Инструмент для сварки трением с перемешиванием

Изобретение может быть использовано для сварки трением с перемешиванием (СТП) вращающимся инструментом. Инструмент для СТП изготовлен из быстрорежущей стали и выполнен в виде сплошного стержня, верхняя часть которого предназначена для закрепления в приводе вращения. Рабочая часть выполнена с опорным буртом и снабжена рабочим стержнем, на боковой поверхности которого выполнены рельефные канавки. Вогнутая рабочая поверхность опорного бурта имеет форму усеченного конуса. Кромки опорного бурта расположены в плоскости, отклоненной от нормали к оси вращения инструмента на угол α, составляющий в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей от 1 до 15 градусов. Рабочая поверхность опорного бурта наклонена относительно упомянутой плоскости опорного бурта на угол γ. Ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта наклонена к оси вращения инструмента на угол γ'. Углы γ и γ' в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей составляют от 5 до 15 градусов. За счет улучшения течения и перемешивания пластифицированного металла и создания дополнительного проковочного усилия инструмент обеспечивает получение высококачественного сварного шва. 2 ил.

 

Изобретение относится к области сварочного производства, а именно к вращающимся инструментам для сварки трением с перемешиванием.

Изобретение может быть использовано в различных отраслях машиностроения для сварки различных металлов, типовых соединений и толщин в диапазоне от 2 мм до 75 мм при изготовлении конструкций типа тел вращения - обечаек, баков, каркасно-модульных конструкций.

Наиболее близким к заявленному является инструмент для сварки трением с перемешиванием по патенту РФ №2126738, кл. В23К 20/12, от 27.02.1999, принимаемый в качестве прототипа. Известный инструмент состоит из цилиндрического корпуса, верхняя часть которого соединена с источником энергии для обеспечения его вращения, а на нижнем торце выполнен опорный бурт с вогнутой рабочей поверхностью, на которой закреплен палец с резьбообразной конфигурацией его рабочей поверхности.

Недостатками прототипа являются:

1. Ослабление конструкции инструмента в месте крепления пальца, а следовательно, и снижение рабочего ресурса инструмента в целом.

2. Снижение рабочего ресурса сменного пальца за счет его утонения в месте крепления к телу инструмента.

Техническим результатом изобретения является создание инструмента, конструкция которого обеспечит повышенный рабочий ресурс, получение сварных соединений, обладающих прочностью на уровне основного металла.

Технический результат достигается тем, что выполненный в виде сплошного стержня, верхняя часть которого предназначена для закрепления в приводе вращения, а рабочая часть выполнена с опорным буртом, имеющим вогнутую рабочую поверхность, и снабжена рабочим стержнем в форме усеченного конуса, на боковой поверхности которого выполнены рельефные канавки, при этом вогнутая рабочая поверхность опорного бурта имеет форму усеченного конуса, кромки опорного бурта расположены в плоскости, отклоненной от нормали к оси вращения инструмента на угол α, зависящий от типа и толщины свариваемых деталей, рабочая поверхность опорного бурта наклонена относительно упомянутой плоскости опорного бурта на угол γ, а ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта наклонена к оси вращения инструмента на угол γ', при этом углы γ и γ' в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей составляют от 5 до 15 градусов.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2, на которых изображены:

фиг. 1 - инструмент для сварки трением с перемешиванием:

1 - инструмент для сварки трением с перемешиванием;

2 - рабочий стержень;

3 - рабочая поверхность опорного бурта;

с - ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта;

α - угол наклона плоскости опорного бурта к нормали оси инструмента;

γ - угол наклона рабочей поверхности опорного бурта к плоскости опорного бурта;

γ' - угол наклона оси симметрии рабочей поверхности к оси вращения инструмента.

фиг. 2 - схема процесса сварки:

1 - инструмент для сварки трением с перемешиванием;

2 - рабочий стержень;

3 - рабочая поверхность опорного бурта;

4 - зона избыточного давления вблизи рабочей поверхности опорного бурта;

5 - свариваемые заготовки;

6 - сварной шов;

α - угол наклона плоскости опорного бурта к нормали оси инструмента;

β - угол наклона оси инструмента к свариваемым деталям;

a, b - глубина внедрения кромок бурта в свариваемые детали;

S - направление сварки;

ω - направление вращения сварочного инструмента.

