Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых конструкций и инструмент для его осуществления



Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых конструкций и инструмент для его осуществления
Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых конструкций и инструмент для его осуществления
Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых конструкций и инструмент для его осуществления
Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых конструкций и инструмент для его осуществления
B23K103/10 - Пайка или распаивание; сварка; плакирование или нанесение покрытий пайкой или сваркой; резка путем местного нагрева, например газопламенная резка; обработка металла лазерным лучом (изготовление изделий с металлическими покрытиями экструдированием металла B21C 23/22; нанесение облицовки или покрытий литьем B22D 19/08; литье погружением B22D 23/04; изготовление составных слоистых материалов путем спекания металлического порошка B22F 7/00; устройства для копирования и регулирования на металлообрабатывающих станках B23Q; покрытие металлов или материалов металлами, не отнесенными к другим классам C23C; горелки F23D)

Владельцы патента RU 2714008:

Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Калужский приборостроительный завод "Тайфун" (RU)

Способ относится к сварке трением с перемешиванием алюминиевых конструкций. Используют инструмент с пином, длиной 4,5…4,9 мм, выполненным в виде цилиндрической поверхности и сферической поверхности на торце пина, радиус которой соответствует 0,7-0,8 диаметра цилиндрической поверхности. До введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей на подложке из пластины с более низким коэффициентом теплопроводности, чем у материала свариваемых деталей, что обеспечивает концентрацию тепла в зоне соединения. Погружают инструмент в стык соединяемых деталей на требуемую глубину и выполняют сварку с продольной подачей инструмента 40-60 мм/мин и скоростью вращения 560-710 об/мин. Угол наклона инструмента составляет 1-3° в направлении сварки. Глубину внедрения опорного бурта инструмента регулируют от 0,1 до 0,2 мм. Изобретение обеспечивает отсутствие дефектов сварных соединений и получение прочности, близкой к прочности основного металла. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области сварки трением с перемешиванием (СТП) алюминиевых конструкций и может быть использовано в авиационной и космической технике, в судостроении и других областях машиностроения.

Уровень техники

На фиг. 1 изображен способ СТП. При сварке трением с перемешиванием свариваемые детали 1 размещают на подложке 2 и приводят в контакт друг с другом, в зону контакта вводят вращающийся с высокой скоростью инструмент 3. После этого инструмент 3 перемещается по линии соединения 4 со скоростью сварки. В результате трения происходит нагрев металла вплоть до пластического состояния, перемешивание его вращающимся инструментом 3 и вытеснение в освобождающееся пространство позади движущегося по линии стыка 4 инструмента 3. По окончании сварки вращающийся инструмент 3 выводят из стыка за пределы деталей 1. Трение со свариваемым материалом вызывает тепловыделение, за счет которого происходит размягчение материала. Процесс трения при СТП сопровождается пластической деформацией тонких приконтактных слоев, в которых реализуется внутреннее трение. Основными функциями инструмента 3 являются перемешивание и перенос материала путем экструзии между поверхностью инструмента 3 и не размягченным материалом деталей 1, а заплечика 5 - создание избыточного давления в зоне сварки. Давление заплечика 5 инструмента 3 в зоне стыка вызывает пластическую деформацию и течение пластифицированного металла, перемешиваемого наконечником - пином 6. Таким образом, соединение осуществляется в условиях экструзии с проковкой материала при высоких скоростях относительной деформации. Ядро сварного шва 7.

Известен способ сварки металлов трением для соединения «в стык» листовых деталей, по которому вращающийся инструмент, выполненный в виде стержня с напаянным наконечником, погружают в стык соединямых деталей и перемещают его вдоль линии стыка, перенося нагретый ротационным трением материал в зону, освобождаемую сзади движущегося инструмента. При этом при достижении пластичности материалов в зоне стыка к инструменту прикладывают осевое усилие (А.С. СССР №195846, МПК В23К, 1967 г.).

Известен «Способ сварки трением и инструмент для его осуществления» (патент RU №2277465, МПК В23К 20/12, 2006 г.), в котором инструмент для сварки содержит вращаемую вокруг оси оправку с опорной поверхностью на торце, снабженную расположенным ей соосно выступающим рабочим стержнем. Рабочий стержень погружают в стык соединяемых элементов и перемещают инструмент с наклоном его оси вдоль стыка. На пластифицированную зону воздействуют давлением, создаваемым опорной торцевой поверхностью оправки и периодически изменяющимся по величине давлением. При этом оправка выполнена с опорной поверхностью, отклоненной от плоскости, перпендикулярной ее оси вращения на угол 0,5-5,0 град. При сварке размещают оправку с возможностью погружения ее опорной поверхности в кромки соединяемых листов. Повышение качества шва за счет создания плотной мелкозернистой его структуры и отсутствия микродефектов обеспечено интенсификацией процессов формирования шва путем введения силовых частотных пульсаций.

Известные решения не позволяют получать стабильно надежный и прочный сварной шов.

Наиболее близким того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ сварки трением с перемешиванием, преимущественно для конструкционных элементов, включающий подгонку, установку и закрепление соединяемых элементов, соединение элементов между собой с помощью введения пина (инструмента), выполненного с цилиндрической оправкой, снабженной на конце опорной поверхностью и соосно расположенным наконечником из материала более твердого, чем соединяемые материалы, вращаемого вокруг оси и перемещаемого вдоль линии соединения, для генерирования тепла трения и создания пластифицированной зоны материала элементов. Кроме того, способ включает воздействие на пластифицированную зону давлением, прикладываемым перпендикулярно поверхности материалов с помощью опорной поверхности, и создание улучшенного потока пластифицированного материала перпендикулярно и вертикально к кромкам соединяемых элементов за счет выступов на наконечнике (международная заявка WO 95/26254, МПК В23К 20.12. 1995 года). Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, включающем подгонку, установку и закрепление соединяемых элементов, при этом соединение листовых деталей между собой осуществляют с помощью введения в стык деталей инструмента, содержащего опорный заплечик и соосно расположенный пин из материала более твердого, чем материал соединяемых деталей и вращающегося вокруг оси, и перемещаемого вдоль линии соединения с воздействием на пластифицированную зону давлением, прикладываем перпендикулярно поверхности деталей с помощью опорной поверхности инструмента.

Данный способ и инструмент не обеспечивают гарантированного получения высококачественного сварного шва и отсутствия в нем несплошностей, неоднородностей, вследствие недостаточного концентрирования тепла в зоне соединения.

Задачей изобретения является создание такого способа сварки и изготовление специализированного инструмента для его осуществления, который бы позволил бы повысить качество сварного шва, за счет подобранных оптимальных режимов сварки, обеспечивающих отсутствие дефектов и повышение прочности сварных соединений, выполненных СТП, близкого к прочности основного металла.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - до введения инструмента в стык деталей производят закрепление листовых деталей толщиной 5 мм, с помощью технологической оснастки (чертежи не представлены) для выполнения в дальнейшем СТП на вертикально-фрезерном станке; в качестве подложки принята пластина из материалов (например нержавеющая сталь), с более низким коэффициентом теплопроводности, чем у материала свариваемых деталей, что обеспечивает концентрацию тепла в зоне соединения. Используют сварочный инструмент с пином выполненным длиной 4,5…4,9 мм, конструкция которого выбрана в виде цилиндрической поверхности и сферической поверхности на торце пина, исходя из соотношения, что радиус сферической торцевой поверхности соответствует 0,7-0,8 от диаметра цилиндрической поверхности пина и опорным заплечиком диаметром 17…20 (18…22). Производят погружение инструмента в стык соединяемых деталей на требуемую глубину и выполняют сварку с продольной подачей инструмента 40-60 мм/мин. и скоростью вращения 560-710 об/мин, при этом угол инструмента составляет 1°-3° в направлении сварки.

Отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают отсутствие дефектов; уменьшение потерь тепловой энергии, вследствие применения подложки из материала с более низким коэффициентом теплопроводности чем у материала свариваемых деталей; повышение прочности соединений. Прочность сварных соединений при рассмотренных режимах сварки, близка к прочности основного металла и составляет около 95% от прочности основного металла.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед процессом СТП детали (образцы), представляющие собой листы из алюминиевого сплава размерами, например 1000×75×5 мм размещают на жесткой подложке из нержавеющей стали. Крепление образцов выполняется с помощью разработанной технологической оснастки (чертежи не представлены). Расстояние между прижимами составляет 95…100 мм, что обеспечивает жесткость закрепления образцов фиг. 2. В стык соединяемых деталей погружают инструмент в свариваемый металл на глубину равную 0,10…0,2 мм и в процессе сварки за счет осевого усилия прижатия поддерживают его в таком положении. В процессе сварки инструменту придается вращение 560-710 об/мин., при этом угол инструмента составляет 1°-3° в направлении сварки.

Сущность способа заключается в следующем: для сварки используют сварочный инструмент с пином, выполненным длиной 4,5…4,9 мм, конструкция которого выбрана в виде цилиндрической поверхности и сферической поверхности на торце пина, исходя из соотношения, что радиус сферической торцевой поверхности соответствует 0,7-0,8 от диаметра цилиндрической поверхности пина и опорным заплечиком диаметром 18…22 фиг. 3; до введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей толщиной 5 мм, с помощью технологической оснастки для выполнения в дальнейшем СТП на вертикально-фрезерном станке; в качестве подложки принята пластина из материалов (например нержавеющая сталь) с более низким коэффициентом теплопроводности, чем у материала свариваемых деталей, что обеспечивает концентрацию тепла в зоне соединения и получение размягченного слоя за счет уменьшения потерь тепловой энергии. Производят погружение инструмента в стык соединяемых деталей на требуемую глубину и выполняют сварку с продольной подачей инструмента 40-60 мм/мин. и скоростью вращения 560-710 об/мин., при этом угол инструмента составляет 1°-3° в направлении сварки.

В результате трения происходит нагрев металла вплоть до пластического состояния, перемешивание его вращающимся инструментом и вытеснение в освобождающееся пространство позади движущегося по линии стыка инструмента. Объем, в котором формируется шов, ограничивается сверху опорным заплечиком инструмента. По окончании сварки вращающийся инструмент выводят из стыка за пределы детали. Основной функцией опорного заплечика является создание требуемого тепловыделения в зоне соединения деталей за счет его трения о поверхности деталей при приложении к инструменту давления. Давление опорного заплечика инструмента в зоне стыка вызывает пластическую деформацию и течение пластифицированного металла, перемешиваемого профилированным пином. Таким образом, соединение осуществляется в условиях экструзии с

проковкой материала при высоких скоростях относительной деформации. На формирование соединения при помощи СТП и его качество, помимо закрепления его на подготовленной подложке с помощью технологического оборудования, влияние оказывает геометрия инструмента и материал для его изготовления. Материал должен характеризоваться высокой теплостойкостью и вязкостью в связи с тем, что инструмент при сварке работает в сложных условиях.

Для инструмента выбран материал из инструментальной штампованной стали, обладающей высокой теплостойкостью и вязкостью. Твердость инструмента находится в диапазоне 53…60 HRC. Конструкция пина инструмента выбрана в виде цилиндрической поверхности и сферической поверхности на торце пина исходя из соотношения, что радиус сферической поверхности соответствует приблизительно 0,7-0,8 диаметра цилиндрической поверхности пина. Данное соотношение обеспечивает хороший провар соединения в корне шва. Диаметр пина инструмента выбирается с учетом толщины свариваемого материала.

Таким образом, с применением новой улучшенной конструкции инструмента и способа в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается достаточное выделение тепла от трения. Этот эффект достигается за счет применения жесткой подложки с более низким коэффициентом теплопроводности, по сравнению с коэффициентом теплопроводности материала свариваемых деталей, что в совокупности с применением улучшенной конструкции инструмента позволяет повысить прочность сварного соединения, выполненного СТП, близкого к прочности основного металла.

1. Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых конструкций из листовых деталей, включающий их установку и закрепление, при этом соединение листовых деталей между собой осуществляют посредством введения в стык деталей инструмента, выполненного с опорным заплечиком и пином, вращающегося вокруг оси, и перемещения инструмента вдоль линии соединения с воздействием на пластифицированную зону давлением, приложенным перпендикулярно поверхности деталей с помощью опорной поверхности инструмента, отличающийся тем, что свариваемые листовые детали закрепляют на жесткой подложке из пластины, выполненной из материала с более низким коэффициентом теплопроводности, чем свариваемые детали, при этом инструмент погружают в стык соединяемых деталей при частоте вращения 560-710 об/мин с продольной подачей 40-60 мм/мин, причем угол наклона инструмента составляет 1-3° к направлению сварки, а глубину внедрения опорного заплечика инструмента в деталь регулируют от 0,10 до 0,2 мм.

2. Инструмент для сварки трением с перемешиванием алюминиевых конструкций из листовых деталей, содержащий опорный заплечик и соосно расположенный пин из материала более твердого, чем материал соединяемых деталей, отличающийся тем, что диаметр опорного заплечика составляет 17…20 мм, а длина пина составляет 4,5…4,9 мм, причем пин имеет цилиндрическую поверхность и сферическую поверхность на его торце, радиус которой составляет 0,7-0,8 от диаметра его цилиндрической поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано при сварке трением с перемешиванием термоупрочнямых алюминиевых сплавов, в частности 2ххх, 6ххх, 7ххх. После досварочной термической обработки Т6 осуществляют сварку трением с перемешиванием при частоте вращения инструмента от 1000 до 2500 об/мин и скорости сварки от 600 до 1500 мм/мин.

Изобретение может быть использовано для получения сваркой трением соединения трубчатых деталей бурильного замка – ниппеля и муфты с трубой. Устанавливают деталь замка и трубу в упор торцами.

Изобретение относится к автомобильной промышленности. Способ включает следующие отдельные рабочие этапы: изготовление фланца (2) с внутренним профилем (2а) с возможностью образования места посадки борта шины; изготовление обода, с одной стороны, с внешним профилем (1а) с возможностью образования места посадки борта шины и, с другой стороны, с кольцевой торцевой поверхностью (1b) для сборки с частью (2b) фланца (2); сборка фланца (2) с ободом (1) в месте (2а) посадки указанного фланца (2) и кольцевой торцевой поверхности (1b) обода (1); обод (1) выполнен согласно следующим последовательным операциям: операция (P1) производства кольцевой торцевой поверхности (1b) без сварки; затем операция (P2) расширения указанной кольцевой торцевой поверхности (1b) до размеров конечного обода в один этап; затем операция (P3) холодного или горячего флоспининга кольцевой торцевой поверхности (1b) так, чтобы получить обод (1) в его конечной форме и профиле, содержащем заплечик, только на стороне, которая не будет приварена к фланцу (2).

Изобретение может быть использовано для соединения сваркой трением стыков большой протяженности, преимущественно, листовых элементов и узлов конструкций из алюминиевых или магниевых сплавов.

Изобретение может быть использовано при изготовлении сварных конструкций и полуфабрикатов, в том числе, из алюминиевых сплавов, сваркой трением с перемешиванием. Предварительно проводят одностороннее утолщение свариваемых кромок деталей путем их одновременной холодной осадки.

