрепляют накладную пластину толщиной, равной 0,5-1,0 их толщины, выполненную из материала, идентичного материалу свариваемых заготовок. После подготовки и фиксации заготовки осуществляют перемещение погруженного вращающегося дискового инструмента со скоростью сварки вдоль стыка заготовок с пластифицированием материала заготовок и формированием сварного шва. В процессе сварки вращающийся дисковый инструмент погружают в накладную пластину таким образом, что расстояние от нижней точки инструмента до поверхности свариваемых заготовок составляет 0,1-0,3 их толщины. После сварки остатки пластины удаляют. Способ обеспечивает качественную сварку за счет того, что дисковый инструмент образует соединение через накладную пластину без непосредственного погружения в соединяемые заготовки, при этом накладная пластина играет роль присадки. 4 ил., 1 пр.

Способ фрикционной сварки вращающимся диском

Область техники

Изобретение относится к технологическим процессам, более конкретно, к области сварки трением (фрикционной сварки), и может использоваться в различных областях машиностроения и строительства для соединения стыков преимущественно тонколистовых элементов и узлов конструкций из алюминиевых, магниевых сплавов и других конструкционных материалов, в том числе из несвариваемых плавлением.

Уровень техники

Известен способ сварки трением (авторское свидетельство СССР №195846 от 1967 г., International Patent WO 93/10935 от 1993 г.), по которому инструмент, имеющий форму стрежня, вращают около своей оси и погружают в стык между торцами соединяемых заготовок, а затем перемещают его вдоль линии стыка. При этом работа сил трения пластифицирует свариваемый материал и он переносится в зону, освобождающуюся сзади инструмента, где формируется сварной шов. Недостатком такого способа сварки являются то, что для соединения заготовок толщиной менее 2 мм сложность представляет изготовление инструмента с точными размерами рабочего стержня соответствующей длины, а также поддержание постоянной глубины погружения по всей длине соединения без превышения глубины погружения, что приводит к поломке инструмента.

Известен способ сварки трением (патент РФ №2173619 С1 от 2001 г.), по которому дисковый инструмент, вращающийся вокруг своей оси, погружают через прорезь обжимающего шов дополнительного устройства в стык соединяемых деталей - прототип. При трении вращающегося инструмента (диска) о материал заготовок последний пластифицируется и переносится в зону позади инструмента, где формируется сварной шов. При сварке по данному способу металл шва заполняет оставляемый движущимся диском паз лишь на некоторую часть от толщины соединяемых заготовок таким образом, что в месте соединения остается углубление (высотой 20-60% от толщины соединяемых заготовок), снижающее прочность соединения. Обеспечить полное заполнение паза при данном способе представляется затруднительным.

Также известен способ комбинированной фрикционной сварки (заявление о выдаче патента Российской Федерации на изобретение №1011115606 от 21.04.2011 г.), по которому процесс сварки разделяется на два этапа: первый из них состоит в формировании качественного корневого шва, а второй - в получении полномерного соединения. После выполнения первого прохода методом фрикционной сварки вращающимся диском по всей длине свариваемых заготовок образуется качественно сформированный корневой шов и размерный паз шириной, равной толщине дискового инструмента. На втором этапе в паз закладывают присадку и по ней выполняют второй проход способом фрикционной сварки вращающимся стержневым инструментом. В итоге получается качественное полномерное соединение. Такой способ позволяет получить полномерное соединение, однако его применение целесообразно только при толщине соединяемых заготовок, превышающей 4 мм.

Известен патент на устройство для фрикционной сварки вращающимся стержневым инструментом (US patent №6264088 Bl, 2001.), которое содержит вращающиеся независимо друг от друга опорный бурт и рабочий стержень и позволяет подавать присадку в виде проволоки через внутреннюю полость инструмента. Однако такой способ введения присадки не нашел промышленного применения вследствие сложности обеспечения стабильности подачи проволоки и равномерности обработки и переноса металла рабочим стержнем непосредственно в зону соединения. Также при изгибе проволоки и ее касании корпуса инструмента возможно биение и наматывание присадки на вращающиеся части инструмента.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка способа фрикционной сварки, позволяющего получать качественные соединения тонколистовых конструкций, преимущественно из несвариваемых плавлением материалов толщиной от 0,5 до 2 мм.

Поставленная задача решается тем, что в способе фрикционной сварки вращающимся диском, включающем подготовку и фиксацию заготовок, погружение вращающегося дискового инструмента и перемещение его со скоростью сварки вдоль стыка заготовок с пластифицированием материала заготовок и формированием сварного шва, погружение вращающегося дискового инструмента и перемещение его вдоль шва осуществляют в накладной пластине, установленной и закрепленной поверх стыка свариваемых заготовок, при этом используют накладную пластину с толщиной, равной 0,5÷1 от толщины соединяемых заготовок, из материала, идентичного материалу свариваемых заготовок, а в процессе сварки вращающийся дисковый инструмент погружают в накладную пластину таким образом, чтобы он не касался непосредственно соединяемых заготовок так, чтобы расстояние от нижней точки инструмента до поверхности соединяемых заготовок составляло 0,1-0,3 от толщины соединяемых заготовок, после чего остатки пластины удаляют.

Таким образом, проблема получения полномерного соединения решается за счет того, что дисковый инструмент не погружается непосредственно в соединяемые заготовки, а образует соединение через накладную пластину, которая к тому же играет роль присадки, что позволяет получить качественное соединение тонколистовых материалов.

Перечень чертежей

Предлагаемый способ поясняется чертежами, на которых:

Фигура 1 показывает сборку элементов под сварку с размещением накладной пластины 2;

Фигура 2 показывает погруженный в накладную пластину дисковый инструмент 4;

Фигура 3 показывает выполнение процесса сварки;

Фигура 4 показывает поперечное сечение полученного шва 5.

Обозначения на чертежах:

ω - направление вращения дискового инструмента;

V - вектор скорости перемещения инструмента при сварке;

1 и 1' - соединяемые детали;

2 - накладная пластина;

3 - опорная плита, на которой выполняется процесс сварки;

4 - дисковый инструмент;

5 - сварной шов.

Осуществление изобретения

В соответствии с изобретением фрикционную сварку вращающимся диском, включающую подготовку и фиксацию заготовок, погружение вращающегося дискового инструмента и перемещение его со скоростью сварки вдоль стыка заготовок с пластифицированием материала заготовок и формированием сварного шва осуществляют следующим образом. Погружение вращающегося дискового инструмента и перемещение его вдоль шва осуществляют в накладной пластине, установленной и закрепленной поверх стыка свариваемых заготовок. При этом используют накладную пластину с толщиной, равной 0,5÷1 от толщины соединяемых заготовок, из материала, идентичного материалу свариваемых заготовок. В процессе сварки вращающийся дисковый инструмент погружают в накладную пластину таким образом, чтобы он не касался непосредственно соединяемых заготовок так, чтобы расстояние от нижней точки инструмента до поверхности соединяемых заготовок составляло 0,1-0,3 от толщины соединяемых заготовок, после чего остатки пластины удаляют.

Пример конкретной реализации способа

Заготовки 1 и 1' (при сварке алюминиевых сплавов кромки заготовок рекомендуется протравить и очистить от окислов) толщиной преимущественно 0,5-2 мм (фиг.1) собираются встык под сварку на опорной плите, после чего внахлестку на стык устанавливается накладная пластина (толщиной 0,5-1 мм в зависимости от толщины соединяемых заготовок) и собранная конструкция жестко закрепляется. Непосредственно над линией стыка в накладную пластину погружают (фиг.2) вращающийся со скоростью ω (200÷1500 об/мин) дисковый инструмент 4. После этого инструмент 4, продолжая вращать, перемещают со скоростью V (100÷2000 мм/мин) вдоль линии стыка свариваемых заготовок (фиг.3). При этом бóльшая скорость вращения ω, меньшая скорость перемещения инструмента V применяются для сварки материалов с относительно высокой температурой пластификации, и наоборот. После прохождения инструмента по всей длине соединяемых деталей образуется сварочный шов 5 (фиг.4). Качество полученного соединения проверяется визуальным, ультразвуковым и рентгенографическим методами контроля.

