RU2126738C1 - Method of friction welding with mixing and permanent probe for use in friction welding - Google Patents
Method of friction welding with mixing and permanent probe for use in friction welding Download PDFInfo
- Publication number
- RU2126738C1 RU2126738C1 RU96120095A RU96120095A RU2126738C1 RU 2126738 C1 RU2126738 C1 RU 2126738C1 RU 96120095 A RU96120095 A RU 96120095A RU 96120095 A RU96120095 A RU 96120095A RU 2126738 C1 RU2126738 C1 RU 2126738C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- probe
- elements
- finger
- welding
- weld
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу сварки трением соединяемых (металлических) элементов или деталей и, в частности, к так называемой сварке трением с перемешиванием, основанной на взаимном полирующем движении или перемещении между щупом из более твердого материала и соединяемыми деталями. Настоящее изобретение также направлено на усовершенствованный инструмент, используемый в процессе сварки трением. The invention relates to a method of friction welding of connected (metal) elements or parts, and, in particular, to the so-called friction stir welding based on mutual polishing motion or movement between a probe of harder material and the parts to be joined. The present invention is also directed to an improved tool used in a friction welding process.
Сварка трением основана на принципе "натирания" или "полирования" соединяемых изделий таким образом, чтобы генерировать достаточное количество тепла, создавая таким образом пластифицированное или размягченное состояние примыкающих поверхностей, что хорошо известно и широко используется в практике в течение нескольких десятилетий. Тепло трения генерируется только двумя соединяемыми элементами. Однако полученный в результате этого сварной шов страдает всеми недостатками, присущими используемому процессу. Основным недостатком, который существенно ограничивает применимость сварки трением, является то, что, по крайней мере, один из элементов, подлежащих сварке, должен быть осесимметричным. Следовательно этот процесс неприменим, например, для конструкций, требующих получения непрерывных продольных сварных швов. Friction welding is based on the principle of "rubbing" or "polishing" the joined products in such a way as to generate a sufficient amount of heat, thus creating a plasticized or softened state of adjacent surfaces, which is well known and widely used in practice for several decades. Friction heat is generated only by two connected elements. However, the weld resulting from this suffers from all the disadvantages inherent in the process used. The main disadvantage, which significantly limits the applicability of friction welding, is that at least one of the elements to be welded must be axisymmetric. Therefore, this process is not applicable, for example, for structures requiring continuous longitudinal welds.
Усовершенствованный вариант такой сварки, так называемой сварки трением с перемешиванием, известен из WO 93/10935. В процессе сварки используют щуп или зонд (третье тело) из более твердого, чем обрабатываемые заготовки, материала. Сварка трением основана на взаимном цикличном движении между щупом и заготовками, побуждающем щуп и заготовки создавать благодаря генерируемому теплу трения пластифицированную или размягченную зону в участке обрабатываемой заготовки, прекращении взаимного циклического движения и обеспечения возможности затвердевания размягченному пластичному материалу. Таким образом никакое тепло не генерируется вследствие взаимного движения между соединяемыми заготовками. Способ иллюстрируется несколькими примерами заготовок из различных материалов (пластики, металлы), применений (восстановление трещин, заварки, герметизации, соединений) и вариантов используемого щупа. An improved version of such welding, the so-called friction stir welding, is known from WO 93/10935. In the welding process, use a probe or probe (third body) of material harder than the workpiece. Friction welding is based on the mutual cyclic movement between the probe and the workpieces, causing the probe and the workpieces to create a plasticized or softened zone in the area of the workpiece due to the generated heat of friction, the cessation of mutual cyclic motion and the possibility of hardening of the softened plastic material. Thus, no heat is generated due to the mutual movement between the workpieces to be joined. The method is illustrated by several examples of blanks from various materials (plastics, metals), applications (crack repair, welding, sealing, joints) and the options for the probe used.
Ни один из вышеописанных способов и устройств при использовании для соединения штампованных профилей в конструкциях для критического использования не может удовлетворить ни требованиям для высокоинтегрированных сварных швов, свободных от пустот и раковин, ни должному металлургическому соединению конструктивных деталей, ни потребности в обеспечении сварных швов внахлест. None of the above methods and devices, when used to join stamped profiles in structures for critical use, can satisfy either the requirements for highly integrated welds that are free from voids and shells, the proper metallurgical connection of structural parts, or the need to provide weld overlaps.
Для того, чтобы обеспечить должное затвердевание металла сварного шва, нижнюю или донную часть щупа (насадку) необходимо поддерживать в тесном контакте с поверхностью соединяемых деталей в течение всей операции сварки. Если насадка щупа в процессе этого движения вперед даже временно "поднимается" от поверхности, позади щупа будет выталкиваться небольшое количество пластифицированного свариваемого материала, что вызовет появление раковин и пустот в сварном шве, поскольку в наличии не оказывается необходимого материала для заполнения пустого пространства после выталкивания материала. In order to ensure proper solidification of the weld metal, the lower or bottom part of the probe (nozzle) must be maintained in close contact with the surface of the parts to be joined during the entire welding operation. If the probe nozzle during this forward movement even temporarily “rises” from the surface, a small amount of plasticized material to be welded will be pushed out behind the probe, which will cause the appearance of shells and voids in the weld, since there is no material needed to fill the empty space after the material is pushed out .
Кроме того, существует еще одно ограничение, связанное с использованием "гладкого" сварочного щупа, известного из уровня техники, а именно, для обеспечения достаточного фрикционного нагрева материала (время контактирования щупа и соединяемых элементов) и гарантирования достаточного течения пластифицированного свариваемого материала необходимы низкие скорости сварки. In addition, there is another limitation associated with the use of a “smooth” welding probe, known from the prior art, namely, to ensure sufficient frictional heating of the material (the contact time of the probe and the connected elements) and to ensure an adequate flow of plasticized material being welded, low welding speeds are required .
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа сварки трением с перемешиванием, гарантирующего высокоинтегрированные сварные швы, свободные от раковин, и имеющие гладкую, ровную поверхность. Therefore, it is an object of the present invention to provide an improved friction stir welding method that guarantees highly integrated weld seams that are shell-free and have a smooth, even surface.
Еще одной задачей настоящего изобретения является усовершенствование известного теперь способа сварки трением с перемешиванием стыка для получения также сварных швов внахлест и конфигурации соединения трех иди более компонентов. Another objective of the present invention is the improvement of the now known method of friction welding with stirring the joint to obtain overlap welds and configuration of the connection of three or more components.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание нового типа щупа, обеспечивающего получение одинаковых однородных сварных швов, имеющих зону пониженного воздействия нагрева. Another objective of the present invention is the creation of a new type of probe, providing uniform homogeneous welds having a zone of reduced exposure to heat.
Вышеупомянутые и другие задачи в соответствии с изобретением достигаются посредством способа сварки трением с перемешиванием стыка и устройства (щупа), определяемых пунктами представленной ниже формулы изобретения. The above and other objectives in accordance with the invention are achieved by a method of friction welding with stirring the joint and device (probe), as defined by the claims below.
Другие задачи, характерные признаки и преимущества настоящего изобретения становятся очевидными из последующего подробного описания предпочтительных вариантов со ссылкой на прилагаемые чертежи, фиг. 1-5, где:
фиг. 1 является схематическим видом в перспективе сварочного устройства/процесса, применяемых в настоящем изобретении;
фиг. 2 изображает увеличенный вид в поперечном сечении (частичный) расположения двух элементов щупа;
фиг. 3 схематически изображает принципиальные особенности новой сварки трением с перемешиванием;
фиг. 4 графически показывает оптимальное соотношение между сваркой и скоростью вращения и прикладываемым на щуп давлением, и
фиг. 5а - е являются фрагментарными схематическими видами в перспективе различных типов полученных сварных швов.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, FIG. 1-5, where:
FIG. 1 is a schematic perspective view of a welding device / process used in the present invention;
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view (partial) of the arrangement of two probe elements;
FIG. 3 schematically depicts the principal features of a new friction stir welding;
FIG. 4 graphically shows the optimum relationship between welding and rotation speed and pressure applied to the probe, and
FIG. 5a - e are fragmentary schematic perspective views of various types of welds obtained.
