Способ фрикционной сварки перемешиванием



Способ фрикционной сварки перемешиванием
Способ фрикционной сварки перемешиванием
Способ фрикционной сварки перемешиванием
Способ фрикционной сварки перемешиванием

 


Владельцы патента RU 2509637:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" (RU)

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.

 

Изобретение относится к технологии получения неразъемного соединения деталей, а именно технологии фрикционной сварки перемешиванием (ФСП) вращающимся сварочным инструментом, более конкретно к способу сварки, обеспечивающему получение качественных высокопрочных соединений из сплавов алюминия и других твердых материалов, типа стали, меди, никеля, титана и их сплавов.

Изобретение может быть использовано в различных областях машиностроения для сварки соединений при изготовлении каркасно-панельных конструкций, и конструкций типа тел вращения - различных баков и обечаек.

Известен способ сварки трением для соединения «в стык» листовых элементов (Авторское свидетельство СССР №195846, кл. B23K 20/12 9.11.1965 г. и его аналог РСТ/GB - 92/02203 GB Patent Application on №9125978. 8. Dec. 1991), по которому вращающийся сварочный инструмент, содержащий опорный бурт и сварочный стержень, погружают вертикально в стык соединяемых элементов и перемещают его вдоль линии стыка, перенося нагретый фрикционной теплотой материал в зону, освобождаемую позади движущегося инструмента.

Известен также другой, улучшенный, способ сварки трением с перемешиванием, который позволяет получить сварное соединение с меньшим количеством дефектов (патент РФ №2126738, кл. B23K 20/12, 05.01.1995 г.).

В отличие от предыдущего способа, вводимый в зону соединения вращающийся сварочный инструмент наклонен к нормали так, что указывает направление его перемещения. В результате материал, вязкопластифицированный в зоне соединения теплом трения, в большей степени подвергается давлению задней кромкой инструмента.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является, выбранный в качестве прототипа, способ фрикционной сварки перемешиванием, включающий перемещение по линии стыка соединяемых деталей вращающегося, предварительно погруженного в свариваемый стык, сварочного инструмента и перемешивание материала, нагретого фрикционной теплотой до пластичного состояния, а процесс сварки осуществляют на опорном элементе из материала более твердого, чем свариваемый материал с низким коэффициентом теплопроводности (патент РФ №2412034 кл. B23K 20/12, 14.09.2007).

Прототип, аналоги и другие более поздние изобретения по данному аспекту решают только две задачи: обеспечить наибольший эффект перемешивания вязкопластифицированного материала и максимально интенсифицировать массоперенос материала вдоль оси инструмента в направлении корневой зоны стыка. Тем не менее, при этих способах в корневой зоне сварного шва может образоваться непровар, регламентируемый величиной промежутка между торцом сварочного инструмента и опорным элементом, на котором ведется процесс сварки.

Для создания условий образования качественного сварного соединения и исключения поломки сварочного инструмента, в случае его врезания в опорный элемент, длину сварочного стержня выбирают меньше толщины свариваемого материала на ~0,2 мм. Тем не менее не исключена вероятность врезания сварочного инструмента в опорный элемент, его поломка, а также образование неизбежного непровара, который носит название «технологического», однако его наличие существенно влияет на усталостную прочность сварного соединения.

Из детального рассмотрения процесса образования сварного соединения при ФСП следует, что тепло трения, являющееся результатом взаимодействия сварочного инструмента и соединяемых кромок, перераспределяется между сварочным инструментом, свариваемыми кромками и опорном элементом.

Путем управления температурой металла корневой зоны, расположенной между торцом сварочного инструмента и опорным элементом, можно изменять пластичность металла корневой зоны и тем самым создавать условия для полного перемешивания материала корневой зоны и исключения «технологического» корневого непровара. Такие условия наиболее рационально осуществлять изменением теплопроводности опорного элемента. Однако это является необходимым, но не достаточным условием получения качественного сварного соединения. Это особенно проявляется при фрикционной сварке коррозионностойких алюминиевых сплавов.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретения является получение более однородного по составу бездефектного сварного соединения свободного от корневого непровара.

