RU184619U1

RU184619U1 - Tungsten carbide welding tool

Info

Publication number: RU184619U1
Application number: RU2018124861U
Authority: RU
Inventors: Игорь Васильевич Высоцкий; Дамир Вагизович Тагиров; Рустам Оскарович Кайбышев; Сергей Сергеевич Малофеев
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2018-07-06
Publication date: 2018-11-01

Abstract

Полезная модель относится к области сварки трением с перемешиванием. Инструмент изготовлен из керамики на основе карбида вольфрама, включающий рабочую часть в виде штыря, представляющего собой сферу, центр которой посажен ниже заплечиков на 0,2 – 0,7 мм, при этом отношение диаметра заплечиков к диаметру штыря находится в диапазоне от 1,9 до 2,3. Полученные геометрические соотношения позволяют изготавливать устойчивые к деформации и разрушению инструменты из карбида вольфрама. При этом возможно пропорциональное масштабирование без потери качества, например, когда необходимо изготовить инструмент для сварки стальных листов большей толщины.The utility model relates to the field of friction stir welding. The tool is made of ceramic based on tungsten carbide, including the working part in the form of a pin, which is a sphere whose center is set below the shoulders by 0.2 - 0.7 mm, while the ratio of the diameter of the shoulders to the diameter of the pin is in the range from 1.9 up to 2.3. The obtained geometric relationships allow the manufacture of tools resistant to deformation and destruction from tungsten carbide. In this case, proportional scaling is possible without loss of quality, for example, when it is necessary to manufacture a tool for welding thicker steel sheets.

Description

Полезная модель относится к области сварки трением с перемешиванием.The utility model relates to the field of friction stir welding.

Из уровня техники известен инструмент для сварки трением с перемешиванием (US № 9656345 B2 от 23 мая 2017) из карбида вольфрама со связующим элементом в виде никеля или кобальта, содержащий на своей рабочей поверхности 2 покрытия, нанесённых методом химического осаждения (CVD): первое покрытие из нитридов, карбидов, карбонитридов, оксикарбидов, оксикарбонитридов Ti или Zr служит переходным слоем, и второе, рабочее покрытие из Al2O3, которое наносится на первое и имеет среднюю толщину более 5 мкм.The prior art tool for friction stir welding (US No. 9656345 B2 of May 23, 2017) made of tungsten carbide with a bonding element in the form of nickel or cobalt, containing on its working surface 2 coatings deposited by chemical deposition (CVD): first coating of nitrides, carbides, carbonitrides, oxycarbides, Ti or Zr oxycarbonitrides serves as a transition layer, and the second, a working coating of Al2O3, which is applied to the first and has an average thickness of more than 5 microns.

Недостатком данного инструмента является то, что для повышения устойчивости инструмента к разрушению были использованы покрытия. Так как сварка трением с перемешиванием сталей проходит при температурах от 700 до 1000 °С различие в коэффициентах термического расширения между покрытием и подложкой (твердым сплавом) может привести к растрескиванию или отслоению покрытия, к тому же карбид вольфрама обладает способностью к деформации при повышенных температурах, что в случае значительных нагрузок может также привести к растрескиванию и отслоению покрытия, к деформации не способного. Кроме того, изготовление крупных инструментов по такой технологии может представлять значительные трудности, так как увеличение площади инструмента приводит к увеличению площади осаждаемого покрытия, а это, в свою очередь приводит к увеличению значений упругих напряжений действующих в интерфейсе покрытие-инструмент, а следовательно к ухудшению адгезии покрытия. The disadvantage of this tool is that coatings were used to increase the tool's resistance to destruction. Since friction welding with stirring of steels takes place at temperatures from 700 to 1000 ° С, the difference in the thermal expansion coefficients between the coating and the substrate (hard alloy) can lead to cracking or delamination of the coating, moreover, tungsten carbide is capable of deformation at elevated temperatures, which, in case of significant loads, can also lead to cracking and peeling of the coating, which is not capable of deformation. In addition, the manufacture of large tools using this technology can present significant difficulties, since an increase in the area of the tool leads to an increase in the area of the deposited coating, and this, in turn, leads to an increase in the values of the elastic stresses acting in the coating-tool interface, and therefore to a deterioration in adhesion coverings.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание твердосплавного инструмента для сварки трением с перемешиванием способного работать длительное время не разрушаясь при сварке высокопрочных материалов.The objective of the proposed utility model is the creation of a carbide tool for friction stir welding with the ability to work for a long time without breaking when welding high-strength materials.

Поставленная задача решается посредством инструмента для сварки трением с перемешиванием, изготовленного из керамики на основе карбида вольфрама, включающего рабочую часть в виде штыря, представляющего собой сферу, центр которой посажен ниже заплечиков на 0,2 – 0,7 мм, при этом отношение диаметра заплечиков к диаметру штыря находится в диапазоне от 1,9 до 2,3. The problem is solved by means of a friction stir welding tool made of ceramic based on tungsten carbide, including a working part in the form of a pin, which is a sphere, the center of which is lower than the shoulders by 0.2 - 0.7 mm, while the ratio of the diameter of the shoulders to the diameter of the pin is in the range from 1.9 to 2.3.

Техническим результатом является устойчивость инструмента к разрушению и чрезмерным деформациям даже при критических режимах сварки, за счет придания инструменту из твердосплава предлагаемой геометрической формы.The technical result is the resistance of the tool to destruction and excessive deformations even under critical welding conditions, due to giving the tool from the carbide the proposed geometric shape.

Полезная модель поясняется чертежами.The utility model is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен чертёж экспериментально определённой оптимальной формы инструмента из карбида вольфрама.In FIG. 1 is a drawing of an experimentally determined optimal shape of a tungsten carbide tool.

На фиг. 2 представлено бездефектное сварное соединение TWIP стали, полученное с помощью инструмента, изготовленного по чертежу, представленному на фиг. 1.In FIG. 2 shows a defect-free welded joint of TWIP steel obtained using a tool made according to the drawing shown in FIG. one.

На фиг. 3 приведён чертёж инструмента, нарисованный по пропорциям, полученным из чертежа на фиг.1.In FIG. 3 shows a drawing of a tool drawn in the proportions obtained from the drawing in figure 1.

На фиг. 4 приведена фотография инструмента в держателе, изготовленного по чертежу представленному на фиг. 3, и испытанному на образцах TWIP стали. In FIG. 4 is a photograph of a tool in a holder made according to the drawing shown in FIG. 3, and tested on TWIP steel samples.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Для сварки трением с перемешиванием высокопрочных материалов с высокой температурой плавления, например сталей, требуются материалы, значительно превосходящие их как по прочностным, так и по температурным диапазонам эксплуатации. На сегодняшний день известно несколько материалов, позволяющих изготавливать инструменты для сварки трением с перемешиванием сталей, это керамики на основе поликристаллического кубического нитрида бора (US 8074865 B2 от 13 декабря 2011) и керамики на основе карбида вольфрама (US 2010/0258612 A1 от 14 октября 2010).Friction welding with stirring of high-strength materials with a high melting point, such as steels, requires materials that significantly exceed them both in strength and in temperature ranges of operation. To date, several materials are known that allow the manufacture of tools for friction welding with stirring of steel, these are ceramics based on polycrystalline cubic boron nitride (US 8074865 B2 dated December 13, 2011) and ceramics based on tungsten carbide (US 2010/0258612 A1 dated October 14, 2010 )

Но даже в этом случае изготовленные инструменты быстро приходят в негодность деформируясь, растрескиваясь и разрушаясь уже после нескольких метров, или даже нескольких десятков сантиметров (в зависимости от класса стали и режима сварки) сварного соединения [F.C. Liu, Y. Hovanski, M.P. Miles, C.D. Sorensen, T.W. Nelson, A review of friction stir welding of steels: tool, material flow, microstructure, and properties, Journal of Materials Science & Technology 2018, v.34, pp. 39-57]. Поэтому задача продления ресурса инструментов из твёрдых сплавов актуальна и требует решения. But even in this case, the manufactured tools quickly become unusable by deforming, cracking and collapsing after a few meters, or even several tens of centimeters (depending on the class of steel and the welding mode) of the welded joint [F.C. Liu, Y. Hovanski, M.P. Miles, C.D. Sorensen, T.W. Nelson, A review of friction stir welding of steels: tool, material flow, microstructure, and properties, Journal of Materials Science & Technology 2018, v. 34, pp. 39-57]. Therefore, the task of extending the life of carbide tools is relevant and needs to be addressed.

В нашем случаев в качестве твердосплава был выбран пруток диаметром 12,3 мм из карбида вольфрама с содержанием 10% кобальта, размером зерна 0,7 мкм и твёрдостью 91 HRA, из которого путём отрезания профиля с многократным поворотом, на погружном, электроэрозионном, проволочно-вырезном станке AQ300L фирмы Sodick был изготовлен ряд прототипов инструментов с диаметром заплечиков 12,3 и разными формами штырей высотой 1,5 мм и диаметром основания 4 мм, а именно: цилиндр, конус и сфера (центр которой был посажен на 0,57 мм ниже заплечиков). В качестве материала, на котором отрабатывалась устойчивость инструментов к деформации и разрушению использовалась высокомарганцевая TWIP сталь 0,6C-18Mn-0.1N.In our cases, a tungsten carbide rod with a content of 10% cobalt, a grain size of 0.7 μm and a hardness of 91 HRA was selected as a carbide with a hardness of 91 HRA, from which by cutting a profile with multiple turns, on a submersible, electroerosive, wire Sodick's AQ300L cutting machine produced a series of tool prototypes with a shoulder diameter of 12.3 and various pin shapes with a height of 1.5 mm and a base diameter of 4 mm, namely a cylinder, cone and sphere (the center of which was set 0.57 mm lower shoulders). High-manganese TWIP steel 0.6C-18Mn-0.1N was used as a material on which the tool resistance to deformation and destruction was tested.

Эксперименты показали, что цилиндрический и конический штыри претерпевали серьёзные деформации и разрушались уже после 200 мм сварного соединения, тогда как сферический штырь позволял варить швы суммарной длиной более 1 метра, не претерпевая существенных изменений. Но при этом заплечики значительно деформировались, растрескивались и разрушались в процессе сварки.The experiments showed that the cylindrical and conical pins underwent serious deformations and collapsed after 200 mm of the welded joint, while the spherical pin allowed the seams to be welded with a total length of more than 1 meter, without undergoing significant changes. But at the same time, the shoulders were significantly deformed, cracked and destroyed during the welding process.

Для оптимизации формы заплечиков был изготовлен ряд инструментов с заплечиками разного диаметра и штырём в виде сферы. Экспериментально установлено, что при соотношении диаметров заплечиков и штыря больше 2,3 происходит значительная деформация заплечиков, а при соотношении меньше 1,9 в сварном соединении появляется дефект-канал на всю глубину и длину шва, устранить который не получалось ни увеличением прижимной силы, ни изменением режимов сварки. To optimize the shape of the shoulders, a series of tools were made with shoulders of different diameters and a pin in the form of a sphere. It was experimentally established that when the ratio of the diameters of the shoulders and the pin is greater than 2.3, a significant deformation of the shoulders occurs, and when the ratio is less than 1.9 in the welded joint, a defect channel appears over the entire depth and length of the seam, which could not be eliminated either by an increase in downforce or change of welding modes.

На основании полученных данных об оптимальных геометрических соотношениях был изготовлен инструмент согласно чертежу, представленному на фиг. 1. Где штырь 1 представляет собой сферу диаметром 4 мм, центр которой 2 посажен ниже заплечиков 3 на 0,57 мм, а заплечики 3 имеют диаметр 8,5 мм, так что соотношение диаметров заплечиков и штыря составляет 2,12. Последующая сварка TWIP стали показала, что инструмент позволяет получать бездефектные соединения даже при значительном перегреве инструмента (фиг.2), а инструмент не меняет своей геометрической формы. Дальнейшие испытания на критическом режиме сварки (1000 об/мин, 150 мм/мин) показали, что плечики не деформируются вовсе, а штырь может претерпевать деформацию из сферы в цилиндр высотой 1,1 мм и диаметром 4 мм, после чего дальнейшее формоизменение штыря прекращается. Сварка же на щадящих режимах (например 700 об/мин, 300 мм/мин) не приводит к заметному формоизменению штыря, при этом также получаются бездефектные соединения. Based on the obtained data on the optimal geometric ratios, a tool was made according to the drawing shown in FIG. 1. Where pin 1 is a sphere with a diameter of 4 mm, the center of which 2 is set below the shoulders 3 by 0.57 mm, and the shoulders 3 have a diameter of 8.5 mm, so that the ratio of the diameters of the shoulders and the pin is 2.12. Subsequent welding of TWIP steel showed that the tool allows you to get defect-free joints even with significant overheating of the tool (figure 2), and the tool does not change its geometric shape. Further tests at the critical welding mode (1000 rpm, 150 mm / min) showed that the arms are not deformed at all, and the pin can undergo deformation from a sphere into a cylinder 1.1 mm high and 4 mm in diameter, after which further shaping of the pin stops . Welding in gentle conditions (for example, 700 rpm, 300 mm / min) does not lead to a noticeable change in the shape of the pin, and defect-free joints are also obtained.

Для проверки универсальности полученных геометрических соотношений был нарисован (фиг.3), изготовлен и испытан инструмент (фиг.4) со штырём 1, представляющим собой сферу диаметром 6 мм, центр которой 2 посажен ниже заплечиков 3 на 0,57 мм, и заплечиками 3 диаметром 12,3 мм. Испытания показали отсутствие каких-либо значимых следов деформации или износа заплечиков и штыря (фиг.4), при этом на всех проверенных режимах сварки соединения получались бездефектными. To test the universality of the obtained geometric relations, a tool was drawn (Fig. 3), a tool (Fig. 4) was made and tested with a pin 1, which is a sphere with a diameter of 6 mm, the center of which 2 is lower than the shoulders 3 by 0.57 mm, and by the shoulders 3 diameter 12.3 mm. Tests showed the absence of any significant traces of deformation or wear of the shoulders and pin (Fig. 4), while in all the tested welding modes, the joints turned out to be defect-free.

Следовательно, полученные геометрические соотношения позволяют изготавливать устойчивые к деформации и разрушению инструменты из карбида вольфрама. При этом возможно пропорциональное масштабирование без потери качества, например, когда необходимо изготовить инструмент для сварки стальных листов большей толщины.Consequently, the obtained geometric relationships allow the manufacture of tungsten carbide-resistant tools that are resistant to deformation and destruction. In this case, proportional scaling is possible without loss of quality, for example, when it is necessary to manufacture a tool for welding thicker steel sheets.

Claims

A friction stir welding tool made of ceramic based on tungsten carbide, containing a working part in the form of a pin, which is a sphere, and shoulders, while the center of the sphere is located below the shoulders by 0.2 - 0.7 mm, and the ratio of the diameter of the shoulders to the diameter of the pin is (1.9 - 2.3).