RU2504463C2 - Способ фрикционно-лучевой сварки - Google Patents
Способ фрикционно-лучевой сварки Download PDFInfo
- Publication number
- RU2504463C2 RU2504463C2 RU2012116833/02A RU2012116833A RU2504463C2 RU 2504463 C2 RU2504463 C2 RU 2504463C2 RU 2012116833/02 A RU2012116833/02 A RU 2012116833/02A RU 2012116833 A RU2012116833 A RU 2012116833A RU 2504463 C2 RU2504463 C2 RU 2504463C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- parts
- welded
- laser
- tool
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано при сварке деталей, в частности, из титановых или медных сплавов, сталей. Инструмент в виде вращающегося с высокой скоростью рабочего сердечника из высокопрочного материала погружают в свариваемые детали и перемещают его по всей длине соединения. Осуществляют дополнительный разогрев зоны сварки путем ее облучения сфокусированным лазерным и полихроматическим лучами, сведенными в единый луч с помощью конического экрана с защитным кварцевым стеклом. Подачу полихроматического луча в конический экран осуществляют под углом. После завершения сварки осуществляют вывод сердечника из соединения и охлаждение детали. Способ обеспечивает повышение коэффициента поглощения энергии лазерного луча и увеличение прогрева свариваемых кромок. 2 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к сварке металлов трением и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении, судостроении, автомобильной промышленности, котлостроении и других отраслях машиностроения и строительства для соединения деталей и узлов преимущественно листовых конструкций из различных материалов, в том числе не свариваемых и ограниченно свариваемых плавлением, а также материалов с высоким уровнем температур перехода в пластичное состояние, в том числе титановых сплавов.
Уровень техники
В работе (журнал «Сварочное производство», 2001 г., №11, с.36-41) анализируется технологическая схема способа сварки трением линейных швов листовых деталей. Известен способ (А.С. СССР №195846, кл. МПК B23к, 1967 г. и International Patent WO 93/10935 от 1993 г.), по которым вращающийся инструмент с рабочим наконечником погружают в стык соединяемых деталей и перемещают его вдоль линии стыка, перенося нагретый ротационным трением до пластического состояния материал в зону, освобождаемую сзади движущегося инструмента.
Недостатками данного способа можно считать энергетические и технические проблемы, возникающие при необходимости соединять титановые, стальные и другие материалы со сравнительно высоким уровнем температур перехода в пластическое состояние. До настоящего времени этот процесс находит применение практически только для неразъемного соединения деталей из алюминиевых и магниевых сплавов. Но при сварке титановых сплавов нагрев металла в зоне сварки может оказаться недостаточным.
Известен способ (Патент RU 2196030, C2 B23K 20/12), в котором устранен вращающийся опорный бурт инструмента в месте перепада диаметров цилиндрической оправки (корпуса) инструмента и рабочим стержнем инструмента; вместо опорного бурта устройство содержит нажимной ползун с контактной поверхностью, рельеф которой соответствует требуемому рельефу поверхности соединяемых элементов в зоне соединения; нажимной ползун имеет отверстие, через которое пропущен вращающийся рабочий стержень инструмента с возможностью регулирования его вылета относительно контактной поверхности нажимного ползуна. Этот способ еще в большей степени испытывает недостаток тепловой энергии для пластифицирования материала и полного протекания молекулярных процессов взаимодействия соединяемых материалов и формирования шва.
Известно изобретение (Патент WO 02/074479, кл. B23к 20/12), по которому генерируют теплоту трением в зоне стыка вращением инструмента с опорным буртом, прижимаемым к поверхности свариваемых кромок и с рабочим стержнем, погружаемым в материал и перемещаемым вдоль линии стыка; дополнительно производят генерирование и подачу лазерного излучения с его фокусированием в зону сварки, впереди движущегося вращающегося инструмента. Установка содержит традиционный комплект оборудования для сварки трением, а также лазерный генератор (твердотельный, жидкостный или газовый), волоконно-оптический кабель, коллиматор и фокусирующую оптику.
Однако в рассматриваемом прототипе есть недостатки: температура подогрева лазерным излучением не всегда является достаточной для перехода титановых сплавов в пластическое состояние, необходимая для формирования качественного соединения фрикционной сваркой по причине низкого значения полного КПД лазерной обработки: КПД современных мощных лазерных систем составляет около 10% для CO2-лазеров и 1-3% для Nd:YAG-лазеров. Резервы повышения КПД лазеров в значительной мере исчерпаны, так как они приближаются к предельным физическим характеристикам активных сред. Несмотря на то, что технические и эксплуатационные параметры мощных лазерных систем непрерывно совершенствуются, их использование для прогрева соединяемых кромок на большую глубину неэффективно и остается дорогостоящим из-за низкого коэффициента поглощения лазерного излучения при воздействии на поверхность деталей, особенно, деталей из алюминиевых сплавов. Величина коэффициента отражения и поглощения в зависимости от угла падения хорошо известна для полированных поверхностей металлов (журнал «Автоматическая сварка», 2005, №5, с.5-11) при относительно невысоких температурах.
Для глубинного прогрева соединяемых кромок до требуемой температуры, по способу, предложенному в прототипе, необходимо резко увеличивать мощность лазеров, что вызовет технико-экономические проблемы. Однако коэффициент поглощения лазерного луча металлом может быть существенно повышен обработкой поверхности световым облучением, производимым одновременно с обработкой лазерным лучом, изменяя тем самым оптические свойства поверхности и значительно увеличивая вводимую в деталь составляющую энергии лазерного излучения.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является разработка способа сварки трением вращающимся инструментом металлов и сплавов (алюминиевых сплавов и сплавов с высокой температурой перехода в пластическое состояние, например, титановых) с дополнительным лучевым подогревом, который так же позволит расширить диапазон толщин свариваемых деталей, повысить качество соединения, а также соединять материалы с высокой температурой перехода в пластическое состояние за счет повышения эффективности дополнительного нагрева сварки, наряду с фрикционным и лазерным нагревом.
В соответствии с изобретением поставленная задача решается тем, что в способе фрикционно-лучевой сварки деталей, включающем сборку и закрепление свариваемых деталей, погружение в свариваемые детали инструмента в виде вращающегося с высокой скоростью рабочего сердечника из высокопрочного материала, перемещение его по всей длине соединения, вывод сердечника из соединения и охлаждение детали, погружение в свариваемые детали инструмента, перемещение его по всей длине соединения осуществляют при облучении зоны сварки световым сфокусированным лучом.
Кроме того, в способе фрикционно-лучевой сварки деталей возможно зону сварки дополнительно облучать сфокусированным лазерным лучом.
Более того, зону сварки целесообразно облучать гибридным лучом, состоящим из совмещенных лазерного и светового лучей.
Такое выполнение фрикционно-лучевой сварки позволяет повысить эффективность процесса, расширить его технологические возможности.
1. Способ фрикционно-лучевой сварки деталей, включающий сборку и закрепление свариваемых деталей, погружение в свариваемые детали инструмента в виде вращающегося с высокой скоростью рабочего сердечника из высокопрочного материала, перемещение его по всей длине соединения, вывод сердечника из соединения и охлаждение детали,
Отличающийся тем, что, погружение в свариваемые детали инструмента, перемещение его по всей длине соединения осуществляют при облучении зоны сварки световым сфокусированным лучом.
2. Способ фрикционно-лучевой сварки деталей по п.1, отличающийся тем, что зону сварки дополнительно облучают сфокусированным лазерным лучом.
3. Способ фрикционно-лучевой сварки деталей по п.1, 2, отличающийся тем, что зону сварки облучают гибридным лучом, состоящим из совмещенных лазерного и светового лучей.
Перечень фигур.
Изобретение поясняется фигурами, на которых:
Фигура 1 - Схематично показан технологический процесс фрикционно-лучевой сварки.
Фигура 2 - Показана принципиальная схема оптической насадки для сведения лазерного и светового излучений в одно гибридное излучение.
Осуществление изобретения
Процесс соединения деталей «встык» (фиг.1) по предлагаемому способу осуществляют в следующей последовательности. Детали 4 и 5 собирают в сборочно-сварочном приспособлении и жестко закрепляют, обеспечивая отсутствие зазора между соединяемыми кромками деталей и плотное прилегание их к подкладке. В процессе сварки не допускают каких-либо перемещений кромок относительно приспособления и друг друга.
В точке начала сварки (фиг.1) на стык собранных и зафиксированных деталей подводят сварочную головку с источником гибридного излучения таким образом, чтобы ось сварочного инструмента 1 и его рабочий стержень 3 совместилась с линией стыка, включают источник светового излучения 8 фокусируя излучение в зону начальной точки сварки, тем самым нагревая и облучая зону начала стыка. Включают источник лазерного излучения 7, который обеспечивает дополнительный нагрев начальной точки стыка с повышенным коэффициентом поглощения лазерного излучения 7, производя тем самым нагрев гибридным лучом 9 начало зоны сварки. В обработанную область начала стыка подводят сварочный инструмент 1, погружают вращающийся рабочий стержень 3 в стык деталей до касания опорным буртом 2 поверхности соединяемых поверхностей, включается измеритель температуры и по достижению в зоне сварки температуры 0,4-0,6 Тпл, необходимой для пластифицирования материала, начинают перемещать со скоростью сварки излучатель совместно со сварочным инструментом 6 (или свариваемое изделие относительно инструмента и излучателя). Расстояние между вращающимся инструментом и зоной дополнительного подогрева определяют с учетом теплофизических свойств металла, его толщины, мощности когерентного излучения, диаметра опорного бурта инструмента и других факторов. При этом пятно нагрева от лазерного луча 7 может располагаться как на пятне нагрева светового луча 8, так и вне его - перед ним.
На расстоянии ≈15-30 мм до конца свариваемого стыка для компенсации краевого эффекта (изменение условий теплоотвода) выключают сначала источник лазерного излучения, а затем плавно снижают мощность светового источника, по мере приближения конца стыка соединяемых деталей излучатель отключают. В конце свариваемого стыка выводят инструмент 1 из сваренного стыка. После этого осуществляют сборку нового стыка и процесс сварки повторяют.
Ориентировочная температура пластифицирования для различных металлов и их сплавов лежит в следующих диапазонах температур:
- алюминий ≈265°C-400°C;
- сталь ≈600°C-900°C;
- титан ≈650°C-1000°C.
Температуру стыкуемых деталей, непосредственно перед движущимся по линии стыка сварочным инструментом, в зоне сварки измеряют бесконтактным измерителем температуры. В качестве прибора измерения температуры используются, например, термопары, оптические пирометры, инфракрасные датчики и т.п.
Для осуществления фрикционной сварки используется традиционное оборудование для фрикционной сварки, например, модернизированные под сварку фрезерные станки, специальные или лабораторные установки для фрикционной сварки. В качестве источника лазерного излучения используются CO2-лазер, ND YAG-лазер или различные полупроводниковые (диодные) лазеры мощностью от 100 Вт. В качестве источника светового излучения используются ламповые источники света (ксеноновые), газоразрядная лампа или источник полихроматического излучения плазменного типа и др. мощностью до 5 КВт.
Излучатель 6 устанавливается перед сварочным инструментом 1, крепление излучателя может осуществляется непосредственно на шпиндель установки для сварки трением консольно или другими способами или иметь независимый от сварочного инструмента привод.
Излучатель 6 в виде оптической насадки (фиг.2) для свето-лазерного излучения содержит закрепленный зеркальный фокусатор 12 и коллимирующий оптический узел 10 для лазерного луча 15, причем коллиматор 10 установлен с возможностью перемещения. Для направления лазерного луча 15 в фокусатор 12 предусмотрено отражающее зеркало 11. Фокусировка лазерного луча осуществляется в коническом экране с защитным кварцевым стеклом 14, прозрачным для светового луча. Световое излучение 16 подается под углом в конический экран 14 через кварцевое стекло. В коническом экране лучи светового и лазерного излучений сводятся в единый гибридный луч 13, таким образом осуществляют его подачу в зону сварки.
В отдельных случаях, когда дополнительного тепловложения от энергоэкономного полихроматического излучателя достаточно, то фрикционно-лучевую сварку можно производить без совместного использования его с когерентным источником излучения.
Технико-экономический эффект.
Экспериментально подтверждена эффективность применения интегрального луча. При нагреве (в течение 1,5 мин) пластин из сплава ВТ6 толщиной 6 мм и при одинаковых энергетических параметрах режима лазерного излучения наложение светового излучения повышало температуру нагрева обратной стороны пластины от 150°C до 190-200°C, соответственно ускоряется переход свариваемого материала в пластифицированное состояние, тем самым снижается нагрузка на сварочный инструмент и соответственно снижаются требования к мощности и жесткости технологического оборудования для фрикционной сварки. Это позволяет применять менее дорогостоящее оборудование, а снижение потребляемой мощности соответственно снизит энергопотребление при фрикционно-лучевой сварки.
Эффективный и равномерный нагрев при фрикционно-лучевой сварке способствует более интенсивному его перемешиванию, что повышает качество сварного соединения, а так же позволяет соединять металлы более широкой номенклатуры и большей толщины, что расширяет технологические возможности процесса.
Claims (1)
- Способ фрикционно-лучевой сварки деталей, включающий сборку и закрепление свариваемых деталей, погружение в свариваемые детали инструмента в виде вращающегося с высокой скоростью рабочего сердечника из высокопрочного материала и перемещение его по всей длине соединения, последующий вывод сердечника из соединения и охлаждение детали, при этом осуществляют дополнительный разогрев зоны сварки путем ее облучения, отличающийся тем, что дополнительный разогрев зоны сварки осуществляют сфокусированным лазерным и полихроматическим лучами, сведенными в единый луч с помощью конического экрана с защитным кварцевым стеклом, причем подачу полихроматического луча в конический экран осуществляют под углом.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012116833/02A RU2504463C2 (ru) | 2012-04-26 | 2012-04-26 | Способ фрикционно-лучевой сварки |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012116833/02A RU2504463C2 (ru) | 2012-04-26 | 2012-04-26 | Способ фрикционно-лучевой сварки |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012116833A RU2012116833A (ru) | 2013-11-10 |
RU2504463C2 true RU2504463C2 (ru) | 2014-01-20 |
Family
ID=49516465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012116833/02A RU2504463C2 (ru) | 2012-04-26 | 2012-04-26 | Способ фрикционно-лучевой сварки |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2504463C2 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2092289C1 (ru) * | 1995-11-30 | 1997-10-10 | Фирма Общество с ограниченной ответственностью "МОГАСС" | Устройство для пайки и сварки световым лучом |
WO2002074479A1 (en) * | 2001-03-19 | 2002-09-26 | Rotem Industries Ltd. | Improved process and apparatus for friction stir welding |
RU2271908C2 (ru) * | 2000-07-25 | 2006-03-20 | Эадс Дойчланд Гмбх | Способ лазерной сварки трением с перемешиванием |
RU2341361C2 (ru) * | 2007-02-14 | 2008-12-20 | Георгий Михайлович Алексеев | Способ лазерно-световой сварки стали |
-
2012
- 2012-04-26 RU RU2012116833/02A patent/RU2504463C2/ru active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2092289C1 (ru) * | 1995-11-30 | 1997-10-10 | Фирма Общество с ограниченной ответственностью "МОГАСС" | Устройство для пайки и сварки световым лучом |
RU2271908C2 (ru) * | 2000-07-25 | 2006-03-20 | Эадс Дойчланд Гмбх | Способ лазерной сварки трением с перемешиванием |
WO2002074479A1 (en) * | 2001-03-19 | 2002-09-26 | Rotem Industries Ltd. | Improved process and apparatus for friction stir welding |
RU2341361C2 (ru) * | 2007-02-14 | 2008-12-20 | Георгий Михайлович Алексеев | Способ лазерно-световой сварки стали |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012116833A (ru) | 2013-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5364856B1 (ja) | 加工装置、加工方法 | |
Brecher et al. | Laser-assisted milling of advanced materials | |
JP6063670B2 (ja) | レーザ切断加工方法及び装置 | |
Katayama et al. | Latest progress in performance and understanding of laser welding | |
Madhukar et al. | An investigation on co-axial water-jet assisted fiber laser cutting of metal sheets | |
Liebl et al. | Laser welding of copper using multi mode fiber lasers at near infrared wavelength | |
WO2014132504A1 (ja) | 加工装置および加工方法 | |
CN102161134A (zh) | 变极性方波钨极氩弧和激光复合焊接方法 | |
CN101610872A (zh) | 钢板的激光焊接方法和激光焊接装置 | |
JP2004521747A (ja) | 摩擦撹拌溶接のための改良されたプロセスおよび装置 | |
US20160151862A1 (en) | Device for laser processing of a surface of a workpiece or for post-treatment of a coating on the outside or the inside of a workpiece | |
JP6071640B2 (ja) | 加工装置、加工方法 | |
CN105798462A (zh) | 一种利用激光-mag复合热源的焊接方法 | |
Gaidys et al. | Efficient picosecond laser ablation of copper cylinders | |
CN101992354A (zh) | 微束等离子弧和激光复合焊接方法 | |
JP2015000434A (ja) | ビーム分岐合成光学系を用いたレーザ加工法 | |
Patidar et al. | The effect of CO2 laser cutting parameter on Mechanical & Microstructural characteristics of high strength steel-a review | |
Kim et al. | Hybrid-hybrid machining of SiC-reinforced aluminium metal matrix composite | |
Saxena et al. | Development and investigations on a hybrid tooling concept for coaxial and concurrent application of electrochemical and laser micromachining processes | |
JP2005279730A (ja) | レーザ切断方法および装置 | |
CN109982808B (zh) | 激光加工装置以及激光加工方法 | |
Rana et al. | Optimization of process parameter of Laser beam machining of high strength steels: A review | |
Pathak et al. | Application of Laser Technology in the Mechanical and Machine Manufacturing Industry | |
US10647064B2 (en) | System and method for light assisted friction stir processing and welding of metallic and non-metallic materials | |
Casalino et al. | Study of a fiber laser assisted friction stir welding process |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190427 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210601 |