Согласно чертежам, в частности, фиг. 1, нерасходуемый щуп 1 включает вращающийся цилиндрический корпус 2, имеющий верхнюю часть 22, соединенную с источником энергии, например, двигателем (не показан на чертеже), и нижнюю часть 23, имеющую отдельный палец 24, и применяется для соединения (сварки) двух элементов (металлических пластин) 3, 4, расположенных торец к торцу. Посредством введения щупа 1 между элементами 3 и 4 под давлением и вращения его для обеспечения адекватного фрикционного нагрева получают сварной шов встык, по существу, в процессе промежуточного перемещения вдоль торцов элементов. According to the drawings, in particular FIG. 1, the
Специальная конфигурация двух составных частей щупа 1, нижней части (23) (насадки) щупа и наружной формы (конфигурации) применяемого пальца 24 согласно изобретению, более ясно видны на фиг. 2, где нижняя часть 23 вращающегося цилиндрического корпуса 2 имеет вогнутую поверхность, тогда как наружная поверхность пальца 24 имеет попеременно расположенные выступы и выемки вдоль его продольной оси. The special configuration of the two component parts of the
Даже если использовать обычную винтовую резьбу на наружной поверхности пальца, качество сварного шва улучшается, однако в предпочтительном варианте пальца щупа конфигурация поверхности пальца, как показано на фиг. 2, выполнена, преимущественно, с двумя или более отдельными лезвиями 25, расположенными вертикально и выступающими поперек из центральной части пальца. Even if a conventional screw thread is used on the outer surface of the finger, the quality of the weld is improved, however, in the preferred embodiment of the probe finger, the surface configuration of the finger, as shown in FIG. 2 is preferably made with two or more
Микроструктура сварных швов, обеспечиваемая новым типом пальца, имеет прочные связи, составленные взаимно соединенными пластифицированными сегментами соединяемых элементов с минимальной турбулентностью материала. The microstructure of the welds provided by the new type of finger has strong bonds made up of mutually connected plasticized segments of connected elements with minimal material turbulence.
Составная конструкция применяемого щупа 1, содержащего отдельный палец щупа, в сравнении с монолитной конструкцией известных раньше щупов, создает несколько преимуществ. Во-первых, инструмент (щуп) приспособлен к регулированию глубины введения пальца, придавая таким образом гибкость процессу. Во-вторых, деталь пальца может быть легко взаимозаменяемой для различных блоков инструмента (насадка/держатель) и, следовательно, адаптируемой для сварки элементов, имеющих различную толщину стенки. The composite design of the
Новые признаки нового инструмента и усовершенствованный способ сварки трением с перемешиванием можно легко понять из схематического эскиза щупа и рабочих параметров сварки, изображенных на фиг. 3, где W обозначает толщину свариваемых деталей, ω обозначает скорость сварки, К - радиус кривизны вогнутой насадки щупа, C - направленная вниз сила (давление, приложенное к щупу, rs - радиус насадки щупа, и t представляет "подрез" насадки в свариваемом материале.New features of the new tool and an improved method of friction stir welding can be easily understood from the schematic sketch of the probe and the welding operating parameters shown in FIG. 3, where W denotes the thickness of the parts to be welded, ω denotes the welding speed, K is the radius of curvature of the concave nozzle of the probe, C is the downward force (pressure applied to the probe, r s is the radius of the probe nozzle, and t represents the "undercut" of the nozzle in the welded the material.
Вогнутая нижняя поверхность 23 щупа 1 имеет небольшой наклон относительно нормали к свариваемым поверхностям и в сочетании с вышеописанной винтовой конфигурацией пальца 24 (не показан) гарантирует, что пластифицированный размягченный материал перемещается и вертикально, и в поперечном направлении в зоне сварного шва и вследствие этого преобразует металл между различными уровнями по всему профилю сварного шва. Вогнутая форма насадки щупа обеспечивает некоторое несимметричное сжатие на поверхности элементов, приводящее к вертикальному течению/переходу материала. Это во взаимодействии с горизонтальным перемещением материала вследствие наружной конфигурации пальца приводит в результате к высококачественным, свободным от раковин сварным швам. The
На фиг. 4 схематически изображена оптимальная зависимость между направленным вниз давлением в Н/мм2, приложенным к щупу, и фактической скоростью сварки ω (мм/мин) при различных скоростях вращения, гарантирующая прочный сварной шов, свободный от раковин и имеющий гладкую поверхность. Реальные значения оптимальных давления/скорости сварки зависят от нескольких факторов, т. е. используемого материала соединяемых элементов (Al-сплавы), геометрии насадки и т.п.In FIG. 4 schematically shows the optimal relationship between downward pressure in N / mm 2 applied to the probe and the actual welding speed ω (mm / min) at various rotational speeds, guaranteeing a durable weld, free from sinks and having a smooth surface. The actual values of the optimum pressure / welding speed depend on several factors, i.e., the material used for the connected elements (Al alloys), the geometry of the nozzle, etc.
Несколько сварочных испытаний, проведенных со щупами различных диаметров, показали, что снижение диаметра насадки щупа относительно реальной толщины стенки свариваемых элементов имеет полезное воздействие на качество соединений/швов помимо возможности увеличения скорости сварки. Several welding tests carried out with probes of various diameters have shown that reducing the probe tip diameter relative to the actual wall thickness of the elements being welded has a beneficial effect on the quality of joints / welds in addition to the possibility of increasing the welding speed.
Следовательно, уменьшение диаметра насадки щупа от 20 мм до 15 мм и далее до 10 мм, используемого до соединения плоских штамповок сплава 6082,50 толщиной 3 мм, позволяет увеличить скорость сварки от 0,3 м/мин до 0,8 м/мин, обеспечивающую получение высококачественных, свободных от пор сварных швов, имеющих пониженную ЗВТ (зону воздействия тепла). Это является суммарным результатом пониженного ввода тепла и его фокусирования в направлении окрестности формируемого сварного шва, позволяющего увеличить скорость сварки и снизить направленное вниз усилие, приложенное к щупу, имеющее своим результатом деформацию свободно сваренных конструкций. Therefore, reducing the probe tip diameter from 20 mm to 15 mm and then to 10 mm, used before joining flat stampings of alloy 6082.50 with a thickness of 3 mm, allows to increase the welding speed from 0.3 m / min to 0.8 m / min, providing high-quality, pore-free welds having a reduced HRT (heat exposure zone). This is the total result of reduced heat input and its focusing in the direction of the vicinity of the formed weld, which allows to increase the welding speed and reduce the downward force applied to the probe, which results in the deformation of freely welded structures.
Оптимальная зависимость между радиусом насадки щупа (rs) и толщиной стенки свариваемых элементов W выражается простой формулой
Материал щупа более твердый чем материал обрабатываемых заготовок/соединяемых элементов. Обычно при сварке алюминиевых (сплавов) деталей или элементов материал должен иметь хорошую прочность при повышенных температурах, например, такой, как штамповая сталь, быстрорежущая инструментальная сталь или керметные материалы.The optimal relationship between the probe tip radius (r s ) and the wall thickness of the elements to be welded W is expressed by a simple formula
The probe material is harder than the material of the workpieces / joining elements. Typically, when welding aluminum (alloys) of parts or elements, the material should have good strength at elevated temperatures, such as forged steel, high speed tool steel or cermet materials.
На фиг. 5a - e схематически изображены фрагментарные виды в перспективе различных типов шаров, полученных посредством способа и щупа, согласно изобретению, где на фиг. 5a показан сварной шов встык, на фиг. 5b изображено T - образное соединение двух элементов, на фиг. 5c изображен сварной шов внахлестку, на фиг. 5 изображен другой вариант T - образного соединения трех элементов и наконец на фиг. 5e изображено получение углового сварного соединения двух элементов, расположенных в плоскостях, перпендикулярных друг к другу. In FIG. 5a - e are schematic fragmentary perspective views of various types of balls obtained by the method and probe according to the invention, where in FIG. 5a shows a butt weld; FIG. 5b shows a T-shaped connection of two elements, in FIG. 5c shows a lap weld; FIG. 5 shows another embodiment of a T-shaped connection of three elements, and finally in FIG. 5e shows the receipt of an angular welded joint of two elements located in planes perpendicular to each other.
Таким образом, применение новой усовершенствованной конструкции инструмента согласно настоящему изобретению позволяет увеличить скорость сварки, в то же время гарантируя достаточное генерирование фрикционного тепла. Этот эффект достигается благодаря увеличению времени контактирования/нагрева на единицу объема свариваемого материала и более близкой локализации генерируемого тепла вдоль линии сварки. Кроме того, к материалу, покидающему сварочный щуп, прикладываются более значительные прессующие усилия (давление). Оптимальное сочетание вышеупомянутых эффектов приводит к получению высококачественных сварных швов как с точки зрения металлургических, так и механических свойств благодаря однородному, гомогенизированному сварному шву, не имеющему пористости по всему поперечному сечению сварного шва. Thus, the use of a new improved tool design according to the present invention allows to increase the welding speed, while ensuring sufficient generation of frictional heat. This effect is achieved by increasing the contact / heating time per unit volume of the material being welded and closer localization of the generated heat along the welding line. In addition, more pressing forces (pressure) are applied to the material leaving the welding probe. The optimal combination of the above effects leads to high-quality welds both in terms of metallurgical and mechanical properties due to a homogeneous, homogenized weld that does not have porosity over the entire cross section of the weld.
Claims (7)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO941144A NO941144D0 (en) | 1994-03-28 | 1994-03-28 | Method of friction welding and device for the same |
GB941144 | 1994-03-28 | ||
GB942790 | 1994-07-27 | ||
PCT/NO1995/000005 WO1995026254A1 (en) | 1994-03-28 | 1995-01-05 | Friction stir welding |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU96120095A RU96120095A (en) | 1998-11-20 |
RU2126738C1 true RU2126738C1 (en) | 1999-02-27 |
Family
ID=19896972
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96120095A RU2126738C1 (en) | 1994-03-28 | 1995-01-05 | Method of friction welding with mixing and permanent probe for use in friction welding |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
NO (1) | NO941144D0 (en) |
RU (1) | RU2126738C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2443526C1 (en) * | 2010-08-23 | 2012-02-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Method of jointing heterogeneous materials |
RU2470196C2 (en) * | 2007-07-03 | 2012-12-20 | Эйот Гмбх Энд Ко. Кг | Mounting assembly of several plates laid on each other, which is made by friction welding |
RU2569271C1 (en) * | 2012-04-06 | 2015-11-20 | ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН | Welding of steel sheets by friction with mixing |
RU2621514C2 (en) * | 2015-11-25 | 2017-06-06 | Акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Tool for friction stir welding |
RU2634402C1 (en) * | 2016-07-04 | 2017-10-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing |
RU2679787C1 (en) * | 2017-12-13 | 2019-02-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | HIGH-STRENGTH ALUMINUM-LITHIUM ALLOYS OF THE Al-Cu-Li SYSTEM BUTT JOINTS FRICTION WITH MIXING WELDING METHOD |
RU2697548C1 (en) * | 2018-11-06 | 2019-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Method of friction welding with mixing |
-
1994
- 1994-03-28 NO NO941144A patent/NO941144D0/en unknown
-
1995
- 1995-01-05 RU RU96120095A patent/RU2126738C1/en active
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2470196C2 (en) * | 2007-07-03 | 2012-12-20 | Эйот Гмбх Энд Ко. Кг | Mounting assembly of several plates laid on each other, which is made by friction welding |
RU2443526C1 (en) * | 2010-08-23 | 2012-02-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Method of jointing heterogeneous materials |
RU2569271C1 (en) * | 2012-04-06 | 2015-11-20 | ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН | Welding of steel sheets by friction with mixing |
RU2621514C2 (en) * | 2015-11-25 | 2017-06-06 | Акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Tool for friction stir welding |
RU2634402C1 (en) * | 2016-07-04 | 2017-10-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing |
RU2679787C1 (en) * | 2017-12-13 | 2019-02-12 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | HIGH-STRENGTH ALUMINUM-LITHIUM ALLOYS OF THE Al-Cu-Li SYSTEM BUTT JOINTS FRICTION WITH MIXING WELDING METHOD |
RU2697548C1 (en) * | 2018-11-06 | 2019-08-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Method of friction welding with mixing |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
NO941144D0 (en) | 1994-03-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0752926B1 (en) | Friction stir welding | |
US6676008B1 (en) | Friction stir welding of corner configurations | |
US5460317A (en) | Friction welding | |
JP4210148B2 (en) | Taper friction stir welding tool | |
US5975406A (en) | Method to repair voids in aluminum alloys | |
JP2004106037A (en) | Method for bonding metal | |
RU2126738C1 (en) | Method of friction welding with mixing and permanent probe for use in friction welding | |
KR20200118867A (en) | Rotary tool for double-sided friction stir welding, double-sided friction stir welding device, and double-sided friction stir welding method | |
JP3283434B2 (en) | Jig for friction stir welding and friction stir welding method using the same | |
JP2019217514A (en) | Joining method and manufacturing method of composite rolled material | |
JP3978257B2 (en) | Workpiece joining method by friction stir welding | |
WO1996038256A1 (en) | Improvements relating to friction welding | |
KR100543160B1 (en) | Improvement in probe friction butt welding method | |
JP6999946B2 (en) | Laser welding equipment and laser welding method | |
RU2277465C1 (en) | Friction welding method and tool for its implementing | |
RU2196030C2 (en) | Friction welding apparatus | |
RU2357843C2 (en) | Tool for friction welding with mixing of aluminium alloys and method of welding | |
NO314752B1 (en) | Procedure for friction welding | |
KR100568426B1 (en) | The welding method and apparatus for reducing a joint anisotropy | |
JP2002035961A (en) | Friction stir welding method | |
WO2020059218A1 (en) | Welding method and method for producing composite rolled material | |
JP2022136753A (en) | Linear friction bonding method and bonding structure | |
JP2021013933A (en) | Joint method and method for manufacturing composite rolled material |