Параметры режима сварки (скорость вращения дискового инструмента и скорость сварки) определяют опытным путем - сваркой контрольных образцов и оценкой качества по отсутствию или наличию дефектов. В частности, были получены качественные бездефектные швы при сварке алюминиевого сплава Д16т толщиной 1 мм дисковым инструментом диаметром 100 мм и шириной 3 мм при скорости вращения 400 об/мин и скорости сварки 100 мм/мин. При сварке применяли накладную пластину сплава Д16т толщиной 1 мм. Исследования макрошлифов соединения показали, что предлагаемый способ сварки обеспечивает получение надежного бездефектного (с отсутствием корневой трещины) соединения при выборе технологических параметров процесса, которые обеспечивают достаточный (до 0,6 от температуры плавления сплава) нагрев стыка соединяемых заготовок.

Сварку образцов выполняли на горизонтально-фрезерном станке, который позволяет осуществлять необходимые технологические перемещения при сварке: поперечное перемещение каретки станка - для установки инструмента на линию стыка; продольное перемещение каретки - для рабочего перемещения инструмента по линии стыка и вертикальное движение каретки - для погружения инструмента.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа сварки

Предлагаемый способ позволит получать сварные соединения тонколистовых конструкций из несвариваемых плавлением материалов, применять интегральные сварные тонколистовые конструкции взамен клепанным, что обеспечит повышение усталостной и статической прочности соединений при одновременном снижении трудоемкости и времени производственного цикла.

Способ фрикционной сварки тонколистовых конструкций вращающимся дисковым инструментом, включающий подготовку и фиксацию заготовок, перемещение погруженного дискового инструмента со скоростью сварки вдоль стыка заготовок с пластифицированием материала заготовок и формированием сварного шва, отличающийся тем, что поверх стыка свариваемых заготовок закрепляют накладную пластину толщиной, равной 0,5-1,0 от их толщины, выполненную из материала, идентичного материалу свариваемых заготовок, в процессе сварки вращающийся дисковый инструмент погружают в накладную пластину таким образом, что расстояние от нижней точки инструмента до поверхности свариваемых заготовок составляет 0,1-0,3 от их толщины, а после сварки остатки пластины удаляют.

Изобретение может быть использовано при изготовлении соединительной штанги, усиленной на всех ее участках за счет использования волокон разной длины. Изготавливают корпус (1) из металлического материала, усиленного длинными волокнами (5), ориентированными, главным образом, вдоль его продольной оси (X).

Способ соединения трубных досок и труб при изготовлении теплообменника и теплообменник // 2488470

Способ получения в деталях внутренних прямолинейных и криволинейных каналов // 2484935

Изобретение относится к получению в деталях внутренних прямолинейных и криволинейных каналов, в том числе каналов, имеющих большую протяженность. .

Усовершенствованные многопоясковые инструменты с закрепленными бобинами для одновременной сварки трением с перемешиванием множества параллельных стенок между деталями // 2484934

Способ сварки трением // 2483849

Изобретение относится к сварке трением и может быть использовано в различных отраслях промышленности при производстве сварных деталей из однородных и разнородных материалов.

Способ получения соединения деталей // 2481916

Изобретение относится к области соединения металлических деталей и может быть использовано в авиастроении, судостроении и других отраслях машиностроения. .

Конструктивный элемент летательного аппарата, размещенный на границе раздела между крылом и фюзеляжем // 2478519

Изобретение относится к конструктивным металлическим элементам, принадлежащим кессону центроплана самолета, в особенности к конструкции и способу изготовления и сборки такого элемента.

Устройство для сварки трением длинномерных деталей // 2476298

Изобретение относится к устройствам для сварки трением длинномерных деталей, в частности железнодорожных рельсов, труб, стержней и других удлиненных деталей с помощью установленной между концами деталей подвижной промежуточной вставки, обеспечивающей нагрев контактных поверхностей за счет трения.

Сборочный узел из нескольких плит, наложенных друг на друга, выполненный сваркой трением // 2470196

Изобретение относится к сборочному узлу из нескольких наложенных друг на друга плит, выполненному сваркой трением, в котором плиты удерживаются вместе соединительным элементом, который опирается буртом на верхнюю плиту и имеет форму пологого конуса с вершиной, причем в области бурта соединительного элемента имеется захват для установки инструмента, обеспечивающего давление и вращение.

Способ комбинированной фрикционной сварки тавровых соединений // 2466839

Изобретение относится к технологическим процессам сварки, более конкретно к области сварки трением (фрикционной сварки), и может использоваться в различных областях машиностроения и строительства для создания тавровых соединений большой протяженности из разнородных материалов, преимущественно алюминиевых и магниевых сплавов, а также других конструкционных материалов, в том числе не свариваемых плавлением.

Способ изготовления моноблочного лопаточного диска // 2496987

Изобретение может быть использовано при изготовлении моноблочного лопаточного диска (блиска), преимущественно, для ротора газотурбинного двигателя. Получают лопатку с выступом, параметры которого обеспечивают присоединение к диску посредством линейной сварки трением. На лопатке выполняют припуск для удержания ее в оснастке в процессе сварки. Предварительно осуществляют моделирование геометрии припуска для выполнения условия удержания лопатки в процессе линейной сварки трением без пластических деформаций этого припуска. Опорные поверхности припуска, по которым осуществляют удержание лопатки в процессе линейной сварки трением, в направлении хорды лопатки выполняют с наклоном относительно вертикальной оси лопатки и расширением в сторону свариваемого сечения. Лопатку устанавливают с зазором в оснастку сварочной машины. Посадочные поверхности оснастки имеют такой же наклон относительно се вертикальной оси, как и опорные поверхности припуска лопатки. Фиксируют лопатку в оснастке сварочной машины в направлении ее осцилляции для осуществления линейной сварки трением. Изобретение обеспечивает высокое качество сварки за счет устранения перекосов сварочного шва, достигаемого полнотой контакта свариваемых поверхностей лопатки и диска. 3 ил.

Способ линейной сварки трением лопаток с диском для получения блиска // 2496989

Изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к способу изготовления моноблочного лопаточного диска преимущественно для использования в роторе газотурбинного двигателя. При изготовлении лопаточного диска, имеющего множество лопаток, присоединенных к диску радиально, формируют лопатку, имеющую выступ для соединения с диском, и соединяют выступ лопатки с выступом диска посредством линейной сварки трением. Перед линейной сваркой трением лопатку зажимают в оснастке небольшим предварительным усилием зажатия, вводят в соприкосновение с диском и нагружают осевым сварочным усилием. Затем, не снижая приложенного сварочного усилия, лопатку закрепляют в оснастке полным усилием зажатия и осуществляют линейную сварку трением лопатки и диска. Полученную фиксацию лопатки сохраняют в течение всего процесса сварки. Изобретение позволяет повысить качество сварки за счет устранения перекосов сварочного шва, достигаемого полнотой контакта свариваемых поверхностей лопатки и диска. 2 ил.

Способ получения сварного узла сваркой внахлест и сварной узел, полученный сваркой внахлест // 2497642

Способ включает соединение двух деталей. Каждая из деталей выполнена, по меньшей мере, с одним основанием. Детали располагают таким образом, чтобы основания были обращены друг к другу и детали перекрывались в области нахлеста. Область нахлеста, по меньшей мере, частично проходит через оба основания. Детали соединяют сваркой в области нахлеста с образованием, по меньшей мере, одного сварного шва. На краю области нахлеста вдоль сварного шва образуются несваренные области. Затем несваренные области удаляют. На деталях образуются наружные поверхности среза, расположенные под тупыми углами к области нахлеста. Техническим результатом изобретения является получение сварных узлов с высокой долговечностью и коррозионной стойкостью. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Система и способ для формирования подкрепляющего элемента за одно целое с многослойным металловолокнистым листом // 2501710

