RU2677559C1 - Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины - Google Patents
Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины Download PDFInfo
- Publication number
- RU2677559C1 RU2677559C1 RU2017129421A RU2017129421A RU2677559C1 RU 2677559 C1 RU2677559 C1 RU 2677559C1 RU 2017129421 A RU2017129421 A RU 2017129421A RU 2017129421 A RU2017129421 A RU 2017129421A RU 2677559 C1 RU2677559 C1 RU 2677559C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- welding tool
- tool
- welded
- axial force
- Prior art date
Links
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 101
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000003756 stirring Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 9
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 abstract description 8
- 230000035515 penetration Effects 0.000 abstract description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910018134 Al-Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018467 Al—Mg Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано при изготовлении сварных конструкций из алюминиевых полуфабрикатов переменной толщины методом сварки трением с перемешиванием. В процессе сварки проводится пошаговый контроль температуры поверхности сварного шва позади сварочного инструмента. При фиксировании отклонения температуры на величину, превышающую 2°С по отношению к начальному значению, осуществляют корректировку осевого усилия Р и частоты вращения сварочного инструмента ω в соответствии с заданными формулами. Сварку осуществляют с использованием сварочного инструмента, который содержит рабочий наконечник и уступ, причем одна из упомянутых деталей является единым целым с корпусом сварочного инструмента, а другая установлена с упором в корпус сварочного инструмента через упругие элементы. Способ обеспечивает гарантированный полный провар корня шва, стабильное формирование бездефектного сварного соединения с минимальными остаточными деформациями свариваемых алюминиевых заготовок. 6 ил., 1 пр.
Description
Настоящее изобретение относится к области сварочного производства, в частности к способу сварки трением с перемешиванием и может быть использовано при сварке длинномерных алюминиевых заготовок в виде катаных или прессованных полуфабрикатов переменной толщины.
Известно, что сварка трением с перемешиванием широко используется для получения сварных деталей, узлов и конструкций из металлических материалов. Основными преимуществами этого способа сварки по сравнению с традиционными способами сварки плавлением являются:
во-первых, возможность получения высокопрочных сварных соединений практически равных по прочности основному металлу,
во-вторых, отсутствие в сварных конструкциях остаточных деформаций и поводок, которые неизбежно возникают при сварке плавлением.
Одним из важных технологических требований к процессу сварки трением с перемешиванием является обеспечение определенного расстояния (зазора) между торцом наконечника сварочного инструмента и подложкой, на которой закрепляется свариваемая деталь. Экспериментально установлено, что для получения качественного сварного шва, величина зазора в процессе сварки должна составлять от 0,05 до 0,3 мм.
При увеличении расстояния между торцом наконечника вращающегося сварочного инструмента и подложкой на величину более 0,3 мм, в корне шва возникают дефекты в виде трещин или несплавлений, приводящие к снижению механической прочности и пластичности сварных соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием.
При снижении указанного расстояния до значений меньше 0,05 мм высока вероятность локального перегрева и разупрочнения металла шва, кроме того, при касании наконечником сварочного инструмента технологической подложки происходит ее частичное разрушение с внедрением в корень шва частичек подложки.
Известен способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов [RU 2357843], применяющийся для изготовления сварных конструкций и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов судостроительной, авиационной, машиностроительной и других областях промышленности. В указанном патенте предлагается использовать сварочный инструмент с зафиксированными в процессе сварки уступом и наконечником, приведен пример применения способа при сварке стыковых листовых соединений. В этом случае отклонение геометрических размеров (допусков) по толщине свариваемых заготовок не должно превышать указанное максимально допустимое расстояние между торцом наконечника и подложкой, составляющее 0,3 мм. Указанная величина соответствует отклонению по толщине тонкостенных листовых полуфабрикатов, что позволяет успешно применять для их сварки способ сварки по [RU 2357843].
Однако, при сварке этим способом заготовок из прессованных полуфабрикатов возникают сложности, обусловленные тем, что допуски по толщине прессованных полуфабрикатов, как правило, превышают 0,3 мм, и, в большинстве случаев, составляют 0,3-0,6 мм.
Поэтому, при сварке заготовок из прессованных полуфабрикатов способом [RU 2357843] с использованием сварочного инструмента с зафиксированным уступом и наконечником, невозможно получать качественные бездефектные сварные соединения, с гарантированным проваром по всей толщине. Это является существенным недостатком указанного способа.