Инструмент 1 (фиг. 1 представляет собой сплошной стержень постоянного поперечного сечения, выполненный из быстрорежущей стали и закрепленный верхним концом в приводе вращения. На рабочей части выполнен опорный бурт с вогнутой рабочей поверхностью 3 (фиг. 1) в форме усеченного конуса, расширяющегося в сторону рабочей части опорного бурта; рабочая поверхность опорного бурта наклонена на угол γ относительно плоскости опорного бурта, и рабочий стержень 2 (фиг. 1), выполненный в форме усеченного конуса, расширяющегося в сторону нерабочей части инструмента. На боковой поверхности рабочего стержня может быть выполнен различный рельеф, в том числе направляющие канавки, для улучшения перемешивания, течения пластифицированного материала и разрушения оксидных пленок. Опорный бурт находится в плоскости, лежащей под углом α к нормали оси вращения инструмента.

Значение угла α находится в диапазоне от 1° до 15° в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей. Ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта наклонена под углом γ' к оси вращения инструмента, а рабочая поверхность опорного бурта наклонена к плоскости опорного бурта под углом γ. Значения углов γ иγ' находятся в диапазоне от 5° до 15° в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей. Благодаря тому, что инструмент изготовлен без сменных рабочих стержней и внутренних полостей (отсутствие резких изменений сечения инструмента и мест крепления сменных рабочих стержней, как концентраторов напряжений), геометрии опорного бурта и рабочего стержня (форма усеченного конуса рабочего стержня и наличие разности высот заглубления кромок a, b опорного бурта (фиг. 2)), даже при изменении размеров рабочей части инструмента вследствие износа будет сохраняться увеличенное значение проковочного усилия за счет наличия зоны избыточного давления 4 (фиг. 2), тем самым обеспечивая повышение качества сварного шва, улучшенное течение и перемешивание пластифицированного металла даже при изменении размеров рабочего стержня. Диапазон толщин свариваемых деталей лежит в пределах от 2 мм до 75 мм.

Был изготовлен инструмент из быстрорежущей стали Р6М5 для сварки заготовок в стык соединения из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 4 мм. Параметры инструмента α=4°, β=2°, γ=7°, γ'=8°, параметры режимов сварки: вращение инструмента - 355 и 500 об/мин, подача инструмента - 40 и 56 мм/мин. По результатам прочностных испытаний было отмечено повышение твердости и прочности металла шва по сравнению с основным металлом на 10-15%. Для основного металла составили 60-68 единиц твердости, предел прочности σв=192 МПа-217 МПа и для металла сварного шва 70-78 единиц твердости, предел прочности σв=224 МПа-249 МПа соответственно. При испытании сварных образцов на изгиб при угле в 180° трещин в металле сварного шва обнаружено не было. По результатам испытаний сварных образцов можно сделать вывод о получении качественного сварного соединения, по своим свойствам, не уступающим основному металлу.

Выполненный таким образом инструмент имеет повышенный рабочий ресурс, благодаря конструкции его рабочей части повышается качество шва за счет улучшения течения и перемешивания пластифицированного металла, создания дополнительного проковочного усилия.

Инструмент для сварки трением с перемешиванием, выполненный в виде стержня, верхняя часть которого предназначена для закрепления в приводе вращения, а рабочая часть выполнена с опорным буртом, имеющим вогнутую рабочую поверхность, и снабжена рабочим стержнем в форме усеченного конуса, на боковой поверхности которого выполнены рельефные канавки, отличающийся тем, что он выполнен сплошным, вогнутая рабочая поверхность опорного бурта имеет форму усеченного конуса, при этом кромки опорного бурта расположены в плоскости, отклоненной от нормали к оси вращения инструмента на угол α, составляющий в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей от 1 до 15 градусов, рабочая поверхность опорного бурта наклонена относительно упомянутой плоскости опорного бурта на угол γ, а ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта наклонена к оси вращения инструмента на угол γ', при этом углы γ и γ' в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей составляют от 5 до 15 градусов.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для изготовления сварных конструкций фрикционной сваркой с перемешиванием, в частности, тавровых соединений в металлических профилях, панелях и т.п.
Изобретение может быть использовано для получения сварных конструкций алюминиевых сплавов методом сварки трением с перемешиванием, в частности для соединения листов из сплавов системы Al-Mg.