Заявленные изобретения относятся к вариантам цельной конструкции и к способам их изготовления. Цельная конструкция включает многослойный металловолокнистый лист, содержащий неметаллические и металлические слои, крайний внутренний металлический слой и добавочный слой, присоединенный к крайнему внутреннему металлическому слою путем сварки трением с перемешиванием. Подкрепляющий элемент выполнен за одно целое с крайним внутренним металлическим слоем. Способ изготовления по одному варианту включает подготовку многослойного металловолокнистого листа, содержащего неметаллические и металлические слои и крайний внутренний металлический слой, а также присоединение к крайнему внутреннему металлическому слою путем сварки трением с перемешиванием добавочного слоя с получением сварного полуфабриката. Способ изготовления по другому варианту включает механическую обработку сварного полуфабриката для формирования внешней поверхности крайнего внутреннего металлического слоя многослойного металловолокнистого листа, укладку на внешнюю поверхность крайнего внутреннего металлического слоя неметаллических и металлических слоев с получением многослойного металловолокнистого листа, механическую обработку сварного полуфабриката для формирования внутренней поверхности крайнего внутреннего металлического слоя и механическую обработку подкрепляющего элемента. Достигается упрощение изготовления цельной конструкции. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 22 ил.

Способ фрикционно-лучевой сварки // 2504463

Изобретение может быть использовано при сварке деталей, в частности, из титановых или медных сплавов, сталей. Инструмент в виде вращающегося с высокой скоростью рабочего сердечника из высокопрочного материала погружают в свариваемые детали и перемещают его по всей длине соединения. Осуществляют дополнительный разогрев зоны сварки путем ее облучения сфокусированным лазерным и полихроматическим лучами, сведенными в единый луч с помощью конического экрана с защитным кварцевым стеклом. Подачу полихроматического луча в конический экран осуществляют под углом. После завершения сварки осуществляют вывод сердечника из соединения и охлаждение детали. Способ обеспечивает повышение коэффициента поглощения энергии лазерного луча и увеличение прогрева свариваемых кромок. 2 ил.

Машина для сварки трением тел вращения // 2506146

Машина может быть использована при изготовлении сваркой трением сложных металлических изделий из разнородных материалов. Привод вращения и торможения шпинделя машины выполнен в виде установленного соосно на шпинделе гидравлического двигателя. Гидростанция оснащена насосом переменной производительности с регулятором управления скоростью вращения и торможения шпинделя и золотниками, соединенными гидролиниями с гидроприводами шпинделя, каретки, зажимных устройств и устройства для удаления грата. Задняя бабка смонтирована на каретке на двух линейных силовых направляющих качения с возможностью перемещения вдоль оси вращения шпинделя. Устройство для удаления грата установлено на корпусе зажимного устройства задней бабки. Пульт управления соединен электрическими линиями с золотниками гидростанции. Установка и отсчет пространственного положения рабочего инструмента относительно свариваемых деталей производится по магнитной линейке расположенной на станине. Машина обеспечивает повышение надежности и снижение износа движущихся частей при экстремальных нагрузках в процессе сварки за счет применения гидроприводов для вращения шпинделя и в зажимных устройствах, а также быструю переналадку при переходе с одного изделия на другое. 1 ил.

Способ фрикционной сварки перемешиванием // 2509637

Изобретение может быть использовано при изготовлении каркасно-панельных конструкций, а также конструкций типа тел вращения, например баков и обечаек. Предварительно погруженный в свариваемый стык вращающийся сварочный инструмент 1 перемещают по линии стыка соединяемых деталей 2. Осуществляют перемешивание материала, нагретого фрикционной теплотой до пластичного состояния. Процесс сварки осуществляют на опорном элементе 3 из материала, коэффициент теплопроводности которого выбирают равным 0,1-0,5 от теплопроводности свариваемого материала. Между опорным элементом 3 и свариваемым стыком 2 устанавливают подложку 4 из материала более твердого, чем свариваемый материал. На поверхности подложки 4, обращенной к корневой зоне 5 свариваемого стыка 2, размещают барьерный слой 6, препятствующий металлургическому взаимодействию свариваемого материала и подложки в зоне их контакта. Изобретение обеспечивает получение однородного по составу бездефектного сварного шва, свободного от корневого непровара. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Инструмент для фрикционной сварки перемешиванием // 2517653

Изобретение может быть использовано для фрикционной сварки перемешиванием вращающимся инструментом. Корпус инструмента снабжен на одном конце хвостовиком для закрепления в приводе вращения, а на другом конце - опорным буртом и рабочим стержнем. На наружной поверхности корпуса установлен коллектор, включающий устройство для подвода хладагента к корпусу инструмента. Корпус инструмента выполнен с герметичной внутренней полостью в форме усеченного конуса, расширяющегося в сторону опорного бурта и рабочего стержня, предназначенной для заливки в нее легкоиспаряющегося хладагента в количестве, обеспечивающем охлаждение инструмента путем теплопереноса за счет смены агрегатного состояния хладагента от зоны испарения до зоны его конденсации. Коллектор размещен вблизи хвостовика корпуса с возможностью охлаждения зоны конденсации. Хвостовик выполнен с каналом и снабжен вентилем и пробкой для герметизации упомянутой полости корпуса. Система охлаждения инструмента, испытывающего интенсивный нагрев в процессе обработки материалов, является эффективной и компактной. Рабочая зона инструмента свободна от коммуникаций и устройств охлаждения, препятствующих его вращению и перемещению. 2 ил.

Способ и устройство для соединения металлических полос // 2518816

Группа изобретений может быть использована при соединении концов металлических полос точечной сваркой трением, например, во входной зоне установки для обработки полос, в частности из алюминиевого сплава. В соответствии со способом соединения конец и начало полос позиционируют друг на друге с образованием нахлеста. Сначала фиксируют конец первой полосы (1) посредством зажимного устройства (15) на выходной стороне. Начало второй полосы (2) позиционируют поперек направления движения относительно конца первой полосы, например центрируют, и также фиксируют посредством зажимного устройства (14) на входной стороне. Или наоборот, сначала фиксируют начало второй полосы (2), а затем конец первой полосы (1) позиционируют поперек направления движения относительно начала второй полосы и фиксируют. Производят их сварку трением между собой в зоне нахлеста сварочной головкой (5) в нескольких сварных точках. Устройство содержит, по меньшей мере, один зажим (15) на выходной стороне для фиксации конца первой металлической полосы (1) и один зажим (14) на входной стороне для фиксации начала второй металлической полосы (2). Зажимное устройство (14) на входной стороне и/или зажимное устройство (15) на выходной стороне установлено с возможностью перемещения поперек направления движения полос. Способ и устройство имеют универсальное применение для соединения различных металлических сплавов без образования грата. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ аргонодуговой обработки сварных соединений, полученных линейной сваркой трением // 2524037

Изобретение может быть использовано при термической обработке сварных соединений, полученных линейной сваркой трением, в частности сварных соединений диска и лопаток, например дисков ротора в моноблоке с лопатками - блисков. Нагрев участка перехода от шва к основному металлу осуществляют аргонодуговой обработкой сварного соединения путем перемещения электрической дуги по поверхности сварного шва после окончания процесса линейной сварки трением и удаления выдавленного грата. Удельный тепловой поток и скорость перемещения электрической дуги устанавливают по результатам численного моделирования температурного поля в изделии по заданному уравнению. Максимальную температуру нагрева сварного соединения устанавливают из условия сохранения мелкозернистой структуры, а минимальную - из условия снятия остаточных сварочных напряжений. Глубину нагрева определяют границей технологического припуска лопатки и диска. Аргонодуговую обработку осуществляют поочередно со стороны корыта и со стороны спинки лопатки. Способ обеспечивает обработку сварных конструкций сложной геометрической формы, а также повышает эффективность обработки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.