PL176524B1

PL176524B1 - Sposób i penetrator do zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny

Info

Publication number: PL176524B1
Application number: PL95316614A
Authority: PL
Inventors: Ole T. Midling; Edward J. Morley; Anders Sandvik
Original assignee: Welding Inst
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1995-01-05
Publication date: 1999-06-30
Also published as: CN1049618C; CZ287673B6; ES2117851T3; CA2182719A1; DE69502716T2; DK0752926T3; NO942790D0; CN1144499A; JPH09508073A; AU676424B2; CA2182719C; WO1995026254A1; CZ258696A3; JP2792233B2; FI963889A; FI109886B; KR100219003B1; US5813592A; FI963889A0; DE69502716D1

Abstract

1 . Sposób zgrzew ania tarciow ego z m ieszaniem w ne trza zgrzeiny, zw laszcza do laczenia zlozonych, w ytlacza nych ksztaltów, polegajacy na dociskaniu do siebie 1 unierucham ianiu razem laczonych elem entów, w prow adza- niu obracajacego sie penetratora z m aterialu tw ardszego, niz laczone elem enty w zdluz linii zgrzewania, przy czym ruch obrotow y penetratora pow oduje w ytw arzanie ciepla tarcia, tworzac obszar uplastyczniony w sasiadujacym m ateriale elem entów, znam ienny tym , ze ujednoradnia sie po- w stajaca zgrzeine (5) przez pow odow anie w zm ozonego przeplyw u uplastycznionego m aterialu zarów no pionowo, jak i poprzecznie do podluznie rozciagajacych sie laczonych elem entów (3 , 4), z jednoczesnym poddaw aniem w ytw orzo- nego uplastycznionego materialu prostopadlem u naciskowi wzdluz powstajacej zgrzeiny (5) i z jednoczesnym pow odo- waniem plyniecia m aterialu wzdluz kolka (24) penetratora (1) w kierunku pionow ym oraz zestalenia uplastycznionego m a- terialu za penetratorem (1) 8 Penetrator do zgrzew ania tarciow ego z m ieszaniem w netrza zgrzeiny, posiadajacy obrotowy, zasadniczo cylin- dryczny korpus, czesc górna polaczona ze zródlem m ocy 1 czesc dolna w yposazona w kolek, znam ienny tym , ze czesc dolna (23) penetratora (1) posiada w klesla pow ierzchnie, zas przym ocow any do niej kolek (24) stanowi w ym ienialna czesc penetratora (1), m ajaca zew netrzna pow ierzchnie gw intow ana Fig. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i penetrator do zgrzewania tarciowego elementów metalowych, z mieszaniem wnętrza zgrzeiny, opartego na względnym ruchu wywołującym tarcie pomiędzy penetratorem z twardszego materiału a elementami, które majazostać złączone.

Zgrzewanie tarciowe oparte na “ścieraniu” łączonych elementów, które generuje wystarczającą ilość ciepła, aby wytworzyć warunki uplastyczniające na sąsiadujących powierzchniach, jest znane i stosowane od dziesiątków lat. Ciepło tarcia jest wytwarzane na styku dwóch łączonych elementów. Jednakże, powstające w ten sposób zgrzeiny posiadają szereg wad pojawiających się w stosowanych procesach. Główną wadą, która znacznie ogranicza stosowanie

176 524 zgrzewania tarciowego, jest fakt, że przynajmniej jeden z elementów, które mają zostać połączone zgrzeiną, musi być osiowo symetryczny. W rezultacie, taki proces nie może być stosowany na przykład dla zastosowań konstrukcyjnych wymagających ciągłych wzdłużnych zgrzein.

Ulepszona wersja wspomnianego zgrzewania, tak zwane zgrzewanie tarciowe z mieszaniem wnętrza zgrzeiny, znane jest ze zgłoszenia patentowego nr WO 93/10935. W tym procesie zgrzewania jest zastosowany penetrator (trzecie ciało) z materiału twardszego niż obrabiane przedmioty. Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem wnętrza zgrzeiny jest oparte na względnym ruchu cyklicznym pomiędzy owym penetratorem, a obrabianymi przedmiotami, dociskającym do siebie penetrator i obrabiane przedmioty w celu utworzenia obszaru uplastycznionego we fragmentach obrabianych przedmiotów, co możliwe jest dzięki wygenerowaniu ciepła tarcia, a następnie zatrzymaniu wspomnianego względnego ruchu cyklicznego i umożliwieniu stwardnienia uplastycznionego materiału. W ten sposób ruch względny pomiędzy obrabianymi przedmiotami, które majązostać połączone, nie wytwarza żadnego ciepła. Sposób ten jest zilustrowany kilkoma przykładami różnych materiałów, z jakich wykonane są obrabiane przedmioty (tworzywa sztuczne, metale), różnych zastosowań (naprawianie pęknięć, uszczelnianie, łączenie) oraz przykładami wykonania zastosowanych penetratorów.

Żaden z powyższych sposobów i urządzeń, przy zastosowaniu do łączenia tłoczonych kształtów w konstrukcjach odpowiedzialnych, nie spełnia wymagań dla zgrzein o dużej spójności wolnych od porów i stanowiących odpowiednie metalurgiczne połączenia konstrukcyjnych części, ani nie spełnia żądanych od zgrzein wymagań przy złączach zakładkowych.

W celu osiągnięcia odpowiedniego spojenia zgrzewanego metalu, część spodnia penetratora (próg) musi pozostawać podczas całej operacji zgrzewania (ruch do przodu) w ścisłym kontakcie z powierzchnią łączonych elementów. Jeżeli próg penetratora podczas tego ruchu do przodu nawet czasowo “podnosi się” z powierzchni, niewielka ilość uplastycznionego materiału zostaje usunięta poza penetrator powodując w ten sposób pojawienie się porów w zgrzeinie, jako że niej est tam dostarczony materiał do wypełnienia wolnej przestrzeni po usunięciu materiału.

Co więcej inne ograniczenie związane jest zużyciem “gładkiego” penetratora do zgrzewania znanego w uprzednich rozwiązaniach, mianowicie wymagane są małe szybkości zgrzewania w celu uzyskania wystarczającego ciepła tarcia materiału (w czasie zetknięcia się penetratora z łączonymi elementami) oraz zapewnienia wystarczającego płynięcia uplastycznionego materiału.

Celem niniejszego wynalazku jest zatem zapewnienie ulepszonego sposobu zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny, zapewniającego złącza o wysokiej spójności, wolne od porów i charakteryzujące się gładką powierzchnią.

Innym celem niniej szego wynalazkuj est ulepszenie dotąd znanego sposobu zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny łączącego na styk tak, aby umożliwić także zgrzewanie na zakładkę oraz wytwarzać złącza łączące trzy lub więcej elementy.

Kolejnym celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie nowego typu penetratora, zapewniającego ujednorodnione zgrzeiny charakteryzujące się zredukowaną strefą poddawaną działaniu ciepła.

Sposób zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny, zwłaszcza do łączenia złożonych, wytłaczanych kształtów, polegający na dociskaniu do siebie i unieruchamianiu razem łączonych elementów, wprowadzaniu obracającego się penetratora z materiału twardszego, niż łączone elementy wzdłuż linii zgrzewania, przy czym ruch obrotowy penetratora powoduje wytwarzanie ciepła tarcia, tworząc obszar uplastyczniony w sąsiadującym materiale elementów, według wynalazku charakteryzuje się tym, że ujednoradnia się powstającą zgrzeinę przez powodowanie wzmożonego płynięcia uplastycznionego materiału zarówno pionowo, jak i poprzecznie do podłużnie rozciągających się łączonych elementów, z jednoczesnym poddawaniem wytworzonego uplastycznionego materiału prostopadłemu naciskowi wzdłuż powstającej zgrzeiny i z jednoczesnym powodowaniem płynięcia materiału wzdłuż kołka penetratora w kierunku pionowym oraz zestalenia uplastycznionego materiału za penetratorem.

Korzystnie, dolną część penetratora wprowadza się między zgrzewane powierzchnie łączonych elementów, w położeniu lekko odchylonym od kierunku prostopadłego do zgrzewa4

176 524 nych powierzchni, przy czym pionowe i poprzeczne płynięcie uplastycznionego materiału w strefie zgrzewania powoduje dzięki ukształtowaniu zewnętrznej powierzchni kołka penetratora, która ma na przemian wystające i zagłębione części wzdłuż jego osi podłużnej.

Korzystnie, co najmniej dwa łączone elementy łączy się zgrzeiną, której nadaje się kształt litery T, lub powstającą zgrzeinę tworzy się poprzez zgrzewanie na zakładkę, bądź też jako zgrzeinę czołową, łączącą dwa elementy ustawione względem siebie pod dowolnym kątem.

Nietopliwy penetrator do zgrzewania tarciowego elementów z mieszaniem wnętrza zgrzeiny, posiadający obrotowy, zasadniczo cylindryczny korpus, część górną połączoną ze źródłem mocy i część dolną wyposażoną w kołek, według wynalazku charakteryzuje się tym, że część dolna penetratora posiada wklęsłąpowierzchnię, zaś przymocowany do niej kołek stanowi wymienialną część penetratora, mającą zewnętrzną powierzchnię gwintowaną, przy czym kołek korzystnie jest wyposażony w przynajmniej parę pionowo rozmieszczonych ostrzy, wystających poprzecznie ze środkowej części kołka.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, a którym· fig. 1 przedstawia schematyczny widok perspektywiczny urządzenia ilustrujący również sposób , fig. 2 - powiększony (częściowy) widok przekroju poprzecznego układu dwuskładnikowego penetratora; fig. 3 - schematycznie zasadnicze cechy nowego sposobu zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny; fig. 4 - graficznie optymalny stosunek pomiędzy jakością zgrzein a obrotową prędkością i przyłożonym do penetratora naciskiem, oraz fig. 5a-e fragmentaryczne, schematyczne widoki perspektywiczne różnych typów przewidzianych złączy zgrzewanych.

Według rysunku, a w szczególności fig. 1, nietopliwy penetrator 1 zawierający obrotowy cylindryczny korpus 2 posiadający część górną 22 połączoną ze źródłem mocy, na przykład silnikiem (nie pokazanym na rysunku), oraz część dolną23 wyposażoną w osobny kołek 24, jest stosowany do łączenia ((zgrzewania) dwóch ułożonych na styk elementów (metalowych płytek) 3 i 4. Dzięki wprowadzeniu pod naciskiem penetratora 1 pomiędzy elementy 3,4 oraz jego obracanie, w celu zapewnienia odpowiedniego ciepła tarcia, stopniowo tworzona jest zgrzeina 5 na styku podczas ruchu przejściowego wzdłuż ustawionych na styk elementów.

Na figurze 2 jest lepiej widoczny szczególnie odkrywczy układ złozonego z dwóch części penetratora 1, części dolnej 23 (progu) penetratora 1 i zewnętrznego kształtu zastosowanego kołka 24 według wynalazku, gdzie część dolna 23 obrotowego cylindrycznego korpusu 2 charakteryzuje się wklęsłąpowierzchnią, podczas gdy zewnętrzna powierzchnia kołka 24 jest wyposażona w na przemian wystające i wgłębione części wzdłuż jego podłużnej osi.

Nawet zastosowany tradycyjny gwint śrubowy na zewnętrznej powierzchni kołka 24, również poprawi jakość zgrzeiny, w korzystnym zaś przykładzie wykonania kołka 24 penetratora 1, ukształtowanie powierzchni, jak pokazano na fig. 2, przewiduje korzystnie dwa lub więcej oddzielne ostrza 25 pionowo rozmieszczone i wystające poprzecznie ze środkowej części kołka 24.

Mikrostruktura zgrzein zapewnionych przez nowy typ kołka charakteryzuje się tym, że złącza głębokie składają się z blokujących się wzajemnie segmentów łączonych elementów przy minimalnych turbulencjach materiałowych.

Złożona konstrukcja stosowanego penetratora 1, zawierającego osobny kołek 24 penetratora 1 w porównaniu z monolityczną konstrukcjąwcześmej znanych penetratorów ma szereg zalet. Po pierwsze, narzędziem tym (penetratorem) można regulować głębokość wprowadzania kołka 24, w ten sposób umożliwiając elastyczność procesu. Po drugie, część kołka 24 może zostać łatwo zamieniona na mnąjednostkę narzędziową (próg/uchwyt), w ten sposób umożliwiając zgrzewanie członów o różnych grubościach ścianek

Nowatorskie cechy nowego narzędzia i ulepszony proces zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny stają się łatwo zrozumiałe dzięki schematycznemu szkicowi przewidzianego penetratora 1 i procesu zgrzewania, który pokazano na fig. 3, na którym W oznacza grubość zgrzewanych elementów, ω prędkość zgrzewania, R promień wygięcia wklęsłego progu penetratora 1, F siłę działającąw dół (nacisk) przyłożoną do penetratora 1, r_s promień progu penetratora. oraz t oznacza “zanurzenie” progu w zgrzewany materiał.

176 524

Wklęsła powierzchnia dolna 23 penetratora 1 charakteryzująca się lekkim odchyleniem względem prostopadłej do powierzchni elementów w połączeniu z wyżej wspomnianym ukształtowaniem śrubowym kołka 24 (nie pokazanym na fig. 3) zapewnia, że uplastyczniony materiałjest prowadzony zarówno pionowo jak i poprzecznie w strefie zgrzewania, w ten sposób zmieniając postać metalu na różnych poziomach w poprzek profilu zgrzewania. Wklęsły kształt progu penetratora 1 zapewnia pewien niesymetryczny nacisk na powierzchnię członów umożliwiaj ący pionowe płynięcie materiału. Fakt ten w połączeniu z poziomym ruchem materiału dzięki zewnętrznej konfiguracji kołka umożliwia powstanie wysokiej jakości zgrzein wolnych od porow.

Figura 4 przedstawia schematycznie optymalny stosunek nacisku w dół F/n(r_s)² w N/mm²przyłożonego do penetratora 1 do rzeczywistej prędkości zgrzewania ω (mm/mm.) przy różnych prędkościach obrotowych, zapewniających zgrzeiny głębokie, wolne od porów, posiadające gładkąpowierzchnię. Rzeczywiste wartości optymalnego stosunku nacisku do prędkości zgrzewania zależą od kilku czynników, na przykład zastosowanego materiału łączonych elementów (stopy aluminium), geometrii progu itd.

Kilka prób zgrzewania przeprowadzonych przy użyciu penetratorów 1 o różnych średnicach pokazuje, że redukcja średnicy progu penetratora w stosunku do rzeczywistej grubości ścianek łączonych elementów daje korzystny rezultat, jeśli chodzi o jakość uzyskiwanych zgrzein obok możliwości zwiększenia prędkości zgrzewania.

Stąd, redukcja średnicy progu penetratora z 20 mm do 15 mm, a następnie do 10 mm zastosowanego do połączenia płaskowników o grubości 3 mm ze stopu 6082.50 umożliwiała wzrost prędkości zgrzewania z 0,3 m/min., przy jednoczesnym osiąganiu wysokiej jakości zgrzein pozbawionych porów charakteryzujących się zredukowaną HAZ (strefą wpływu ciepła) Jest to związane z efektem zredukowania dostarczania ciepła i jego ogniskowania w kierunku okolic utworzonej zgrzeiny pozwalającym na zwiększenie prędkości zgrzewania oraz obniżenie siły dociskowej działającej w dół przyłożonej do penetratora, co umożliwia powstanie zgrzein wolnych od zniekształceń.

Prosty wzór określający optymalny stosunek pomiędzy promieniem progu penetratora 1 (r_s), a grubością ścianek zgrzewanych elementów W będzie wyglądał następująco: 5W/2 > r_s > W/2.

Materiał penetratora jest twardszy niż elementy, które mają zostać połączone. Zazwyczaj przy zastosowaniu elementów z aluminium (stopu) materiał ten powinien charakteryzować się dobiriwytrzymalością przy podniesionych temperaturach, na przykład może zostać zastosowana stal narzędziowa do pracy na gorąco, stal szybkotnąca lub spiek ceramiczno-metalowy.

Figury 5a-e przedstawiają schematycznie fragmentaryczne widoki perpektywiczne różnych typów zgrzein i złączy zgrzewanych, które mogą zostać wykonane według sposobu i przy użyciu penetratora 1 według niniejszego wynalazku, przy czym fig. 5a przedstawia tradycyjną zgrzeinę czołową, fig. 5b - połączenie teowe, fig. 5c - złącze zakładkowe, fig. 5d - inny wariant połączenia teowego zastosowanego dla trzech elementów i w końcu fig. 5e - uzyskanie złącza narożnego pomiędzy dwoma elementami ustawionymi prostopadle względem siebie.

Tak więc zastosowanie nowej i ulepszonej konstrukcji narzędzia według niniejszego wynalazku pozwala na zwiększenie prędkości zgrzewania, zapewniając wytworzenie wystarczającej ilości ciepła tarcia. Ten rezultat jest osiągany dzięki wydłużonemu czasowi kontaktu i wytwarzania ciepła na jednostkę objętości materiału zgrzewanego oraz bliższej lokalizacji wytwarzanego ciepła wzdłuż zgrzeiny. Ponadto zasadnicze siły odkształcające (nacisk) są przykładane do materiału, gdy opuszcza on penetrator zgrzewalniczy. Optymalne połączenie wyżej wspomnianych efektów umożliwia powstanie zgrzein wysokiej jakości, jeśli chodzi o właściwości metalurgiczne i mechaniczne jako, że powstająca ujednorodniona zgrzeina charakteryzuje się brakiem porów na całym jej przekroju poprzecznym.

176 524

Fig. 5e

176 524

Fig.1

Fig. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny, zwłaszcza do łączenia złożonych, wytłaczanych kształtów, polegający na dociskaniu do siebie i unieruchamianiu razem łączonych elementów, wprowadzaniu obracającego się penetratora z materiału twardszego,niż łączone elementy wzdłuż linii zgrzewania, przy czym ruch obrotowy penetratora powoduje wytwarzanie ciepła tarcia, tworząc obszar uplastyczniony w sąsiadującym materiale elementów, znamienny tym, że ujednoradnia się powstającą zgrzeinę (5) przez powodowanie wzmożonego przepływu uplastycznionego materiału zarówno pionowo, jak i poprzecznie do podłużnie rozciągających się łączonych elementów (3,4), z jednoczesnym poddawaniem wytworzonego uplastycznionego materiału prostopadłemu naciskowi wzdłuż powstającej zgrzeiny (5) i z jednoczesnym powodowaniem płynięcia materiału wzdłuż kołka (24) penetratora (1) w kierunku pionowym oraz zestalenia uplastycznionego materiału za penetratorem (1).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dolną część (23) penetratora (1) wprowadza się między zgrzewane powierzchnie łączonych elementów (3,4), w położeniu lekko odchylonym od kierunku prostopadłego do zgrzewanych powierzchni.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powoduje się pionowe i poprzeczne płynięcie uplastycznionego materiału w strefie zgrzewania poprzez zewnętrzną powierzchnię kołka (24) penetratora (1).
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że stosuje się kołek (24), którego zewnętrzna powierzchnia ma na przemian wystające i zagłębione części wzdłuż jego osi podłużnej.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej dwa łączone elementy (3,4) łączy się zgrzeiną (5), której nadaje się kształt litery T.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powstającą zgrzeinę (5) tworzy się poprzez zgrzewanie elementów (3, 4) na zakładkę.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powstającą zgrzeinę (5) tworzy się jako zgrzeinę czołową, łączącą dwa elementy (3, 4) ustawione względem siebie pod dowolnym kątem.
8. Penetrator do zgrzewania tarciowego z mieszaniem wnętrza zgrzeiny, posiadający obrotowy, zasadniczo cylindryczny korpus, część górnąpołączonąze źródłem mocy i część dolną wyposażoną w kołek, znamienny tym, że część dolna (23) penetratora (1) posiada wklęsłą powierzchnię, zaś przymocowany do niej kołek (24) stanowi wymienialną część penetratora (l), mającą zewnętrzną powierzchnię gwintowaną
9. Penetrator według zastrz. 8, znamienny tym, że kołek (24) jest wyposażony w przynajmniej parę pionowo rozmieszczonych ostrzy (25), wystających poprzecznie ze środkowej części kołka (24).