Изобретение может быть использовано для соединения сваркой трением с перемешиванием деталей из дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов. Детали прижимают по линии соединения друг к другу и вводят вращающийся сварочный инструмент в зону соединения деталей.
Изобретение может быть использовано для повышения технологических и эксплуатационных характеристик сварных конструкций и сложных деталей, изготовленных из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием, в частности, при изготовлении различных конструкций для автомобильной промышленности, например для производства дисков автомобильных колес.

Изобретение может быть использовано при обработке твердых материалов, в частности, сваркой трением, или фрезерованием, или сверлением. На одном конце корпуса обрабатывающего вращающегося инструмента расположен хвостовик, а на другом его конце - рабочая часть с обрабатывающим элементом.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении барабана турбомашины, который содержит по меньшей мере два роторных диска (46, 48) для рабочих лопаток.

Изобретение может быть использовано при изготовлении электрохимического анода, сформированного с использованием сварки трением с перемешиванием (FSW). Электрохимический анод включает токопроводящую шину и свинецсодержащий анодный лист, электрически связанный с токопроводящей шиной.

Изобретение может быть использовано при сварке блисков. На диске и лопатке формируют выступы с поверхностями контакта при сварке трением с необходимым технологическим припуском Р на периферии свариваемых деталей.

Изобретение может быть использовано для соединения пары металлических деталей, в частности деталей двигателя, с использованием тепла трения. Осуществляют этап нагрева соединяемых поверхностей путем их перемещения относительного друг друга.

Способ может быть использован при сварке стальных листов трением с перемешиванием. Для вращающегося инструмента скорость вращения RS устанавливают равной 100-1000 об/мин.

Изобретение может быть использовано при получении модуля для накопления энергии посредством соединения двух конденсаторов или суперконденсаторов (10). Каждый герметичный корпус (14) конденсатора или суперконденсатора содержит трубчатый элемент (16) и по меньшей мере одну крышку (18), закрывающую трубчатый элемент на его конце. На двух крышках (18) двух расположенных рядом корпусов (14) устанавливают соединительную перемычку (30), размеры которой позволяют ей контактировать с крышкой (18) каждого из корпусов. Вводят вращающееся сварочное устройство (50) в контакт с крышкой (18) и/или перемычкой (30). Перемещают указанное устройство поступательным движением вдоль оси, проходящей по нормали к крышке (18), с его проникновением в материал крышки (18) и/или перемычки (30). Приваривают перемычку (30) к крышке (18) сваркой трением с перемешиванием путем формирования по меньшей мере одного сварного шва. Изобретение обеспечивает сохранение герметичности каждого из соединяемых устройств накоплении энергии. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение может быть использовано при сварке трением с перемешиванием. В процессе сварки осуществляют слежение и регулирование загрузки перемещаемого сварочного инструмента по давлению загрузки. Осуществляют контроль расположения свариваемых кромок относительно подкладного элемента, раскрытия стыка свариваемых заготовок, деформации подкладного элемента и геометрического положения сварочного стержня относительно опорного корпуса инструмента. В автоматическом режиме изменяют загрузку сварочного стержня для обеспечения постоянного зазора между его торцом и опорной поверхностью подкладного элемента за счет возвратно-поступательного перемещения сварочного стержня. Система слежения и регулирования сварочного инструмента включает связанные с блоком управления через контроллеры датчики давления и линейных перемещений. Средство слежения за загрузкой сварочного стержня обеспечивает слежение загрузки сварочного инструмента в автоматическом режиме по геометрическому положению сварочного стержня относительно опорного корпуса инструмента в зависимости от фактической загрузки его опорной части в свариваемый материал. Изобретение исключает вероятность внедрения сварочного стержня в опорную поверхность подкладного элемента, повышает надежность сварочного инструмента и качество сварки. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение может быть использовано при изготовлении моноколес, применяемых преимущественно в роторах газотурбинных двигателей. Способ включает получение заготовки лопатки газотурбинного двигателя штамповкой с образованием аэродинамического профиля в каждом сечении пера лопатки и образованием хвостовика с их последующей механической обработкой. При штамповке заготовки лопатки хвостовик выполняют в виде выступа с замкнутым вокруг пера лопатки контуром, отстоящим от контура поперечного сечения пера лопатки на 1-5 мм. После механической обработки хвостовика к нему посредством сварки присоединяют сформированные механической обработкой накладки, которые имеют сопрягаемые с выступом поверхности. Размер и форму накладок выбирают с обеспечением необходимого напуска для захвата и удержания лопатки в сварочной машине при линейной сварке трением. Накладки можно присоединять к выступу посредством диффузионной сварки. Изобретение позволяет сократить трудоемкость и материалоемкость изготовления заготовок лопаток, присоединяемых к диску линейной сваркой трением. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение может быть использовано для выполнения стыковых соединений деталей из алюминиевых жаропрочных сплавов толщиной 2…6 мм. Используют сварочный инструмент с пином, выполненным в форме усеченного конуса длиной 1,8…5,7 мм с тремя «левыми» резьбовыми канавками, и опорным буртом диаметром 8…18 мм со спиральной канавкой. Погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют с минимальной скоростью вертикального перемещения 7…12 мм/мин и высокой скоростью вращения 350…500 об/мин до достижения заданной глубины, равной 90…95% толщины свариваемых деталей. Угол инструмента при этом изменяют относительно вертикальной оси с 0 до -1,5…-2,5°. Затем, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 220…300 мм/мин при постоянном осевом усилии, равном 12…15 кН, управляемом датчиками обратной связи. Способ позволяет предотвратить износ инструмента, устранить внутренние дефекты и обеспечить прочность сварного соединения до 90% от предела прочности основного материала. 2 ил.

Изобретение относится к способу сварки трением с перемешиванием стыковых соединений из алюминиевых деформируемых сплавов. Используют сварочный инструмент с пином, выполненным длиной 5,8…11,8 мм цилиндрической формы с левосторонней резьбой и опорным буртом диаметром 18…28 мм. Перед сваркой производят закрепление листовых деталей толщиной 6…12 мм в тисках и фрезерование свариваемых кромок по плоскости. Погружают вращающийся инструмент в стык соединяемых деталей до достижения заданной глубины, равной 95-98% толщины свариваемых деталей. Погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют с минимальной скоростью вертикального перемещения 10…16 мм/мин и высокой скоростью вращения 300…500 об/мин, при этом угол инструмента изменяют относительно вертикальной оси с 0° до -1,0°…-2,0°. Глубину погружения инструмента регулируют в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка. Затем, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 300…400 мм/мин при постоянном осевом усилии 23…34 кН. По окончании сварки поднимают вращающийся инструмент и выводят из стыка. Заявляемый способ позволяет повысить твердость сварного шва. 9 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение может быть использовано для получения сваркой трением соединения «труба - трубная решетка», например, при изготовлении теплообменных аппаратов. На свариваемых торцах трубы и трубной решетки устанавливают шайбу, внутренний диаметр которой равен проходному сечению трубы, внешняя ее поверхность имеет коническую и цилиндрическую части, а кромки трубы и отверстия трубной решетки имеют внутренние конические поверхности с углом скоса, соответствующим углу скоса конической поверхности шайбы. Приводят во вращение шайбу с усилием прижатия и последующим проковочным усилием после прекращения ее вращения. Особенностью способа соединения узла «труба - трубная решетка» является выполнение полости заданных размеров, полученной путем дополнительной расточки отверстия в трубной решетке. Такая полость обеспечивает в процессе сварки трением выдавливание разогретого металла (грата) и вынос в нее поверхностных загрязнений как с наружной поверхности трубы, так и с трущихся конических поверхностей трубной решетки и шайбы. За счет предотвращения попадания загрязнений в сварной шов достигается повышение его качества. 3 ил.

Изобретение может быть использовано для соединения сваркой трением с перемешиванием высокопрочной конструкционной стали в виде листов или плит. Способ обеспечивает устранение неоднородности нагрева и пластического течения, создаваемого в результате перемешивания размягченных участков. Условия проведения сварки трением с перемешиванием соответствуют следующим параметрам: скорость вращения инструмента составляет от 100 об/мин до 1000 об/мин, крутящий момент инструмента – от 50 н⋅м до 500 н⋅м, а скорость сварки – от 10 мм/мин до 1000 мм/мин. Показатель чувствительности стали к растрескиванию Pcm, рассчитанный по формуле (1), удовлетворяет соотношению 0,18≤Pcm≤0,30. Величина подвода тепла при сварке HI, рассчитанная по формуле (2), находится в диапазоне от 1,5 до 20 и удовлетворяет формуле (3) при соотношении с величиной Pcm, причем . 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 ил.

Изобретение может быть использовано для получения неразъемных соединений деталей из разнородных материалов, одна из которых выполнена из пластичного металла. В первой детали (1) выполняют резьбовые отверстия (2). На детали (3) из пластичного металла выполняют углубления (4) под головки крепежных элементов (5), соосные отверстиям (2). Скрепляют детали (1) и (3) крепежными элементами (5), при этом заглубляют головки крепежных элементов (5) в углублениях (4) до образования свободного пространства между головками и поверхностью детали (3). Воздействуют на деталь (3) из пластичного металла вращающимся цилиндрическим инструментом (6) для нагрева до температуры, вызывающей его пластификацию. При перемещении инструмента заполняют упомянутое свободное пространство углублений пластифицированным металлом (7) второй детали (3) с обеспечением закрытия в них головок крепежных элементов (5) с получением герметичного неразъемного соединения. В процессе нагрева второй детали при перемещении цилиндрического вращающегося инструмента (6) проводят охлаждение первой детали. Способ обеспечивает высокую конструктивную прочность неразъемного соединения разнородных материалов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов с применением сварки трением с перемешиванием. Осуществляют равноканальное угловое прессование исходной заготовки по маршруту ВС не менее чем за 8 проходов с комбинированием температуры нагрева в диапазоне 250-500°C из условия получения рекристаллизованной структуры алюминиевого сплава заготовки с объемной долей рекристаллизационных зерен не менее 75%. Затем проводят изотермическую прокатку полученной заготовки при температуре, не менее, чем температура проведения прессования, и не более чем на 50°C превышающей упомянутую температуру, с получением листовых полуфабрикатов заданного размера. После чего соединяют полученные листовые полуфабрикаты сваркой трением с перемешиванием. Выбирают частоту вращения инструмента и скорость его подачи из условия получения структуры сварного соединения, идентичной структуре полуфабриката алюминиевого сплава. Предлагаемый способ обеспечивает повышение эксплуатационной надёжности сварных конструкций.
Изобретение относится к области сварки трением. Для получения инструмента для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов с высокой технологичностью, высокой надежностью и долговечностью в процессе эксплуатации при температуре вплоть до 500°С исходную заготовку из инструментальной штамповой стали, имеющей твердость не более 25 HRC, вытачивают на токарном станке до требуемого размера инструмента с припуском от 0,2 до 0,5 мм, подвергают последующей термической обработке, состоящей из закалки и отпуска при температуре не ниже 500 °С с обеспечением твердости не ниже 54 HRC после отпуска и доводят размер инструмента до требуемого путем точения со снятием припуска.

Изобретение может быть использовано для сварки трением с перемешиванием вращающимся инструментом. Инструмент для СТП изготовлен из быстрорежущей стали и выполнен в виде сплошного стержня, верхняя часть которого предназначена для закрепления в приводе вращения. Рабочая часть выполнена с опорным буртом и снабжена рабочим стержнем, на боковой поверхности которого выполнены рельефные канавки. Вогнутая рабочая поверхность опорного бурта имеет форму усеченного конуса. Кромки опорного бурта расположены в плоскости, отклоненной от нормали к оси вращения инструмента на угол α, составляющий в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей от 1 до 15 градусов. Рабочая поверхность опорного бурта наклонена относительно упомянутой плоскости опорного бурта на угол γ. Ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта наклонена к оси вращения инструмента на угол γ. Углы γ и γ в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей составляют от 5 до 15 градусов. За счет улучшения течения и перемешивания пластифицированного металла и создания дополнительного проковочного усилия инструмент обеспечивает получение высококачественного сварного шва. 2 ил.

Наверх