Частично исключить непровары в корне шва, возникающие при сварке заготовок с большими отклонениями по толщине, можно, применяя сварочный инструмент с выдвигающимся относительно уступа наконечником. Этот способ сварки указан в патентах US 5893507 (Appl. No. 08/904,505), US 2007/0228104 A1 (Appl. No. 11/395,723),
В приведенных изобретениях описывается способ сварки и оборудование, обеспечивающее:
измерение усилия на наконечнике сварочного инструмента,
регулирование рабочей длины наконечника,
определение координаты наконечника относительно поверхности уступа, поверхности свариваемых кромок или подложки.
Известные способы (по патентам US 5893507 US 2007/0228104) позволяют в процессе сварки управлять погружением наконечника в металл для обеспечения требуемой глубины провара свариваемых деталей.
Одновременно, в качестве условия, необходимого для обеспечения полного провара корня шва, задается расстояние между торцом наконечника и подложкой, которое остается постоянным вне зависимости от толщины свариваемой заготовки путем увеличения рабочей длины наконечника в процессе сварки трением с перемешиванием. Требуемая рабочая длина наконечника устанавливается в зависимости от суммарного усилия, действующего на сварочный инструмент.
В качестве прототипа выбран патент US 5718366, при котором наконечник или уступ сварочного инструмента упирается в корпус сварочного инструмента через упругие элементы (пружины). При этом в процессе сварки контролируется только суммарное усилие, действующее на сварочный инструмент, а усилия, действующие на уступ или на наконечник, определяются жесткостью пружин, перераспределяющих усилие с уступа на наконечник.
Приведенные выше изобретения (патенты US 5893507 US 2007/0228104, US 5718366) могут быть эффективно использованы для поддержания положения уступа сварочного инструмента относительно поверхности свариваемых заготовок и коррекции глубины погружения наконечника сварочного инструмента при сварке заготовок переменной толщины. Однако, их существенным недостатком является отсутствие регулирования тепловложения, вносимого в свариваемые кромки сварочным инструментом.
Проведенные исследования [Е.А. Алифиренко, В.И. Павлова, Е.П. Осокин, «Сварка трением с перемешиванием тонкостенных соединений из морского алюминиевого сплава 1561», Мир сварки, 2010 г., №15, с. 30-34] показали, что при заданной скорости сварки и фиксированном положении уступа относительно поверхности свариваемых заготовок, количество тепла, вносимое вращающимся сварочным инструментом в металл, определяется конструктивно-технологическими параметрами сварки - скоростью сварки, частотой вращения сварочного инструмента, диаметром уступа и наконечника. Часть тепла расходуется на разогрев и пластификацию перемещаемого в процессе сварки металла, а остальное тепло отводится в корпус сварочного инструмента, в прилегающие кромки и в подложку.
Таким образом, при сварке заготовок переменной толщины величина теплоотвода не является постоянной и зависит от толщины прилегающих кромок. Увеличение их толщины приводит к ускорению теплоотвода и снижению температуры металла в корневой зоне, что негативно сказывается на формировании соединения: повышается вероятность появления трещин, несплавлений, дефектов типа «kissing bonds».
Экспериментально показано, что при фиксированных параметрах процесса сварки трением с перемешиванием, увеличение толщины свариваемых кромок Al-Mg сплава от 2,0 до 3,0 мм приводит к снижению максимальных температур в зоне сварки ~ на 70°С (с 480 до 410°С), уменьшению эффективной зоны пластического течения металла и образованию дефектов в виде трещин и несплавлений (фигура 1) даже при соответствующей коррекции длины наконечника сварочного инструмента.
И наоборот, уменьшение толщины свариваемых заготовок при неизменных параметрах сварки приводит к избыточному тепловложению и увеличению сварочных деформаций, а также негативно сказывается на формировании сварного соединения: в перегретом металле возникают структурные неоднородности, приводящие к разупрочнению металла (фигура 2).
Таким образом, недостатком известных способов сварки является отсутствие механизма корректировки тепловложения при изменении толщины свариваемых заготовок.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых полуфабрикатов, допускающий изменение толщины свариваемых заготовок в пределах 30%, и обеспечивающий гарантированный полный провар корня шва, стабильное формирование бездефектного сварного соединения с минимальными остаточными деформациями свариваемых алюминиевых заготовок.
Технический результат достигается тем, что способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины, включает приложение осевого усилия Р, действующего на корпус сварочного инструмента, вращающегося с частотой ω, который содержит рабочий наконечник и уступ, один из которых установлен с упором в корпус сварочного инструмента через упругие элементы, а другой жестко связан с корпусом сварочного инструмента, при этом проводят измерения температуры поверхности сварного шва Т в процессе сварки на удалении позади сварочного инструмента, составляющем от 10 до 100 мм„ осуществляют корректировку тепловложения за счет изменения осевого усилия Р и частоты вращения ω сварочного инструмента при изменении температуры Т более, чем на 2°С от значения Тнач на начальном участке сварного шва по следующим формулам:
Р=Р0-К1(Т-Тнач)
ω=ω0-К2(Т-Тнач), где
Р0 и ω0 - осевое усилие и частота вращения инструмента, соответственно, на предыдущем шаге корректировки,
Тнач - температура на начальном участке сварного шва,
а коэффициенты К1 и К2, соответственно, вычисляют с учетом начальных параметров сварки по следующим формулам:
На схеме (фигура 3) представлены оба варианта крепления сварочного инструмента и показано расположение термографа (5), фиксирующего температуру поверхности сварного шва.
Варианты крепления сварочного инструмента:
ВАРИАНТ А - рабочий наконечник 2 установлен с упором в корпус 1 через упругие элементы 4, а уступ 3 жестко связан с корпусом 1;
ВАРИАНТ Б - уступ 3 установлен с упором в корпус 1 через упругие элементы 4, а рабочий наконечник 2 жестко связан с корпусом сварочного инструмента 1.
Пример реализации изобретения
Выполняли сварку трением с перемешиванием алюминиевых заготовок длиной L (5, фигура 4), равной 300 мм, и переменной толщиной δ (6, фигура 4), равной 3,0 мм, 2,2 мм и 3,0 мм на участках 7, 8, 9 (фигура 4) соответственно. Для сварки использовали сварочный инструмент по варианту Б, в котором наконечник 2 жестко связан с корпусом 1 сварочного инструмента, а уступ 3 установлен с упором в корпус 1 через упругие элементы 4 (фигура 4).
В процессе сварки измеряли температуру сварного шва в зоне, расположенной на расстоянии (10, фигура 4), равном 20 мм позади сварочного инструмента с помощью термографа 11 (фигура 4) с разрешающей способностью 0,05°С.
Начальные параметры сварки составляли ω=500 об/мин, Р=1800 кг.
После прохождения начального участка 12 (фигура 4), равного 30 мм от места внедрения сварочного инструмента фиксировали значение температуры на начальном участке Тнач=64,2°С.
Для приведенных параметров сварки определили значения коэффициентов К1 и К2:
В процессе сварки проводили контроль значений температуры Т с частотой 1 измерение в секунду. При превышении отклонения Т от Тнач на величину большую чем 2°С, проводили расчет по формулам (1) и (2) и осуществляли соответствующую корректировку осевого усилия Р и частоты вращения ω
где Р0 и ω0 - значения осевого усилия и частоты вращения сварочного инструмента на предыдущем шаге корректировки.
Диаграмма изменения параметров процесса сварки представлена на фигуре 5.
Использование сварочного инструмента с уступом, установленным с упором в корпус через упругие элементы, контроль температуры металла в процессе сварки, корректировка тепловложения путем изменения осевого усилия и частоты вращения сварочного инструмента, регулирование заглубления наконечника сварочного инструмента обеспечили качественное формирование сварного соединения на протяжении всей длины свариваемой заготовки с переменной толщиной свариваемых кромок в пределах от 2,2 до 3,0 мм.
Макроструктура поперечного сечения сварного соединения на разных участках указана на фигуре 6.
Claims (10)
- Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины, включающий приложение осевого усилия Р, действующего на корпус сварочного инструмента, вращающегося с частотой ω, который содержит рабочий наконечник и уступ, один из которых установлен с упором в корпус сварочного инструмента через упругие элементы, а другой жестко связан с корпусом сварочного инструмента, при этом проводят измерения температуры поверхности сварного шва Т в процессе сварки на удалении позади сварочного инструмента, составляющем от 10 до 100 мм, и осуществляют корректировку тепловложения за счет изменения осевого усилия Р и частоты вращения ω сварочного инструмента при изменении температуры Т более чем на 2°С от значения Тнач на начальном участке сварного шва по следующим формулам:
- Р=Р0-К1(Т-Тнач)
- ω=ω0-К2(Т-Тнач), где
- Р0 и ω0 - осевое усилие и частота вращения инструмента соответственно на предыдущем шаге корректировки,
- Тнач - температура на начальном участке сварного шва,
- а коэффициенты К1 и К2 соответственно вычисляют с учетом начальных параметров сварки по следующим формулам:
- Р и ω - осевое усилие и частота вращения инструмента на начальном этапе сварки,
- δ - толщина свариваемых кромок при 1<δ<10 [мм].
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017129421A RU2677559C1 (ru) | 2017-08-17 | 2017-08-17 | Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017129421A RU2677559C1 (ru) | 2017-08-17 | 2017-08-17 | Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2677559C1 true RU2677559C1 (ru) | 2019-01-17 |
Family
ID=65025419
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017129421A RU2677559C1 (ru) | 2017-08-17 | 2017-08-17 | Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2677559C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU200913U1 (ru) * | 2020-05-14 | 2020-11-18 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Сварочный инструмент для сварки трением с перемешиванием |
RU2814426C1 (ru) * | 2023-07-07 | 2024-02-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1493424A1 (ru) * | 1988-02-15 | 1989-07-15 | Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Способ инерционной сварки трением |
US5893507A (en) * | 1997-08-07 | 1999-04-13 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Auto-adjustable pin tool for friction stir welding |
US20050010209A1 (en) * | 2000-06-07 | 2005-01-13 | Lee Fred T. | Radiofrequency ablation system using multiple prong probes |
US20050006441A1 (en) * | 1999-02-12 | 2005-01-13 | Adams Glynn Paul | Stir-friction hot working control system |
RU2289496C1 (ru) * | 2005-06-08 | 2006-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" | Способ фрикционной сварки с перемешиванием материала заготовок (варианты) |
-
2017
- 2017-08-17 RU RU2017129421A patent/RU2677559C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1493424A1 (ru) * | 1988-02-15 | 1989-07-15 | Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Способ инерционной сварки трением |
US5893507A (en) * | 1997-08-07 | 1999-04-13 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Auto-adjustable pin tool for friction stir welding |
US20050006441A1 (en) * | 1999-02-12 | 2005-01-13 | Adams Glynn Paul | Stir-friction hot working control system |
US20050010209A1 (en) * | 2000-06-07 | 2005-01-13 | Lee Fred T. | Radiofrequency ablation system using multiple prong probes |
RU2289496C1 (ru) * | 2005-06-08 | 2006-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева" | Способ фрикционной сварки с перемешиванием материала заготовок (варианты) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU200913U1 (ru) * | 2020-05-14 | 2020-11-18 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Сварочный инструмент для сварки трением с перемешиванием |
RU2814426C1 (ru) * | 2023-07-07 | 2024-02-28 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием |
RU2815342C1 (ru) * | 2023-07-07 | 2024-03-13 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lammlein et al. | The friction stir welding of small-diameter pipe: an experimental and numerical proof of concept for automation and manufacturing | |
EP2090396B1 (en) | System an process for solid state depositing of metals | |
EP1439933B1 (en) | Apparatus and method for forming weld joints having compressive residual stress patterns | |
Heidarzadeh et al. | Prediction of grain size and mechanical properties in friction stir welded pure copper joints using a thermal model | |
Astarita et al. | Experimental study of the forces acting on the tool in the friction-stir welding of AA 2024 T3 sheets | |
Dutra et al. | Metallurgical characterization of the 5083H116 aluminum alloy welded with the cold metal transfer process and two different wire-electrodes (5183 and 5087) | |
Iqbal et al. | Numerical and experimental study on friction stir welding of aluminum alloy pipe | |
Singh et al. | Optimization of vibratory welding process parameters using response surface methodology | |
RU2677559C1 (ru) | Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины | |
Başak et al. | Application of burnishing process on friction stir welding and investigation of the effect of burnishing process on the surface roughness, hardness and strength | |
Ethiraj et al. | Comparative study on conventional and underwater friction stir welding of copper plates | |
Hristov | Repairing worn-out rudder bearing hub and propeller by means built up welding | |
RU2634402C1 (ru) | Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых деформируемых сплавов | |
CN116140784B (zh) | 一种消除gh4065a高温合金惯性摩擦焊接裂纹的方法 | |
Bahari et al. | Heat analysis in friction stir welding using finite element method | |
JP6493564B2 (ja) | 摩擦撹拌接合方法および装置 | |
Mertin et al. | Influence of the process temperature on the properties of friction stir welded blanks made of mild steel and aluminum | |
CN108115351A (zh) | 一种扁头套内孔修复方法 | |
CN108637430B (zh) | 异种金属摆动电弧窄间隙多层多道非对称电流焊接方法 | |
Suwarsono et al. | Mechanical properties of friction stir lap welding (FSLW) on dissimilar aluminum sheet A1100 and A1050 | |
Padmanaban et al. | Prediction of tensile strength and optimization of process parameters for friction stir welded AZ31B magnesium alloy | |
Bhattacharjee et al. | Numerical Modeling for Prediction of Surface Morphology and Volumetric Defect Using Coupled Eulerian–Lagrangian Approach during Friction Stir Welding of Marine Grade Aluminum Alloy | |
CN104816080A (zh) | 一种焊接区域加温装置 | |
Mahto et al. | Effect of Pin Diameter in Underwater Friction Stir Lap Welding of Dissimilar Materials: AA6061-T6 and AISI304 | |
RU2496621C1 (ru) | Способ фрикционной сварки вращающимся диском |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20210310 |