NO314752B1

NO314752B1 - Procedure for friction welding

Info

Publication number: NO314752B1
Application number: NO19964115A
Authority: NO
Inventors: Ole Terje Midling; Edward James Morley; Anders Sandvik
Original assignee: Welding Inst
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2003-05-19
Also published as: NO964115L; NO964115D0

Description

Oppfinnelsen vedrører en metode for friksjonssveising til sammenføyning av (metall)emner og mer spesifikt til såkalt omrøringsfriksjonssveising basert på en relativ gnidningsbevegelse mellom en sonde av hardere materiale og emner som skal sammenføyes. Oppfinnelsen vedrører også et forbedret verktøy til bruk i friksjonssveiseprosessen. The invention relates to a method for friction welding for joining (metal) blanks and more specifically to so-called stir friction welding based on a relative rubbing movement between a probe of harder material and blanks to be joined. The invention also relates to an improved tool for use in the friction welding process.

Friksjonssveising basert på prinsippet med «gnidning» av emnene som skal sammenføyes slik at det blir frembrakt tilstrekkelig varme til å frembringe en plastisk tilstand i de tilstøtende overflater, har vært kjent og praktisert i flere tiår. Friksjonsvarmen blir utelukkende frembrakt av de to komponentene som skal sammenføyes. De resulterende sveisesømmene er imidlertid beheftet med en del ulemper som ifølge sakens natur ligger i de prosesser som blir brukt. Den viktigste ulempen, som i betydelig grad begrenser bruksområdet for friksjonssveising, er at minst én av komponentene som skal sveises må være aksialt symmetrisk. Følgelig kan en slik prosess ikke brukes f.eks. for sammenføyninger i konstruksjoner som krever langsgående, kontinuerlige sveisesømmer. Friction welding, based on the principle of "rubbing" of the workpieces to be joined so that sufficient heat is produced to produce a plastic state in the adjacent surfaces, has been known and practiced for several decades. The frictional heat is exclusively produced by the two components to be joined. The resulting welds are, however, subject to a number of disadvantages which, according to the nature of the matter, lie in the processes used. The most important disadvantage, which significantly limits the area of application for friction welding, is that at least one of the components to be welded must be axially symmetrical. Consequently, such a process cannot be used e.g. for joints in constructions that require longitudinal, continuous welding seams.

Den forbedrede metoden for slik sveising, såkalt omrørings-friksjonssveising, er kjent fra W093/10935. En sonde (et tredje legeme) av et hardere materiale enn arbeidsstykkene blir tatt i bruk i sveiseprosessen. Omrøringsfriksjonssveising er basert på en relativ syklisk bevegelse mellom sonden og arbeidsstykkene, slik at sonden og arbeidsstykkene blir sammenpresset med det resultat at det oppstår et plastisert område på arbeidsstykket som følge av den frembrakte friksjonsvarme. The improved method for such welding, so-called stir-friction welding, is known from WO93/10935. A probe (a third body) of a harder material than the workpieces is used in the welding process. Stir friction welding is based on a relative cyclic movement between the probe and the workpieces, so that the probe and the workpieces are compressed with the result that a plasticized area occurs on the workpiece as a result of the generated frictional heat.

Deretter stanses den relative rotasjonsbevegelsen og det plastiserte materialet tillates å størkne. Følgelig blir det ikke frembrakt varme som følge av relativ bevegelse mellom arbeidsstykkene som skal sammenføyes. Metoden er illustrert gjennom diverse eksempler på forskjellige materialer i arbeidsstykket (plast, metaller), bruksområder (reparasjon av sprekker, forsegling, sammenføyning) og diverse utførelser av den benyttede sonden. The relative rotational movement is then stopped and the plasticized material is allowed to solidify. Consequently, no heat is generated as a result of relative movement between the workpieces to be joined. The method is illustrated through various examples of different materials in the workpiece (plastics, metals), areas of use (repair of cracks, sealing, joining) and various designs of the probe used.

Heller ikke ovennevnte beskrevne metode og verktøy kan, ved bruk til sammenføyning av ekstruderte profiler til konstruksjoner for kritiske bruksområder, tilfredsstille kravet til sveisesømmer med høy integritet fri for porøsitet og skikkelig metallurgisk sammenføyning av konstruksjonsdeler, og heller ikke et krav om å frembringe overlappende sveisesømmer. Nor can the above described method and tools, when used for joining extruded profiles to constructions for critical applications, satisfy the requirement for weld seams with high integrity free from porosity and proper metallurgical joining of structural parts, nor a requirement to produce overlapping weld seams.

For å oppnå en skikkelig konsolidering av den sveisede metallet må nedre del (skulderparti) av sonden opprettholde nær kontakt med overflaten på de sammenføyde emnene under hele sveiseoperasjonen. Skulle det under bevegelse av sonden fremover inntreffe selv midlertidig «løfting» av sonden fra overflaten, vil en liten mengde av det plastiserte sveisematerialet bli drevet ut bakom sonden, noe som forårsaker dannelse av hulrom (kaviteter) i sveisen siden det ikke finnes noe tilgjengelig materiale for å etterfylle det ledige rommet etter det utdrevne materialet. To achieve a proper consolidation of the welded metal, the lower part (shoulder part) of the probe must maintain close contact with the surface of the joined workpieces throughout the welding operation. Should even temporary "lifting" of the probe from the surface occur during forward movement of the probe, a small amount of the plasticized welding material will be driven out behind the probe, causing the formation of voids (cavities) in the weld since there is no available material to replenish the space left by the expelled material.

Videre finnes det en annen begrensning relatert til anvendelse av en «glatt» sveisesonde kjent fra teknikkens stand, og det er de lave sveisehastigheter som er påkrevd for å oppnå tilstrekkelig friksjonsoppvarming av materialet (minimal kontakttid mellom sonden og de sammenføyde emner) og for å sikre tilstrekkelig flyt av det plastiserte materialet. Furthermore, there is another limitation related to the use of a "smooth" welding probe known from the state of the art, and it is the low welding speeds that are required to achieve sufficient frictional heating of the material (minimum contact time between the probe and the joined workpieces) and to ensure sufficient flow of the plasticized material.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å frembringe en forbedret fremgangsmåte for omrøringsfriksjonssveising, som sikrer sveisesømmer av høy integritet, fri for porer og med en jevn overflatekvalitet. It is therefore an object of the present invention to produce an improved method for stir friction welding, which ensures welding seams of high integrity, free of pores and with a uniform surface quality.

Et annen formål med oppfinnelsen er å forbedre den allerede kjente fremgangsmåten for buttsveising med omrøringsfriksjon slik at den også kan brukes til overlappsveising og til sammenføyning av tre eller flere komponenter. Another purpose of the invention is to improve the already known method for butt welding with stirring friction so that it can also be used for lap welding and for joining three or more components.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å frembringe en ny type sonde som sikrer jevne, homogene sveisesømmer med begrenset varmepåvirket sone(r). A further purpose of the invention is to produce a new type of probe which ensures smooth, homogeneous weld seams with limited heat-affected zone(s).

Disse og andre formål med oppfinnelsen oppnås gjennom en fremgangsmåte for omrøringsfriksjonssveising og et apparat (en sonde) slik det fremgår av de tilhørende patentkrav 1-8. These and other purposes of the invention are achieved through a method for stir friction welding and an apparatus (a probe) as is evident from the associated patent claims 1-8.

Andre formål, spesielle trekk og fordeler med den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av nedenstående detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen med henvisning til de medfølgende tegningene, fig. 1-5, hvor: fig. 1 er et skjematisk perspektivsnitt av sveiseapparatet/prosessen som kan benyttes i oppfinnelsen, Other purposes, special features and advantages of the present invention will be apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings, fig. 1-5, where: fig. 1 is a schematic perspective section of the welding apparatus/process that can be used in the invention,

fig. 2 viser et forstørret (delt) tverrsnitt av sondens todelte konfigurasjon, fig. 2 shows an enlarged (split) cross-section of the two-part configuration of the probe,

fig. 3 viser skjematisk de prinsipielle trekk ved den nye fremgangsmåten for omrøringsfriksjonssveising, fig. 3 schematically shows the principal features of the new method for stir friction welding,

fig. 4 gir en grafisk fremstilling av det optimale forholdet mellom sveisehastighet og trykk anvendt på sonden, og fig. 4 provides a graphical representation of the optimal relationship between welding speed and pressure applied to the probe, and

fig. 5a-e er delvise, skjematiske perspektivtegninger av forskjellige typer sveisesømmer fremskaffet i henhold til oppfinnelsen. fig. 5a-e are partial, schematic perspective drawings of various types of welds produced according to the invention.

Med henvisning til tegningene, og da særlig fig. 1, blir en ikke-konsumerbar sonde 1 omfattende et roterende sylindrisk legeme 2 med en øvre del 22 tilkoplet en kraftkilde, f.eks. en motor (ikke vist på tegningen), og en nedre del 23 utstyrt med en separat tapp 24, brukt til sammenføyning (sveising) av to emner (metallplater) 3 og 4 plassert butt mot butt. Ved å sette inn sonden 1 mellom emnene 3 og 4 under trykk og rotasjon med det formål å frembringe tilstrekkelig friksjonsvarme, blir det under påfølgende bevegelser langs emnene som er plassert butt mot butt frembrakt en buttsveisesøm 5. With reference to the drawings, and in particular fig. 1, a non-consumable probe 1 comprising a rotating cylindrical body 2 with an upper part 22 is connected to a power source, e.g. a motor (not shown in the drawing), and a lower part 23 equipped with a separate pin 24, used for joining (welding) two blanks (metal sheets) 3 and 4 placed butt against butt. By inserting the probe 1 between the workpieces 3 and 4 under pressure and rotation with the aim of generating sufficient frictional heat, during subsequent movements along the workpieces which are placed butt against butt, a butt weld seam 5 is produced.

Den spesielle innovative utforming av den todelte sonden 1, den nedre del 23 av sonden og den ytre utforming (konfigurasjon) av tappen 24 i henhold til oppfinnelsen fremgår tydeligere av fig. 2, hvor den nedre del 23 av den roterende sylindriske del 2 viser en konkav overflate, mens den ytre overflaten av tappen 24 er utformet med vekselvis utstikkende og tilbaketrukne partier. The special innovative design of the two-part probe 1, the lower part 23 of the probe and the external design (configuration) of the pin 24 according to the invention is more clearly seen in fig. 2, where the lower part 23 of the rotating cylindrical part 2 shows a concave surface, while the outer surface of the pin 24 is designed with alternately protruding and retracted parts.

Selv om en konvensjonell, skruegjenget utførelse av den ytre overflaten av tappen kan brukes og vil medføre en viss forbedring av sømkvaliteten, består tappen i sin foretrukne utførelse, som vist på figuren, av to separate blader 25 som stikker loddrett frem fra midtre del av tappen. Although a conventional, screw-threaded design of the outer surface of the pin can be used and will provide some improvement in seam quality, the pin in its preferred embodiment, as shown in the figure, consists of two separate blades 25 projecting vertically from the center of the pin .

Mikrostrukturen av sveisesømmene oppnådd ved hjelp av denne nye type av sonden viser fine sammenføyninger bestående av forbundne plastiserte segmenter av materiale fra de sammenføyde emnene med minimal (material)turbulens. The microstructure of the welds obtained using this new type of probe shows fine joints consisting of connected plasticized segments of material from the joined blanks with minimal (material) turbulence.

Komposittkonstruksjonen av den benyttede sonden 1 omfattende en separat sondetapp gir flere fordeler sammenlignet med de tidligere kjente monolittiske sondekonstruksjoner. For det første kan verktøyet (sonden) justeres med henblikk på tappens innstikkdybde, noe som gir fleksibilitet i prosessen, og for det andre kan tappdelen lett byttes mellom forskjellige verktøyer (skuldre/holdere) og på denne måten tilpasses for sveising av emner med variert veggtykkelse. The composite construction of the used probe 1 comprising a separate probe pin offers several advantages compared to the previously known monolithic probe constructions. Firstly, the tool (probe) can be adjusted with regard to the pin's insertion depth, which gives flexibility in the process, and secondly, the pin part can be easily changed between different tools (shoulders/holders) and in this way adapted for welding workpieces with varied wall thickness .

De innovative trekk ved det nye verktøyet og den forbedrede fremgangsmåten for omrøringsfriksjonssveising vil fremgå tydelig av den skjematiske tegningen av sonden og sveisemåte som vist i fig. 3, hvor W indikerer tykkelsen på de sveisede emnene, <o er sveisehastighet, R radius i krumningen til det konkave skulderparti av sonden, F er nedoverrettet kraft (trykk) brukt på sonden, rs skulderradiusen på sonden og t betegner «underkutt» av skulderpartiet i det sveisede materialet. The innovative features of the new tool and the improved method of stir friction welding will be clearly seen from the schematic drawing of the probe and method of welding as shown in fig. 3, where W indicates the thickness of the welded workpieces, <o is the welding speed, R the radius of curvature of the concave shoulder part of the probe, F is the downward force (pressure) applied to the probe, rs the shoulder radius of the probe and t denotes the "undercut" of the shoulder part in the welded material.

Den konkave bunnflaten 23 av sonden 1 viser en viss helling i forhold tii sveiseoverflaten, og kombinert med den ovennevnte skruekonfigurasjonen av tappen 24 (ikke vist på figuren) sikrer dette at det plastiserte materialet blir drevet både vertikalt og lateralt i en sveisesone, og forflytter dermed metall mellom forskjellige nivåer langs sveiseprofilen. Den konkave utformingen av sondens skulder gir en viss usymmetrisk sammenpressing på emnenes overflate, noe som fører til vertikal flyt/overføring av materiale. Sammen med den horisontale bevegelsen av materialet på grunn av tappens skruekonfigurasjon resulterer dette i sveisesømmer av høy kvalitet uten porer (kaviteter). The concave bottom surface 23 of the probe 1 shows a certain inclination in relation to the welding surface, and combined with the above-mentioned screw configuration of the pin 24 (not shown in the figure) this ensures that the plasticized material is driven both vertically and laterally in a welding zone, thus moving metal between different levels along the weld profile. The concave design of the probe's shoulder produces a certain asymmetric compression on the workpiece's surface, which leads to vertical flow/transfer of material. Together with the horizontal movement of the material due to the pin screw configuration, this results in high quality welds without pores (cavities).

Fig. 4 viser skjematisk et optimalt forhold mellom et nedoverrettet trykk F i N/mm2 som virker på sonden, og den faktiske sveisehastigheten © (mm/min) ved forskjellige rotasjonshastigheter for å sikre en god sveis uten porer og med jevn overflate. De faktiske verdiene for optimalt forhold mellom trykk og sveisehastighet avhenger av flere faktorer, f.eks. materialet i emnene som skal sammenføyes (aluminiumslegeringer) skuldergeometri osv. Fig. 4 schematically shows an optimal relationship between a downward pressure F in N/mm2 acting on the probe, and the actual welding speed © (mm/min) at different rotation speeds to ensure a good weld without pores and with a smooth surface. The actual values for the optimum relationship between pressure and welding speed depend on several factors, e.g. the material of the workpieces to be joined (aluminium alloys) shoulder geometry etc.

Flere sveiseforsøk utført med sonder med forskjellig diameter viser at reduksjon av skulderdiameteren i forhold til de aktuelle veggtykkelsene på de sammenføyde emner har positiv innvirkning på sømkvaliteten utover mulighetene for å øke sveisehastigheten. Several welding tests carried out with probes of different diameters show that reducing the shoulder diameter in relation to the relevant wall thicknesses of the joined workpieces has a positive effect on the seam quality beyond the possibilities of increasing the welding speed.

Således tillot f.eks. reduksjon i skulderdiameteren fra 20 til 15 og ytterligere til 10 mm anvendt for sammenføyning av 3 mm tykke flate profiler av legering 6082.50 å øke sveisehastigheten fra 0,3 m/min. til 0,8 m/min. og oppnå porefrie høykvalitetssømmer som viser begrenset varmepåvirket sone. Dette er et kombinert resultat av redusert varmetilførsel rettet samtidig mot nærheten av de dannede sømmene, noe som tillater en økning av sveisehastigheten og redusert nedadrettet kraft brukt på sonden og resulterer i sveisede konstruksjoner uten deformasjoner. Thus allowed e.g. reduction in the shoulder diameter from 20 to 15 and further to 10 mm used for joining 3 mm thick flat profiles of alloy 6082.50 to increase the welding speed from 0.3 m/min. to 0.8 m/min. and achieve pore-free, high-quality seams that show a limited heat-affected zone. This is a combined result of reduced heat input directed simultaneously to the vicinity of the formed seams, which allows an increase in welding speed and reduced downward force applied to the probe and results in welded structures without deformations.

En enkel formel som definerer optimalt forhold mellom radiusen på sondeskulderen (rs) og veggtykkelsen W på de sveisede emnene vil være: A simple formula that defines the optimal relationship between the radius of the probe shoulder (rs) and the wall thickness W of the welded workpieces will be:

Materialet i sonden er hardere enn arbeidsstykkene/emnene som skal sammenføyes. Ved typisk bruk på emner av aluminium (Al-legeringer) bør materialet vise god styrke ved høye temperaturer, f.eks. kan varmebearbeidet stål, høyhastighetsstål eller cermet-materialer brukes. Fig. 5a-e viser skjematisk i fragmentariske perspektivsnitt forskjellige typer sveis som kan. frembringes med fremgangsmåten og sonden ifølge oppfinnelsen. Fig. 5a viser en konvensjonell buttsveis, fig. 5b viser enT-formet sammenføyning mellom to emner, fig. 5c er en overlappende sveisesøm, fig. 5d viser en annen variant av T-formet sammenføyning av tre emner, og til sist fig. 5e som illustrerer en hjørnesveis mellom to emner plassert rett på hverandre. The material in the probe is harder than the workpieces/pieces to be joined. When typically used on workpieces made of aluminum (Al alloys), the material should show good strength at high temperatures, e.g. heat treated steel, high speed steel or cermet materials can be used. Fig. 5a-e schematically shows in fragmentary perspective sections different types of welding that can. produced with the method and the probe according to the invention. Fig. 5a shows a conventional butt weld, fig. 5b shows a T-shaped joint between two blanks, fig. 5c is an overlapping weld seam, fig. 5d shows another variant of T-shaped joining of three blanks, and finally fig. 5e which illustrates a corner weld between two workpieces placed directly on top of each other.

Bruk av den nye og forbedrede design av sveiseutstyret ifølge foreliggende oppfinnelse tillater å øke sveisehastighetene under generasjon av tilfredsstillende friksjonsvarme. Denne effekten oppnås takket være utvidet kontakt/oppvarmingstid pr. volumenhet av det sveisede materialet samt konsentrasjon av den utviklede varmen nærmere sveiselinjen. Videre kan man også anvende vesentlig kraft/trykk på materialet som forlater sveisesonden. En optimal kombinasjon av de ovennevnte effekter resulterer i høykvalitetssømmer både når det gjelder metallurgiske og mekaniske egenskaper takket være en homogenisert sveis (søm) som ikke viser noen porøsitet gjennom hele sveisetverrsnittet. Use of the new and improved design of the welding equipment according to the present invention allows welding speeds to be increased while generating satisfactory frictional heat. This effect is achieved thanks to extended contact/heating time per unit volume of the welded material as well as concentration of the developed heat closer to the welding line. Furthermore, significant force/pressure can also be applied to the material leaving the welding probe. An optimal combination of the above effects results in high-quality seams both in terms of metallurgical and mechanical properties thanks to a homogenized weld (seam) that shows no porosity throughout the weld cross-section.

Claims

1. Method for stir friction welding of workpieces, in particular for joining extruded composite profiles, comprising steps where the composite workpieces are forced against each other, a probe (1) is inserted between the workpieces along a joint line during rotary motion, where frictional heat is generated leading to the formation of a plasticized area on the workpieces, characterized in that the method comprises a homogenization of the resulting weld seam which is ensured by elevated flow of plasticized material both perpendicularly and vertically in the longitudinal direction of the joined workpieces, by subjecting the produced plasticized material to a perpendicular pressure along the workpieces surface which causes material to simultaneously flow along the probe's pin (24) in a vertical direction and the plasticized material solidifies behind the probe (1).

2. Procedure according to requirement 1, characterized in that the probe's lower part (23) comes into engagement with the adjacent surfaces of the workpieces to be joined at a certain inclination in relation to the welding fiats.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the probe's pin (24) has an external configuration, which ensures vertical and lateral flow of the plasticized material over the welding zone.

4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that two or more workpieces are welded with a T-type seam.

5. Method according to any one of claims 1-3, characterized in that the welding seam produced is in the form of an overlap weld.

6. Method according to any one of claims 1-3, characterized in that the welding seam produced is a corner weld which connects two workpieces which are placed essentially at any angle in relation to each other.

7. A non-consumable probe (1) for stir friction welding of workpieces comprising a rotating, generally cylindrical body (2) with an upper part (22) connected to a power source and a lower part (23) equipped with a pin (24) , characterized in that the lower part (23) has a concave surface design and that the mounted pin (24) essentially has a screw-like outer design.

8. The probe according to claim 7, characterized in that the pin (24) is equipped with at least one pair of vertically placed blades (25) which protrude laterally from the central part of the pin (24).