Способ подготовки поверхности торцов в виде шипа для разнородных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием

Изобретение относится к способу получения соединения разнородных материалов сваркой трением с перемешиванием, в частности, листовых деталей, одна из которых выполнена из меди или медного сплава, а другая – из алюминия или алюминиевого сплава. Проводят обработку торцов свариваемых деталей, при этом на торце листовой детали из более тугоплавкого металла выполняют выступ в виде шипа, а на торце листовой детали из менее тугоплавкого металла – паз. Осуществляют состыковку деталей и воздействие на стык свариваемых деталей вращающимся инструментом путем введения штыря инструмента по срединной линии шипа при вращении инструмента против часовой стрелки с образованием сварного соединения. За счет перемешивания тугоплавкого и легкоплавкого металлов способ обеспечивает повышение прочности и герметичности соединений разнородных материалов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к способу получения соединения разнородных материалов и может быть использовано в химическом машиностроении, силовой энергетике, авиации и других отраслях промышленности.

Задачей изобретения является повышение механических свойств сварного соединения из разнородных материалов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе выполняется специальная подготовка торцов свариваемых деталей для стыковых, стыко-нахлесточных соединений и технологическими приемами сварки трением с перемешиванием. С помощью фрезерного станка выполняется обработка поверхности кромок (шип) и может быть использован инструмент для сварки трением с перемешиванием. Способ обеспечивает повышение прочности и герметичности соединений разнородных материалов. 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Известен способ подготовки поверхности заготовок для сварки разнородных материалов (патент RU 2720018 С2, 23.04.2020), включающий обработку торцов соединяемых деталей из более тугоплавкого и более легкоплавкого металла (в виде скосов 30° и 60°).

Недостатком известного способа является ограниченная область его применения, так как известный способ пригоден только для обработки кромок тонких листов (толщиной до 5 мм). При толщинах свариваемых заготовок более 5 мм происходит непровар концевых участков сварного соединения, что может приводить к возникновению источника уменьшения механических свойства сварного шва.

Наиболее близким к предлагаемому способу является технология получения разнородных соединений STIR-LOCK, принятая нами за прототип (см. Friction stir welding - process variants - an update [Электронный ресурс] / Thomas W.M., Verhaeghe G., Martin J., Staines D.G. and Stanhope С - United Kingdom: TWI Ltd, 2007. - Режим доступа http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/friction-stir-welding-process-variants-an-update-october-2007.html. - Загл. с экрана). Соединение получают следующим образом. Вначале в более тугоплавкой пластине выполняется шип. В менее тугоплавком металле (алюминиевый сплав) выполняется паз.

Недостатком известной технологии является то, что стыко-нахлестанное соединения ограничены толщиной тугоплавкого материала и это может привести к преждевременным разрушениям конструкции.

Предлагается использовать подготовку кромки образцов в виде шип, отличающимся тем, что выбираются листы одинаковой толщины. Размеры паза и шипа выбираются от толщины свариваемых материалов и габаритных параметров инструмента. Ввод инструмента производится по срединной линии подготовленных кромок.

Данный технолого-конструкторский прием позволяет увеличить поверхность взаимодействия и активировать процесс перемешивания путем лифтинга из придонной части сварного шва мягкого материала (алюминиевый сплав АД1) сквозь менее пластичного материала (медного сплава M1) к свариваемой поверхности соединения, что повлияет на перераспределение нормальной и тангенциальной составляющих растягивающей нагрузки, приложенной по оси сварного соединения.

Технический результат достигается тем, что увеличивается площадь взаимодействия свариваемых деталей из разнородных материалов, включающее выполнение в детали из более тугоплавкого материала скоса кромок и воздействие на деталь из более легкоплавкого материала вращающимся штырем цилиндрическим инструментом для сварки трением с лифтингом тугоплавкого материала из средней части сварного шва менее пластичного материала. В качестве более тугоплавкого материала может быть использована, например: медный сплав, титановый сплав, никелевый сплав, сталь, в качестве более легкоплавкого материала - алюминий или его сплавы. Заявляемые способы поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлены виды подготовки кромки в виде шипа (коричневый лист - тугоплавкий материал, серый лист - пластичный материал) для металла толщиной 3 мм. Габаритные размеры технологических подготовок кромок зависит от толщины свариваемых материалов и от технических характеристик заплечика и штыря инструмента.

На фиг. 2 представлен вид подготовок кромок шип, где 1 - заплечик инструмента, 2 - деталь из более тугоплавкого материала, содержащая выступ в виде шипа, 3 - штырь инструмента, 4 - деталь из более легкоплавкого материала с пазом. Представлены габаритные размеры кромок и взаимное расположение материалов, а так же место ввода инструмента.

На фиг. 3 представлена общая фотография образцов для проведения механических испытании, где П-М1…5 - шип. Изготовленных из алюминиевого (АД1) и медного (M1) сплавов.

На фиг. 4 представлен микрошлиф сварного соединения технологической кромки шип из алюминиевого (АД1) и медного (M1) сплавов. На нем видно провар и перемешивания свариваемых материалов.

Соединение осуществляют следующим образом.

На детали 2 из тугоплавкого материала (медного сплава) и детали 4 из менее тугоплавкого материала (алюминиевого сплава) выполняется обработка торца листового проката. На стол фрезерного станка укладывают деталь 2 и состыковывают с деталью 4. Детали располагаются так, что на верхней части сварного соединения находится пластичный материал. Эти детали жестко закрепляют на столе. После чего к ним подводят вращающийся инструмент, заглубляют его в срединную линию подготовленной кромки и осуществляют перемещение по ней вдоль линии. За счет трения заплечика 1 и штыря 3 инструмента в детали 4 и 2 происходит нагрев соединяемых кромок. При этом менее пластичный материал детали 4 поднимается из придонной части сварного шва из-за вращения штыря 3 и проходит средний слой тугоплавкого материала, и стремится поверхности сварного соединения. Происходит интенсивное перемешивание, образуя механическое соединение.

Ниже приведен пример осуществления способа.

В лабораторных условиях выполнены соединения пластин длиной 200 мм, шириной 200 мм с толщиной медной пластины 3 мм и 6 мм с пластиной из алюминиевого сплава АД1 толщиной 3 мм по предлагаемому способу.

В качестве привода инструмента использован фрезерный станок 6Т80Ш.

Были выполнены подготовка торца кромок зависимости от толщины свариваемых образцов.

Режим получения соединения:

Диаметр цилиндрического инструмента с плоской контактной поверхностью D=16 мм;

Диаметр штыря у заплечика d₁=5 мм;

Диаметр штыря у наконечника d₂=3,5 мм;

Форма штыря усеченный конус;

Скорость вращения инструмента - 900 об/мин;

Материал инструмента - ВК-8;

Угол наклона инструмента относительно вертикальной оси α - 3 град;

Величина заглубления инструмента h - 0,2 мм;

Скорость продольного перемещения инструмента: для толщины деталей 3 мм - 25 мм/мин, а для образцов толщиной 6 мм - 20 мм/мин;

Полученные соединения испытаны на разрывной машине Р-5. Результаты испытаний приведены в таблице 1 и 2.

Из таблицы 1 видно, что подготовки торцов свариваемых пластин в виде шип превышает в 1,5 раз механических свойств, чем стыковое соединение без подготовки кромок.

Из таблицы 2 видно, что подготовки торцов свариваемых пластин в виде шип превышает в 1,5 раз механических свойств, чем стыковое соединение без подготовки кромок и в виде скоса. Это увеличение эксплуатационных характеристик сварного соединения вызвано увеличением площади контакта соединяемых деталей.

Таким образом, использование заявляемого способа подготовки торца соединяемых разнородных материалов и технологии сварки трением с перемешиванием позволяет получить высокопрочные и герметичные соединения.

1. Способ соединения сваркой трением с перемешиванием листовых деталей, одна из которых выполнена из более тугоплавкого, а другая - из более легкоплавкого металла, включающий обработку торцов свариваемых деталей, их состыковку и воздействие на стык свариваемых деталей вращающимся инструментом с образованием сварного соединения, отличающийся тем, что обработку производят путем выполнения на торце листовой детали из более тугоплавкого металла выступа в виде шипа, а на торце листовой детали из менее тугоплавкого металла - паза, при этом воздействие упомянутого инструмента осуществляют путем введения штыря инструмента по срединной линии шипа при вращении инструмента против часовой стрелки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одна из соединяемых деталей выполнена из меди или медного сплава, а другая - из алюминия или алюминиевого сплава.