Для достижения указанного результата предлагается способ фрикционной сварки перемешиванием, включающий перемещение вращающегося, предварительно погруженного в свариваемый стык, сварочного инструмента по линии стыка соединяемых деталей и перемешивание материала, нагретого фрикционной теплотой до пластичного состояния, а процесс сварки осуществляют на опорном элементе из материала более твердого, чем свариваемый материал и низким коэффициентом теплопроводности, отличающийся тем, что коэффициент теплопроводности материала опорного элемента выбирают равным 0,1÷0,5 от теплопроводности свариваемого материала, а между опорным элементом и свариваемым стыком устанавливают подложку из материала аналогичного свариваемому, либо из материала на той же основе, но более твердого, чем свариваемый.

Опорный элемент может иметь как плоскую, так и цилиндрическую поверхность.

Длину сварочного стержня выбирают приблизительно равной толщине свариваемого материала. Наиболее приемлемы, в качестве материала опорного элемента, стали аустенитного или мартенситно-феритного классов, имеющие минимальное металлургическое взаимодействие с алюминиевыми сплавами.

Указанный результат достигается также тем, что на поверхности подложки со стороны, контактирующей со свариваемым стыком, устраивают барьерный слой, препятствующий металлургическому взаимодействию свариваемого материала и подложки в зоне их контакта.

В зависимости от выбранной технологии образования барьерного слоя, его размещение возможно как с одной, так и с двух сторон подложки.

Это способствует более легкому отделению подложки после сварки. В качестве барьерного слоя может быть использовано, например, оксидное покрытие.

В процессе сварки рабочая часть сварочного стержня проходит через всю толщину свариваемого материала, что гарантирует отсутствие непровара в корневой части соединения. Подложку после сварки удаляют.

Особое значение имеет применение в качестве подложки именно материала, твердость которого более или равна твердости свариваемого материала. Если это условие не соблюдается, то происходит проникновение материала подложки по линии соединения сварного ядра с основным материалом и резкое снижение прочности сварного соединения.

Далее данный способ поясняется более подробно с использованием схемных чертежей. На фиг.1, 2 показана схема выполнения фрикционной сварки продольным швом на подложке и опорном элементе из материала с коэффициентом теплопроводности равным 0,1÷0,5 от теплопроводности свариваемого материала, где: 1 - сварочный инструмент, 2 - кромки свариваемого стыка, 3 - опорный элемент, 4 - подложка для бездефектного формирования корневой части 5 сварного шва, 6 - барьерный слой.

На фиг.3 показана микроструктура сварного соединения после удаления подложки.

На фиг.4 показана микроструктура сварного соединения, выполненного на подложке из материала менее твердого, чем материал свариваемых кромок. Отмечается активное проникновение материала подложки по линии соединения сварного ядра с основным материалом.

Известна способность металлов и сплавов к образованию соединения при приложении к ним давления и температуры благодаря установлению межатомных связей в твердой фазе. Для однородных металлов эта температура, как правило, должна составлять 0,5-0,8 от температуры плавления металла или сплава, а при сварке разнородных - 0,5-0,7 температуры более легкоплавкого металла. При фрикционной сварке перемешиванием алюминиевых сплавов она составляет 450-470C°. Такая температура ускоряет взаимную диффузию атомов через поверхность стыка и облегчает устранение неровностей поверхности и пластическое деформирование металла. Именно это условие имеет место в корневой зоне соединения, образуемого фрикционной сваркой перемешиванием.

В частности, экспериментально подтверждено образование отдельных участков «слипания» в корневой зоне сварного соединения при сварке на опорном элементе, изготовленном из различных материалов. При фрикционной сварке алюминиевых сплавов на опорном элементе, изготовленном их латуни, углеродистой стали или легированной стали, величина коэффициента теплопроводности опорного элемента составляет 0,1÷0,5 от теплопроводности свариваемого материала. В сравнении со сваркой на опорном элементе из титанового сплава - материала с еще более низкой теплопроводностью - величина корневого непровара существенно не отличается и, в зависимости от типа сварочного стержня и толщины свариваемых кромок, составляет 0,2-0,3 мм. Из этого следует, что применение для опорного элемента материала с низкой теплопроводностью не является достаточным условием получения качественного бездефектного сварного соединения.

По технологии с использованием предлагаемого способа были выполнены сварные швы конструкции из алюминиевого сплава АМг6. Металлографическое исследование сварных соединений показало отсутствие дефектов в теле сварного ядра, в том числе корневого непровара, т.е достигается технический результат - получение более однородного по составу бездефектного сварного шва свободного от корневого непровара.

1. Способ фрикционной сварки перемешиванием, включающий перемещение вращающегося предварительно погруженного в свариваемый стык сварочного инструмента по линии стыка соединяемых деталей и перемешивание материала, нагретого фрикционной теплотой до пластичного состояния, при этом процесс сварки осуществляют на опорном элементе из материала с низким коэффициентом теплопроводности, отличающийся тем, что коэффициент теплопроводности материала опорного элемента выбирают равным 0,1-0,5 от теплопроводности свариваемого материала, а между опорным элементом и свариваемым стыком устанавливают подложку из материала более твердого, чем свариваемый, при этом погружение сварочного инструмента осуществляют, по меньшей мере, на всю толщину свариваемых деталей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности подложки, обращенной к свариваемым деталям, размещают барьерный слой, препятствующий металлургическому взаимодействию материала свариваемых деталей и материала подложки в зоне их контакта.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

Способ включает соединение двух деталей. Каждая из деталей выполнена, по меньшей мере, с одним основанием.

Изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к способу изготовления моноблочного лопаточного диска преимущественно для использования в роторе газотурбинного двигателя.

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.

Изобретение может использоваться при соединении сваркой трением тонколистовых конструкций, преимущественно из несвариваемых плавлением материалов толщиной от 0,5 до 2 мм.

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).

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

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.

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.

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.

Изобретение может быть использовано при изготовлении или ремонте теплообменной аппаратуры, в частности, из легированных сталей, склонных к закалке. На свариваемых торцах трубы и трубной решетки устанавливают шайбу, внешняя поверхность которой имеет коническую и цилиндрическую части, а внутренний диаметр равен проходному сечению трубы. Предварительно производят совместную обработку кромок трубы и отверстия трубной решетки с образованием внутренней конической поверхности узла «труба - трубная решетка» с углом скоса, соответствующим углу скоса конической поверхности шайбы, для их совмещения при установке шайбы. Внешний диаметр цилиндрической части шайбы меньше максимального диаметра упомянутой внутренней конической поверхности узла. Приводят во вращение шайбу с усилием прижатия и последующим проковочным усилием после прекращения ее вращения. Способ позволяет получить соединение высокого качества при отсутствии возможности вращения обеих свариваемых деталей в процессе сварки трением. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение может быть использовано для фрикционной сварки с перемешиванием. Стык свариваемых заготовок 1 и 2 размещают на опорном ролике 5 с профильной канавкой 4. Сварное соединение получают путем перемещения рабочего стержня 6 сварочного инструмента 7 с формированием корня сварного шва. В профильную канавку непрерывно подают присадочный материал 3, соответствующий форме профильной канавки 4 ролика 5. Рабочий стержень 6 сварочного инструмента перемещают в процессе сварки с возможностью погружения его торца в присадочный материал 3. При этом осуществляют совместное обжатие сварочным инструментом 7 кромок свариваемых заготовок 1 и 2 и части присадочного материала 3 в зоне сварки. Способ обеспечивает полное проплавление свариваемых заготовок по толщине, уменьшение занижения сварного шва, повышение прочности сварного соединения, качества сварки и исключение внедрения сварочного инструмента в опорную поверхность ролика. 3 ил.

Изобретение может быть использовано для приваривания орбитальной сваркой трением лопаток к барабану осевого компрессора. Барабан (14) удерживают в люльке (44) с помощью делительного стола (54). Люлька (44) выполнена с возможностью поворота и движения в вертикальном направлении для расположения различных участков своей наружной поверхности параллельно плоскости орбитального движения лопатки (18, 20, 22). Лопатка удерживается в устройстве (62) орбитального движения с помощью зажимного устройства (68). Внутренняя поверхность барабана (14) закреплена опорами (51), которые опираются на сердечник (52), крепящийся к люльке (44). Барабан (14) содержит ряд выступов (38), поперечное сечение которых соответствует форме лопатки. Выступы (38) образуют поверхности сопряжения для лопаток (18, 20, 22). Лопатка (18, 20, 22) содержит пластину, обеспечивающую ее надежный зажим в зажимном устройстве (68). Изобретение обеспечивает возможность изготовления тонкостенного барабана с меньшими по сравнению с традиционной линейной сваркой трением затратами. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ может быть использован при изготовлении титановых конструкций методом сварки трением с перемешиванием. Соединяют сваркой титановые листы (802, 804) с образованием заготовки, имеющей несколько литых зон швов (918). Помещают заготовку между секцией матрицы и секцией крышки. Секцию матрицы нагревают для нагрева заготовки. В пространство между секцией крышки и секцией матрицы подают сжатый газ для вдавливания заготовки в форму секции матрицы для формования компонента. Литые зоны швов имеют заданную относительную толщину после формования компонента, составляющую примерно от 1,1 примерно до 1,25, так что металлические листы и сформованный компонент имеют несколько характеристик, являющихся по существу одинаковыми. Упомянутые характеристики выбирают из группы, состоящей из прочности, усталостных характеристик, изломостойкости, коррозионной стойкости, ударной прочности и гранулометрического состава. За счет регулирования процесса сварки трением с перемешиванием обеспечивают выбор необходимой скорости сверхпластической деформации в литой зоне шва с сохранением заданной толщины упомянутой зоны в процессе формования. 13 з.п. ф-лы, 25 ил.

Изобретение относится к области сварки трением с перемешиванием, в частности к способу изготовления штифта инструмента для перемешивающей сварки трением, который устанавливается в держателе инструмента. Способ включает изготовление металлической основы штифта и оболочки из керамического материала. Вначале из керамического материала изготавливают оболочку в виде стакана. Затем внутри оболочки формируют металлическую основу штифта из порошков жаропрочных материалов методом порошковой металлургии. После чего в керамической оболочке выполняют по меньшей мере одну термокомпенсационную прорезь, проходящую по всей высоте оболочки, глубиной, равной ее толщине. Термокомпенсационная прорезь может быть направлена вдоль оси инструмента, или в виде наклонной к оси инструмента линии, или в виде винтовой линии. Способ позволяет получить из керамического материала равноплотную по высоте толстую оболочку штифта с применением несложных технологических операций и в совокупности с термокомпенсационными прорезями существенно повысить срок службы инструмента. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретения могут быть использованы для соединения проводящих металлических элементов. Проводят этап предварительного скользящего перемещения пары соединяемых элементов относительно друг друга без резистивного нагрева. На этапе соединения осуществляют резистивный нагрев посредством пропускания тока через пару соединяемых элементов при скользящем их перемещении относительно друг друга. Скользящее перемещение соединяемых элементов осуществляют посредством возвратно-поступательного или эпициклического движения. Количество тепла, образованного резистивным нагревом, регулируют. На этапе соединения детектируют контактное сопротивление соединяемых элементов или силу трения между ними. Изобретения обеспечивают равномерное соединение поверхностей по всей площади контакта. 4 н. и 52 з.п. ф-лы, 21 ил.

Изобретение может быть использовано для термической обработки сварных соединений, полученных линейной сваркой трением, в частности, соединения диска и лопаток блисков. Нагревают сварное соединение пропусканием через сварное соединение электрического тока до 10 кА при закреплении токоподводов с разных сторон относительно сварного шва на технологическом напуске лопатки и диске блиска. Во время термообработки измеряют температуру поверхности сварного соединения и регулируют ее изменением величины тока в пределах 540-620°С. Максимально допустимую температуру нагрева устанавливают из условия сохранения мелкозернистой структуры сварного соединения. Минимально допустимую температуру устанавливают из условия снятия остаточных сварочных напряжений в сварном соединении. Термообработку осуществляют переменным током с тиристорным регулированием его величины. Изобретение позволяет повысить эффективность снятия остаточных напряжений соединений за счет уменьшения искажения профиля блиска, а также повысить производительность термообработки за счет прямого нагрева всего сечения сварного соединения электрическим током большой величины. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх