RU2350443C2 - Method for friction welding of aluminium alloys - Google Patents
Method for friction welding of aluminium alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2350443C2 RU2350443C2 RU2006124672/02A RU2006124672A RU2350443C2 RU 2350443 C2 RU2350443 C2 RU 2350443C2 RU 2006124672/02 A RU2006124672/02 A RU 2006124672/02A RU 2006124672 A RU2006124672 A RU 2006124672A RU 2350443 C2 RU2350443 C2 RU 2350443C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tool
- parts
- joint
- welding
- current
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Arc Welding In General (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области технологии неразъемного соединения (сварки) и может быть использовано в авиастроении, ракетостроении, судостроении и других отраслях машиностроения для получения соединений панельных конструкций из алюминиевых сплавов.The present invention relates to the field of technology of one-piece connection (welding) and can be used in aircraft, rocket engineering, shipbuilding and other engineering industries to obtain compounds of panel structures from aluminum alloys.
Известен способ сварки трением для соединения встык листовых элементов конструкций, по которому вращающийся инструмент погружают в стык между плотно прижатыми торцами соединяемых деталей и перемещают вдоль стыка с перемешиванием под давлением нагретого металла в зону сзади инструмента. Нагрев металла осуществляется за счет сил трения между заплечником инструмента и поверхностью соединяемых деталей (W.M.Thomas, E.D.Nicholas, E.R.Watts and D.G.Staines. Friction Based Welding Technology for Aluminum. Materials. 5 Science Forum Vols. 396-402, 2002, pp.1543-1548. 2002. Trans Tech Publications, Switzerland. Fig.1a).There is a method of friction welding for butt jointing of sheet structural elements, in which a rotating tool is immersed in the joint between the tightly pressed ends of the parts to be joined and moved along the joint with stirring under pressure of the heated metal into the area behind the tool. The metal is heated due to the frictional forces between the tool shoulder and the surface of the parts to be joined (WMThomas, ED Nicholas, ERWatts and DG Stations. Friction Based Welding Technology for Aluminum. Materials. 5 Science Forum Vols. 396-402, 2002, pp. 1543 -1548. 2002. Trans Tech Publications, Switzerland. Fig. 1a).
К недостаткам данного способа можно отнести:The disadvantages of this method include:
- формирование несимметричности швов вследствие неравномерного съема материала со стыкуемых кромок и его переноса; - the formation of asymmetric seams due to uneven removal of material from abutting edges and its transfer ;
- большая ширина шва и разогрев соединяемых деталей в верхней части соединения;- large seam width and heating of the parts to be joined in the upper part of the joint;
- образование на поверхности шва бороздок и других неровностей, оставляемых вращающимся инструментом;- the formation on the surface of the seam of grooves and other irregularities left by a rotating tool;
- высокие циклические нагрузки, изгиб и нагрев инструмента, создающие высокую вероятность разрушения инструмента.- high cyclic loads, bending and heating of the tool, creating a high probability of tool failure.
Известен способ сварки трением с перемешиванием (патент Великобритании №91259788), при котором сварку осуществляют в три этапа. На первом этапе вращающийся с высокой скоростью инструмент цилиндрической или ступенчатой формы с заплечником погружают в стык соединяемых деталей на глубину, примерно равную их толщине. Когда заплечник инструмента войдет в контакт с поверхностью деталей, погружение останавливают и включают перемещение инструмента вдоль линии соединения. На третьем этапе (по окончании сварки) вращающийся инструмент поднимают и выводят из стыка. Недостатком данного метода сварки трением с перемешиванием является повышенный износ инструмента при его введении в стык деталей, а также его поломка в процессе сварки листов толщиной 5-6 мм из-за недостаточного разогрева корневой части соединения.A known method of friction welding with stirring (UK patent No. 91259788), in which welding is carried out in three stages. At the first stage, a cylindrical or step-shaped tool with a shoulder rotating at high speed is immersed in the joint of the parts to be joined to a depth approximately equal to their thickness. When the shoulder of the tool comes into contact with the surface of the parts, immersion is stopped and the tool is moved along the connection line. At the third stage (at the end of welding), the rotating tool is lifted and removed from the joint. The disadvantage of this method of friction stir welding is the increased wear of the tool when it is introduced into the joint of the parts, as well as its breakdown during welding of sheets 5-6 mm thick due to insufficient heating of the root part of the joint.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ сварки трением с перемешиванием, при котором в стыке деталей предварительно выполняют сквозное отверстие, в которое погружают вращающийся инструмент, состоящий из наконечника в виде тела вращения с заплечиком, до контакта заплечика с поверхностью деталей (патент РФ №2247639 С1 «Способ сварки трением стыковых соединений из алюминиевых сплавов», Овчинников В.В., Рязанцев В.И.). Ось отверстия располагают под углом α к нормали к поверхности деталей в плоскости их стыка. Диаметр отверстия задают в пределах D=d+(0,10+0,15) мм, наконечник инструмента заглубляют в стык на (0,90-0,95)δ, где δ - толщина деталей. При этом скорость перемещения инструмента вдоль стыка деталей регулируют в пределах 0,20-0,35 мм/об.The closest in technical essence to the claimed method is a friction stir welding method, in which a through hole is preliminarily made at the joint of the parts, into which a rotating tool consisting of a tip in the form of a body of revolution with a shoulder is immersed until the shoulder contacts the surface of the parts (RF patent No. 22427639 C1 “Method of friction welding of butt joints of aluminum alloys”, Ovchinnikov VV, Ryazantsev VI). The axis of the hole is positioned at an angle α to the normal to the surface of the parts in the plane of their junction. The diameter of the hole is set within D = d + (0.10 + 0.15) mm, the tip of the tool is buried at the joint by (0.90-0.95) δ, where δ is the thickness of the parts. In this case, the speed of movement of the tool along the junction of parts is regulated within the range of 0.20-0.35 mm / rev.
Недостатком прототипа является частый выход инструмента из строя из-за скалывания наконечника в корневой части соединения, а также послойное расположение оксидных пленок в сварном шве. Последнее явление приводит к существенному снижению прочностных свойств соединений, особенно при циклических нагрузках.The disadvantage of the prototype is the frequent failure of the tool due to chipping of the tip in the root of the connection, as well as layer-by-layer arrangement of oxide films in the weld. The latter phenomenon leads to a significant decrease in the strength properties of the compounds, especially with cyclic loads.
Предлагаемый способ сварки трением стыковых соединений из алюминиевых сплавов обеспечивает полное проплавление деталей, формирует корень шва более равномерной формы, при минимальном технологическом припуске. Этот технологический прием не требует увеличения толщины заготовок, что уменьшает затраты на последующую механическую обработку сварного соединения. Подобранное соотношение длительности импульса тока, его плотности и частоты вращения инструмента способствует качественному формированию их соединения и мелкодисперсному распределению фрагментов оксидных пленок и выделений вторичных фаз.The proposed method of friction welding of butt joints of aluminum alloys provides complete penetration of the parts, forms the root of the seam of a more uniform shape, with a minimum technological allowance. This technique does not require an increase in the thickness of the workpieces, which reduces the cost of subsequent machining of the welded joint. The selected ratio of the duration of the current pulse, its density and the frequency of rotation of the tool contributes to the qualitative formation of their compounds and the fine distribution of fragments of oxide films and precipitates of the secondary phases.
Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, обеспечивается путем пропускания через инструмент и соединяемые детали импульса тока плотностью 30-50 А/мм2 при длительности протекания тока (2,0-3,5)/n, где n - частота вращения инструмента.The technical result to which this invention is directed is provided by passing a current pulse with a density of 30-50 A / mm 2 through the tool and connected parts with a current flow duration of (2.0-3.5) / n, where n is the tool speed .
Подробнее сущность заявляемого способа поясняется чертежами:In more detail the essence of the proposed method is illustrated by drawings:
на фиг.1 - изображена принципиальная схема выполнения способа;figure 1 - shows a schematic diagram of a method;
фиг.2 - пустоты в корневой части соединения при длительности импульса более 035/n;figure 2 - voids in the root of the connection with a pulse duration of more than 035 / n;
на фиг.3 - распределение твердости в металле шва при сварке без импульсов тока (а) и с импульсами тока (б) сплава АЛ9;figure 3 - the distribution of hardness in the weld metal when welding without current pulses (a) and current pulses (b) of the AL9 alloy;
на фиг.4 - микроструктура металла шва сплава АЛ9 при сварке с импульсами тока (×200);figure 4 - the microstructure of the weld metal of the AL9 alloy when welding with current pulses (× 200);
на фиг.5 - микроструктура шва сплава АЛ9 при сварке без импульсов тока (×200);figure 5 - the microstructure of the weld alloy AL9 when welding without current pulses (× 200);
Предложенный способ сварки трением алюминиевых сплавов осуществляется следующим образом. Детали 1 и 2 устанавливают в сварочном приспособлении. Затем в детали вводят вращающийся инструмент, состоящий из заплечника 3 и наконечника 4 в виде тела вращения (фиг.1). Наконечник 4 заглубляют в детали 1 и 2 на 0,90-0,95 их толщины до контакта заплечника 3 с поверхностью детали. Затем вращающийся инструмент перемещают вдоль стыка 5 деталей 1 и 2. При перемещении инструмента металл 6, разогретый за счет трения заплечника 3 о поверхность деталей, в твердожидком состоянии поступает в зону под образующей наконечника 4 и изоляционной подкладкой 7 и формирует проплав. Формирование проплава осуществляется за счет металла технологического припуска.The proposed method of friction welding of aluminum alloys is as follows. Parts 1 and 2 are installed in the welding fixture. Then, a rotating tool consisting of a shoulder strap 3 and a tip 4 in the form of a body of revolution is introduced into the parts (Fig. 1). The tip 4 is buried in parts 1 and 2 at 0.90-0.95 of their thickness until the shoulder 3 contacts the surface of the part. Then the rotating tool is moved along the joint 5 of parts 1 and 2. When moving the tool, metal 6, heated by friction of the shoulder 3 on the surface of the parts, in a solid-liquid state enters the area under the generatrix of the tip 4 and the insulating lining 7 and forms a melt. The formation of the melt is carried out due to the metal technological allowance.
В процессе перемещения инструмента вдоль стыка 5 деталей через него и детали пропускают импульс тока плотностью 30-50 А/мм2. Пропускание тока через контакт между инструментом и деталями позволяет обеспечить дополнительный разогрев металла в зоне перед наконечником до пластичного состояния и снизить нагрузку на инструмент. При плотности тока в импульсе менее 30 А/мм2 не происходит разогрева металла перед наконечником инструмента и эффект от пропускания тока не проявляется. При плотности тока в импульсе более 50 А/мм2 имеет место подплавление металла в контакте инструмента с поверхностью деталей, сопровождаемое ухудшением формирования соединения и образованием подповерхностных трещин. Поэтому оптимальной является плотность тока в импульсе 30-50 А/мм2.In the process of moving the tool along the junction of 5 parts, a current pulse with a density of 30-50 A / mm 2 is passed through it and the part. Passing current through the contact between the tool and the parts allows for additional heating of the metal in the area in front of the tip to a plastic state and to reduce the load on the tool. When the current density in the pulse is less than 30 A / mm 2 there is no heating of the metal in front of the tip of the tool and the effect of the transmission of current does not occur. When the current density in the pulse of more than 50 A / mm 2 there is a melting of the metal in the contact of the tool with the surface of the parts, accompanied by a deterioration in the formation of the connection and the formation of subsurface cracks. Therefore, the optimal current density in the pulse is 30-50 A / mm 2 .
На формирование соединения, его свойства и производительность процесса (скорость сварки) оказывает влияние длительность протекания тока. При длительности импульса тока менее чем 2,0/n не происходит образования перед наконечником 4 тонкой пленки свариваемого материала в твердожидком (пластичном) состоянии. В этом случае наконечник формирует пленку металла в твердожидком состоянии только за счет нагрева трением. В этом случае не наблюдается увеличения скорости сварки, а на инструмент в процессе соединения деталей действуют высокие циклические нагрузки. При увеличении длительности импульса более 3,5/n наблюдается разогрев материала наконечника 4 инструмента, а также образование жидкой прослойки вокруг наконечника в материале соединяемых деталей. Образование жидкой прослойки приводит к образованию осевой трещины вдоль стыка соединяемых деталей, а также пустот в корневой части соединения (фиг.2). Интенсивный нагрев наконечника инструмента сопровождается диффузией в его тело алюминия и разрушением инструмента из-за возникновения сетки микротрещин.The formation of the compound, its properties and the productivity of the process (welding speed) is influenced by the duration of the current flow. When the current pulse duration is less than 2.0 / n, a thin film of the material being welded in the solid-liquid (plastic) state does not form in front of tip 4. In this case, the tip forms a metal film in a solid-liquid state only due to friction heating. In this case, there is no increase in welding speed, and high cyclic loads act on the tool in the process of connecting parts. With an increase in the pulse duration of more than 3.5 / n, heating of the material of the tip 4 of the tool is observed, as well as the formation of a liquid layer around the tip in the material of the parts to be joined. The formation of a liquid layer leads to the formation of an axial crack along the junction of the parts to be joined, as well as voids in the root of the connection (Fig.2). Intensive heating of the tool tip is accompanied by diffusion of aluminum into its body and destruction of the tool due to the occurrence of a network of microcracks.
Таким образом, оптимальной длительностью протекания импульса тока является длительность, определяемая по соотношению (2,0-3,5)/n.Thus, the optimal duration of the current pulse is the duration determined by the ratio of (2.0-3.5) / n.
Были проведены эксперименты по сварке образцов из сплава АЛ9 толщиной 5 мм. Сварку образцов осуществляли на фрезерном станке, оснащенном специальным фиксирующим приспособлением для установки образцов. Приспособление было оснащено формирующей канавкой в подкладке из изоляционного термостойкого материала. Подкладка устанавливалась непосредственно под стыком свариваемых деталей. Для сварки применяли инструмент, состоящий из конического наконечника 4 высотой 4,5 мм и заплечника 3 диаметром 16 мм. Инструмент изготовляли из жаропрочного сплава ХН55ВМКТЮ. Рабочая часть заплечника выполнялась полированной. Частота вращения инструмента составляла 1200 об/мин. Полученные результаты приведены в таблице.Experiments were carried out on welding samples from AL9 alloy 5 mm thick. Welding of samples was carried out on a milling machine equipped with a special fixing device for installing samples. The fixture was equipped with a forming groove in the lining of insulating heat-resistant material. The lining was installed directly under the joint of the parts to be welded. For welding, a tool was used consisting of a conical tip 4 with a height of 4.5 mm and a shoulder 3 with a diameter of 16 mm. The tool was made of heat-resistant alloy ХН55ВМКТЮ. The working part of the shoulder was polished. The tool speed was 1200 rpm. The results are shown in the table.
Замеры распределения твердости в металле шва показали, что применение импульсов тока в заявляемых пределах по величине и длительности протекания позволяют повысить твердость металла шва и выровнять ее истинные значения по площади шва (фиг.3). Полученный результат основывается на более равномерном распределении упрочняющих интерметаллидных фаз, которое достигается при пропускании импульса тока в процессе сварки трением (фиг.4 и 5).Measurements of the distribution of hardness in the weld metal showed that the use of current pulses within the claimed limits in terms of magnitude and duration of the leakage can increase the hardness of the weld metal and align its true values over the weld area (Fig. 3). The result is based on a more uniform distribution of hardening intermetallic phases, which is achieved by passing a current pulse during friction welding (Figures 4 and 5).
Использование данного способа позволяет получить сварные соединения высокого качества из алюминиевых сплавов без дефектов в виде включений оксидной пленки. При этом обеспечивается симметричное формирование шва и снижение величины необходимого технологического припуска с 0,15 до 0,05 мм. Также возрастает стойкость инструмента.Using this method allows to obtain high-quality welded joints from aluminum alloys without defects in the form of oxide film inclusions. This ensures a symmetrical formation of the seam and a decrease in the size of the required technological allowance from 0.15 to 0.05 mm. Tool life also increases.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006124672/02A RU2350443C2 (en) | 2006-07-10 | 2006-07-10 | Method for friction welding of aluminium alloys |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006124672/02A RU2350443C2 (en) | 2006-07-10 | 2006-07-10 | Method for friction welding of aluminium alloys |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006124672A RU2006124672A (en) | 2008-01-20 |
RU2350443C2 true RU2350443C2 (en) | 2009-03-27 |
Family
ID=39108317
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006124672/02A RU2350443C2 (en) | 2006-07-10 | 2006-07-10 | Method for friction welding of aluminium alloys |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2350443C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2634389C1 (en) * | 2016-06-20 | 2017-10-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method of friction welding with mixing of aluminium alloys |
-
2006
- 2006-07-10 RU RU2006124672/02A patent/RU2350443C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2634389C1 (en) * | 2016-06-20 | 2017-10-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method of friction welding with mixing of aluminium alloys |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006124672A (en) | 2008-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3260230B1 (en) | Joining method and method for manufacturing composite rolled material | |
CN114012241B (en) | Friction welding method for revolving body component with closed cavity or closed channel | |
US11446757B2 (en) | Double-sided friction stir welding method for metal sheets and double-sided friction stir welding device | |
US9346121B2 (en) | Method and device for the friction stir welding of two components | |
NO320236B1 (en) | Improved solid welding process | |
KR102395331B1 (en) | Rotary tool for double-sided friction stir welding, double-sided friction stir welding device, and double-sided friction stir welding method | |
CN108620762B (en) | Method for improving quality of Al-Cu dissimilar metal friction stir welding butt joint | |
JP7247996B2 (en) | Rotary tool for double-sided friction stir welding and double-sided friction stir welding method | |
CN103008872B (en) | Stirring friction processing remanufacturing method of worn shaft type parts | |
US20200078883A1 (en) | Joining method | |
CN113523534A (en) | Additive method friction stir welding process for realizing dissimilar material connection | |
Yue et al. | Friction stir butt welding thin aluminum alloy sheets | |
RU2350443C2 (en) | Method for friction welding of aluminium alloys | |
CN109070262A (en) | The friction stirring connecting method and device of structural steel | |
RU2686494C1 (en) | Method of friction welding with mixing of joints of aluminium alloys | |
RU2247639C1 (en) | Method for friction welding of aluminum alloy butt joints | |
RU2634389C1 (en) | Method of friction welding with mixing of aluminium alloys | |
RU2751203C1 (en) | Method for electron ray welding of annular or circular joints from copper alloys | |
EP3406390B1 (en) | Method for joining thin metal sheets | |
AU2021223858A1 (en) | Friction stir welding tool and method for producing same | |
JP6809436B2 (en) | Joining method and manufacturing method of composite rolled material | |
RU2720018C2 (en) | Method of preparation of surfaces of ends of dissimilar compounds for friction welding with mixing | |
RU2679787C1 (en) | HIGH-STRENGTH ALUMINUM-LITHIUM ALLOYS OF THE Al-Cu-Li SYSTEM BUTT JOINTS FRICTION WITH MIXING WELDING METHOD | |
WO2020213191A1 (en) | Joining method, and method for manufacturing composite rolled material | |
Abd Wahab et al. | Pinless friction stir welding for weld thin plate cold rolled steel sheet |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081123 |