Изобретение может быть использовано при стыковом соединении деталей из алюминиевых сплавов, имеющих низкую свариваемость. Вращающийся инструмент, состоящий из наконечника в виде тела вращения и заплечика, погружают в стык свариваемых деталей до контакта заплечика с их поверхностью и выдерживают.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении электрической машины, содержащей литую деталь с расположенным в ней статором.

Изобретение может быть использовано для получения стыковых соединений алюминиевых сплавов, имеющих низкую свариваемость - высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li.

Изобретение может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из алюминиевых полуфабрикатов переменной толщины методом сварки трением с перемешиванием.

Изобретение может быть использовано при получении сваркой трением изделий с пересекающимися соединениями. Вставка (106) предназначена для заполнения отверстия (404), образованного в пересекающихся сварных соединениях при сварке трением с перемешиванием объекта (400).

Изобретение относится к сварочному аппарату. Аппарат содержит корпус (4), двигатель, приводной механизм (8) и U-образное тело вращения (7).

Изобретение может быть использовано при сварке трением с перемешиванием термоупрочнямых алюминиевых сплавов, в частности 2ххх, 6ххх, 7ххх. После досварочной термической обработки Т6 осуществляют сварку трением с перемешиванием при частоте вращения инструмента от 1000 до 2500 об/мин и скорости сварки от 600 до 1500 мм/мин.

Изобретение относится к способу электронно-лучевой сварки кольцевого соединения тонкостенных конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления легких конструкций с высокими требованиями по прочности и герметичности.

Изобретение может быть использовано при изготовлении фильтрующих и теплообменных элементов из проволочного материала, в частности при соединении пайкой детали из медного проволочного материала с деталью из меди.

Изобретение может быть использовано для получения сваркой трением соединения трубчатых деталей бурильного замка – ниппеля и муфты с трубой. Устанавливают деталь замка и трубу в упор торцами.

Изобретение относится к способу подготовки листового металла c предварительно нанесенным покрытием для его сварки с другим листовым металлом с предварительно нанесенным покрытием, листовому металлу и способу изготовления сварной заготовки.
Изобретение может быть использовано при нанесении жаростойких и износостойких слоев на детали из титана или титановых сплавов, работающих при повышенных температурах и в условиях абразивного износа.

Изобретение предназначено для орбитальной обработки неповоротных стыков труб, в частности сварки, резки, обработки кромок, зачистки. Гибкая составная каретка состоит из по меньшей мере двух шарнирно соединенных составных частей, соединенных друг с другом последовательно в одном порядке.

Изобретения могут быть использованы для сварки неповоротных стыков магистральных трубопроводов. Осуществляют V-образную разделку кромок свариваемых стыков частей магистрального трубопровода и производят сборку частей магистрального трубопровода на внутреннем центраторе без зазора между притуплениями свариваемых стыков.

Изобретение предназначено для пайки теплообменника, содержащего выполненные из нержавеющей стали наружную оболочку с переходным кольцом и внутреннюю оболочку с ребрами, имеющие конусную поверхность и выполненные из стали с разным коэффициентом термического расширения (КТР).

Способ относится к сварке трением с перемешиванием алюминиевых конструкций. Используют инструмент с пином, длиной 4,5…4,9 мм, выполненным в виде цилиндрической поверхности и сферической поверхности на торце пина, радиус которой соответствует 0,7-0,8 диаметра цилиндрической поверхности. До введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей на подложке из пластины с более низким коэффициентом теплопроводности, чем у материала свариваемых деталей, что обеспечивает концентрацию тепла в зоне соединения. Погружают инструмент в стык соединяемых деталей на требуемую глубину и выполняют сварку с продольной подачей инструмента 40-60 мммин и скоростью вращения 560-710 обмин. Угол наклона инструмента составляет 1-3° в направлении сварки. Глубину внедрения опорного бурта инструмента регулируют от 0,1 до 0,2 мм. Изобретение обеспечивает отсутствие дефектов сварных соединений и получение прочности, близкой к прочности основного металла. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх