RU2702536C1

RU2702536C1 - Method of friction welding of sheet workpieces

Info

Publication number: RU2702536C1
Application number: RU2019117186A
Authority: RU
Inventors: Аскар Джамилевич Мингажев; Николай Константинович Криони; Алиса Аскаровна Мингажева; Семен Романович Шехтман; Светлана Николаевна Поезжалова; Искандер Хайдарович Самматов
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2019-10-08

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention can be used for connection by friction welding of joints of large length, mainly, sheet elements and structural units from aluminum or magnesium alloys. Proposed method comprises preparation of blanks, their fixation and welding by rotating tool at its movement with welding speed along seam. Fixation of sheet workpieces is performed by inserting their edges into double-tee lock from filler material with slots corresponding to thicknesses of connected sheet workpieces. Welding is performed by means of rotating rod tool in two passes: first, on one side of connected sheet workpieces with its immersion into double-tee lock from filler material to depth of 0.6–0.7 of thickness of connected sheet workpieces, and then – on opposite side of connected sheet workpieces with its immersion into double-tee lock from filler material at depth of 0.5–0.6 of thickness of connected sheet workpieces with overlapping of first seam.

EFFECT: method ensures production of high-quality joints due to increased symmetry of weld seam relative to edges of sheet workpieces.

1 cl, 3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологическим процессам сварки, более конкретно к области сварки трением (фрикционной сварки), и может использоваться в различных областях машиностроения и строительства для соединения стыков большой протяженности преимущественно листовых элементов и узлов конструкций из алюминиевых, магниевых сплавов и других конструкционных материалов, в том числе из материалов, несвариваемых плавлением.The invention relates to welding processes, and more particularly to the field of friction welding (friction welding), and can be used in various fields of mechanical engineering and construction for connecting joints of long lengths mainly of sheet elements and structural units made of aluminum, magnesium alloys and other structural materials, including including materials not fusion welded.

Широко известен способ сварки трением, включающий вращение или циклическое перемещение свариваемых деталей друг относительно друга с нагревом зоны стыка за счет работы сил трения и последующим сдавливанием деталей до образования соединения (патент РФ №. МПК B23K 20/12. СПОСОБ ЛИНЕЙНОЙ СВАРКИ ТРЕНИЕМ ЗАГОТОВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ МОНОБЛОКОВ ТУРБОМАШИН. Бюл. №20. 2012 г.)A widely known method of friction welding, including rotation or cyclic movement of the parts to be welded relative to each other with heating of the joint zone due to the work of the friction forces and subsequent compression of the parts to form a joint (RF patent No. IPC B23K 20/12. METHOD FOR LINEAR Friction Welding of Titanium Workpieces ALLOYS FOR MONO-UNITS OF TURBO MACHINES bull. №20. 2012)

Недостатком этого способа является невозможность его применения для сварки листовых конструкций, поскольку он требует перемещения деталей относительно друг друга.The disadvantage of this method is the impossibility of its use for welding sheet structures, since it requires the movement of parts relative to each other.

Известен способ сварки трением (патент РФ №2173619. МПК B23K 20/12. Способ сварки трением. Бюл. №26. 2001 г.), по которому дисковый инструмент, вращающийся вокруг своей оси, погружают через прорезь обжимающего шов дополнительного устройства в стык соединяемых деталей. При трении о материал заготовок вращающегося дискового инструмента материал заготовок пластифицируется и переносится в зону позади инструмента, где формируется сварной шов.A known method of friction welding (RF patent No. 2173619. IPC B23K 20/12. Friction welding method. Bull. No. 26. 2001), in which a disk tool rotating around its axis is immersed through the slot of the crimping seam of the additional device into the joint to be joined details. When rubbing against the workpiece material of a rotating disk tool, the workpiece material is plasticized and transferred to the area behind the tool where a weld is formed.

Недостатком известного способа является то, что при сварке из-за недостатка материала металл шва не полностью заполняет сварной шов, поскольку происходит утолщение соединяемых кромок и вынос части материала диском на поверхность кромок.The disadvantage of this method is that when welding due to a lack of material, the weld metal does not completely fill the weld, since there is a thickening of the joined edges and the removal of part of the material by the disk to the edge surface.

Известен также способ сварки трением (А.С. СССР №195846. МПК B23K 20/12 опубл. 1967 г., WO 93/10935 МПК B23K 20/12 от 1993 г.), по которому инструмент, имеющий форму стрежня, вращают около своей оси и погружают в стык между торцами соединяемых заготовок, а затем перемещают его вдоль линии стыка. При этом работа сил трения пластифицирует свариваемый материал, и он переносится в зону, освобождающуюся сзади инструмента, где формируется сварной шов.There is also known a method of friction welding (AS USSR No. 195846. IPC B23K 20/12 publ. 1967, WO 93/10935 IPC B23K 20/12 from 1993), in which a tool having the shape of a rod is rotated about of its axis and immersed in the joint between the ends of the connected blanks, and then move it along the line of the joint. In this case, the work of friction forces plasticizes the material to be welded, and it is transferred to the area that is released behind the tool, where a weld is formed.

Недостатками известного способа сварки являются несимметричность сварного шва, высокие требования к точности сборки под сварку, утонение сечения в месте шва, что приводит к снижению прочности соединения, а также сложность обеспечения стабильного формирования корня шва.The disadvantages of the known welding method are the asymmetry of the weld, high requirements for the accuracy of assembly for welding, thinning of the cross section at the weld site, which leads to a decrease in the strength of the connection, as well as the difficulty in ensuring stable formation of the root of the weld.

Также известен способ сварки трением деталей листа стыкового соединения (патент UA 69459. МПК B23K 20/12. Methodanddeviceforfrictionweldingbyrotatingdisk/2004 г.), который выполняется с помощью вращающегося диска и ползуна, которые постепенно смещаются в направлении сварки вместе таким образом, что ползунок расположен за диском на поверхности деталей, и диск через прорезь для слайдера погружен в соединение деталей. Материал соединения нагревается диском до пластифицированного состояния в результате работы сил трения, он переносится в область за диском, где он принудительно удаляется с диска и выдавливается. Материал наполнителя принудительно вводится в переднюю зону зоны сварки, прижимается к образующей поверхности диска и с помощью приемной камеры, расположенной в передней секции ползуна, накапливается в пластифицированном состоянии.Also known is a method of friction welding of parts of a butt joint sheet (patent UA 69459. IPC B23K 20/12. Methodanddeviceforfrictionweldingbyrotatingdisk / 2004), which is performed using a rotating disk and a slider, which are gradually shifted in the welding direction together so that the slider is located behind the disk on the surface of the parts, and the disk through the slot for the slider is immersed in the connection of parts. The joint material is heated by the disk to a plasticized state as a result of the friction forces, it is transferred to the area behind the disk, where it is forcibly removed from the disk and squeezed out. The filler material is forcibly introduced into the front zone of the welding zone, pressed against the generatrix of the disk surface and, with the help of a receiving chamber located in the front section of the slide, is accumulated in a plasticized state.

Недостатками данного способа являются сложность обеспечения стабильности подачи ленты или проволоки под вращающийся диск и их обработки, а также усложнение оборудования.The disadvantages of this method are the difficulty of ensuring the stability of the feed of the tape or wire under the rotating disk and their processing, as well as the complexity of the equipment.

Наиболее близким по технической сущности является способ фрикционной сварки, преимущественно длинномерных листовых деталей, включающий подготовку и фиксацию заготовок, и сварку вращающимся инструментом при его перемещении со скоростью сварки вдоль шва (патент РФ №2460617. МПК B23K 20/12. Способ комбинированной фрикционной сварки. Бюл. №25.2012 г.). При этом после подготовки и фиксации заготовок погружают в стык между заготовками вращающийся дисковый инструмент и перемещают его со скоростью сварки вдоль шва. Сварку производят в два прохода. Первый проход осуществляют дисковым инструментом с погружением его на глубину, обеспечивающую формирование в нижней части стыка корневого сварочного шва с образованием в верхней части стыка паза, равного толщине дискового инструмента. Затем в паз закладывают присадку, например, в виде таврового профиля с толщиной ребра, равной ширине паза. Осуществляют второй проход фрикционной сваркой вращающимся стержневым инструментом с погружением его в присадку на глубину паза с перекрытием корневого шва.The closest in technical essence is the method of friction welding, mainly long sheet metal parts, including the preparation and fixing of workpieces, and welding with a rotating tool when moving it with a welding speed along the seam (RF patent No. 2460617. IPC B23K 20/12. Combined friction welding method. Bull. No. 25.2012). In this case, after preparing and fixing the workpieces, a rotating disk tool is immersed in the joint between the workpieces and moved with a welding speed along the seam. Welding is carried out in two passes. The first pass is carried out with a disk tool with its immersion to a depth, which ensures the formation of a root weld in the lower part of the joint with the formation in the upper part of the joint of the groove equal to the thickness of the disk tool. Then, an additive is laid in the groove, for example, in the form of a T-profile with a rib thickness equal to the width of the groove. A second pass is carried out by friction welding with a rotating rod tool with its immersion in the additive to the depth of the groove with the overlapping of the root suture.

Недостатком известного способа сварки являются сложность обеспечения симметричности сварного шва относительно соединяемых кромок и значительная трудоемкость процесса из-за использование двух типов сварочных инструментов.A disadvantage of the known welding method is the difficulty in ensuring the symmetry of the weld relative to the joined edges and the considerable complexity of the process due to the use of two types of welding tools.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа фрикционной сварки длинномерных листовых заготовок, позволяющего получать качественные соединения из несвариваемых плавлением материалов.The present invention is to develop a method of friction welding of long sheet blanks, which allows to obtain high-quality joints from non-weldable materials.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение качественных соединений из несвариваемых плавлением материалов.The technical result of the invention is to obtain high-quality compounds from non-weldable materials.

Технический результат достигается за счет того, что в способе фрикционной сварки листовых заготовок, включающем подготовку заготовок, их фиксацию и сварку вращающимся инструментом при его перемещении со скоростью сварки вдоль шва, в отличие от прототипа фиксацию листовых заготовок производят введением их кромок в двутавровый замок из присадочного материала с пазами, соответствующими толщинам соединяемых листовых заготовок, а сварку осуществляют вращающимся стержневым инструментом в два прохода, вначале с одной стороны соединяемых листовых заготовок, погружая его в двутавровый замок из присадочного материала на глубину 0,6-0,7 толщины соединяемых листовых заготовок, а затем с противоположной стороны соединяемых листовых заготовок, погружая его в двутавровый замок из присадочного материала на глубину 0,5-0,6 толщины соединяемых листовых заготовок с перекрытием первого шва.The technical result is achieved due to the fact that in the method of friction welding of sheet blanks, including preparing blanks, fixing them and welding with a rotating tool when moving it with a welding speed along the seam, in contrast to the prototype, fixing of blanks is carried out by introducing their edges into the I-beam from filler material with grooves corresponding to the thicknesses of the joined sheet blanks, and welding is carried out by a rotating rod tool in two passes, first on one side of the joined l billets, immersing it in an I-shaped lock of filler material to a depth of 0.6-0.7 of the thickness of the joined sheet blanks, and then from the opposite side of the joined sheet blanks, immersing it in an I-shaped lock of filler material to a depth of 0.5-0, 6 thicknesses of joined sheet blanks with overlapping of the first seam.

Кроме того, возможно использование следующего дополнительного приема способа: используют двутавровый замок с направляющими канавками по обе его стороны, обеспечивающими перемещение сварочного инструмента вдоль соединяемых кромок листовых заготовок его без отклонения от центра формируемого сварного шва.In addition, it is possible to use the following additional method method: an I-beam lock with guide grooves on both sides thereof is used, which ensure that the welding tool moves along the joined edges of the sheet blanks without deviating from the center of the weld being formed.

Таким образом, наличие пазов для соединяемых кромок листовых заготовок, а также направляющей для стержневого вращающегося сварного инструмента обеспечивает формирование качественного полномерного симметричного шва, как вдоль соединяемых кромок, так и по его толщине.Thus, the presence of grooves for the joined edges of the sheet blanks, as well as the guide for the rod rotating welded tool, provides the formation of a high-quality full-length symmetrical weld both along the joined edges and its thickness.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан процесс выполнения первого прохода сварного шва (фиг. 1 а - процесс стыковки листовых заготовок с использованием двутаврового замка; фиг. 1 б - фиксация листовых заготовок двутавровым замком; фиг. 1 в - выполнение первого прохода вращающимся стержневым инструментом), на фиг. 2 показан процесс выполнения второго прохода и формирование готового сварного шва (фиг. 2 а - листовые заготовки, соединенные первым проходом сварного шва, фиг. 2 б - выполнение второго прохода вращающимся стержневым инструментом, фиг. 2 в - листовые заготовки соединенные двухсторонним сварным швом), на фиг. 3 - листовые заготовки зафиксированные двутавровым замком с направляющей канавкой. На фигурах обозначено: 1 - первая листовая заготовка; 2 - двутавровый замок; 3 - вторая листовая заготовка; 4 - стержневой сварочный инструмент; 5 -сварной шов первого прохода; 6 - сварной шов второго прохода; 7 - двухсторонний сварной шов; 8 - направляющая канавка, (стрелками обозначено направление перемещения листовых заготовок для соединения и фиксации в двутавровом замке; со - направление вращения стержневого инструмента)The invention is illustrated by drawings, where in FIG. Fig. 1 shows the process of performing the first pass of the weld (Fig. 1 a - the process of joining sheet blanks using an I-shaped lock; Fig. 1 b - fixing of sheet blanks with an I-shaped lock; Fig. 1 c - making the first pass with a rotating rod tool), Fig. 1 2 shows the process of performing the second pass and the formation of the finished weld (Fig. 2 a - sheet blanks connected by the first pass of the weld, Fig. 2 b - making the second pass by a rotating rod tool, Fig. 2 c - sheet blanks connected by a double-sided weld) in FIG. 3 - sheet blanks fixed with an I-shaped lock with a guide groove. In the figures indicated: 1 - the first sheet blank; 2 - I-beam castle; 3 - second sheet blank; 4 - rod welding tool; 5-welded seam of the first pass; 6 - weld of the second pass; 7 - double-sided weld; 8 - guide groove, (arrows indicate the direction of movement of sheet blanks for connection and fixation in the I-beam lock; co - direction of rotation of the core tool)

Изобретение реализуют следующим образом.The invention is implemented as follows.

Способ фрикционной сварки предназначен преимущественно для сварки длинномерных листовых деталей с толщиной более 4 мм. Способ включает подготовку и фиксацию листовых заготовок 1 и 3 введением их кромок в двутавровый замок 2, выполненный из присадочного материала, с пазами, соответствующими толщинам соединяемых листовых заготовок 1 и 3 (фиг. 1 а и фиг. 1 б). При этом сварку осуществляют вращающимся стержневым инструментом 4 в два прохода (фиг. 1 и фиг. 2). Вначале с одной стороны соединяемых листовых заготовок, погружая стержневой инструмент 4 в двутавровый замок 2 из присадочного материала на глубину 0,6-0,7 толщины соединяемых листовых заготовок 1 и 3 (фиг. 1 в), формируя сварной шов первого прохода 5 (фиг. 2 а). Затем, с противоположной стороны соединяемых листовых заготовок 1 и 3, погружая стержневой инструмент 4 в двутавровый замок из присадочного материала на глубину 0,5-0,6 толщины соединяемых листовых заготовок с перекрытием первого шва 5 формируют сварной шов первого прохода 6 (фиг. 2 б) с образованием готового сварного шва 7 (фиг. 2 в).The friction welding method is intended primarily for welding long sheet metal parts with a thickness of more than 4 mm. The method includes preparing and fixing the sheet blanks 1 and 3 by introducing their edges into the I-beam lock 2 made of filler material, with grooves corresponding to the thicknesses of the joined sheet blanks 1 and 3 (Fig. 1 a and Fig. 1 b). When this welding is carried out by a rotating rod tool 4 in two passes (Fig. 1 and Fig. 2). First, on one side of the joined sheet blanks, immersing the core tool 4 in the I-beam lock 2 from filler material to a depth of 0.6-0.7 of the thickness of the joined sheet blanks 1 and 3 (Fig. 1 c), forming a weld of the first pass 5 (Fig. . 2 a). Then, on the opposite side of the joined sheet blanks 1 and 3, immersing the core tool 4 in the I-beam lock from filler material to a depth of 0.5-0.6 of the thickness of the joined sheet blanks with the overlapping of the first seam 5 form a weld seam of the first pass 6 (Fig. 2 b) with the formation of the finished weld 7 (Fig. 2 c).

Погружение стержневого инструмента 4 в двутавровый замок 2 из присадочного материала на глубину 0,6-0,7 толщины соединяемых листовых заготовок 1 и 3 (фиг. 1 в) и погружение с противоположной стороны соединяемых листовых заготовок 1 и 3 стержневого инструмента 4 в двутавровый замок 2 из присадочного материала на глубину 0,5-0,6 толщины соединяемых листовых заготовок с перекрытием первого шва 5 обеспечивает формирование сплошного сварного шва 7 (фиг. 2 в).Immersion of the core tool 4 in the I-beam lock 2 of filler material to a depth of 0.6-0.7 thickness of the joined sheet blanks 1 and 3 (Fig. 1 c) and immersion from the opposite side of the connected sheet blanks 1 and 3 of the core tool 4 in the I-beam 2 from filler material to a depth of 0.5-0.6 of the thickness of the joined sheet blanks with overlapping of the first seam 5 provides the formation of a continuous weld 7 (Fig. 2 c).

Кроме того, для обеспечения более точного перемещения сварочного стержневого инструмента 4 используют двутавровый замок с направляющими канавками 8 (фиг. 3) по обе его стороны. Это позволяет обеспечить перемещение сварочного инструмента вдоль соединяемых кромок листовых заготовок без отклонения от центра формируемого сварного шва 7.In addition, to ensure a more accurate movement of the welding rod tool 4, an I-beam lock with guide grooves 8 (Fig. 3) is used on both sides thereof. This allows you to ensure the movement of the welding tool along the joined edges of the sheet blanks without deviation from the center of the formed weld 7.

Листовые заготовки 1 и 3 собираются под сварку (фиг. 1) на каретке станка и прижимаются к ней в сборочно-сварочном приспособлении с прижимными планками, жестко закрепленном на каретке станка.Sheet blanks 1 and 3 are assembled for welding (Fig. 1) on the carriage of the machine and pressed to it in an assembly-welding fixture with clamping bars rigidly fixed to the carriage of the machine.

Первый и второй проходы выполняют фрикционной сваркой вращающимся стержневым инструментом 4. Инструмент 4 с рабочим стержнем вращают со скоростью ω (200÷2000 об/мин), погружают в стык с двутавровым замком 2 из присадочного материала на глубину 0,6-0,7 толщины соединяемых листовых заготовок 1 и 3. Далее инструмент 4, не прекращая вращения, перемещают со скоростью порядка 100÷900 мм/мин вдоль стыка, образуя сварной шов первого прохода 5 (фиг. 2 а). Затем с противоположной стороны формируют сварной шов второго прохода 6, образуя готовый сварной шов 7. При этом большая скорость вращения со и меньшая скорость сварки применяются для сварки материалов с относительно высокой температурой пластификации и наоборот. Глубина погружения при втором проходе должна обеспечивать перекрытие шва первого прохода. По окончании сварки, не прекращая вращения инструмента 4, его выводят из стыка заготовок и отключают приводы вращения и рабочего перемещения инструмента относительно сварного узла.The first and second passes are performed by friction welding with a rotating rod tool 4. Tool 4 with a working rod is rotated at a speed of ω (200 ÷ 2000 rpm), immersed in a joint with an I-beam lock 2 of filler material to a depth of 0.6-0.7 thickness connected sheet blanks 1 and 3. Next, the tool 4, without stopping rotation, is moved at a speed of the order of 100 ÷ 900 mm / min along the joint, forming a weld of the first pass 5 (Fig. 2 a). Then, on the opposite side, a weld of the second pass 6 is formed, forming a finished weld 7. In addition, a high rotation speed co and a lower welding speed are used for welding materials with a relatively high plasticization temperature and vice versa. The depth of immersion in the second pass should ensure the overlap of the seam of the first pass. At the end of welding, without stopping the rotation of the tool 4, it is removed from the junction of the workpieces and the drives of rotation and working movement of the tool relative to the welded assembly are turned off.

Параметры режима сварки (скорость вращения сварочного инструмента, глубину его погружения и скорость сварки) определяют экспериментально сваркой контрольных образцов и оценкой качества готового шва по стандартным критериям.The parameters of the welding mode (the rotation speed of the welding tool, the depth of its immersion and the welding speed) are determined experimentally by welding control samples and assessing the quality of the finished weld according to standard criteria.

Пример. Была произведена сварка листовых заготовок из алюминиевого сплава Д19 толщиной 6 мм по способу-прототипу (патент РФ №2460617) и предлагаемому способу. Сварка по предлагаемому способу осуществлялась стержневым инструментом при скорости вращения 1000 об/мин и скорости сварки 125 мм/мин с погружением на глубину: в первом проходе 3,7 мм, во втором проходе 3,2 мм. Использовали двутавровые замки, выполненные из присадочного материала Д19. Фрикционную сварку стержневым инструментом проводили при скорости вращения 1000 об/мин и скорости сварки 125 мм/мин. Фрикционную сварку листовых заготовок выполняли на вертикально-фрезерном станке, используя стержневой сварочный инструмент. Сварку по способу-прототипу (патент РФ №2460617) осуществляли при прочих равных условиях, в соответствии с приведенными в способе-прототипе параметрами (дисковым инструментом диаметром 110 мм и толщиной 2,5 мм при скорости вращения 200 об/мин и скорости сварки 200 мм/мин., фрикционную сварку стержневым инструментом проводили при скорости вращения 1000 об/мин и скорости сварки 125 мм/мин). Сравнительные исследования сформированных по обоим вариантам сварных швов показали, что нессиметричность сварного шва относительно кромок листовых заготовок при его формировании по способу-прототипу составляет от 11 до 16%, а по предлагаемому способу - от 4 до 7%.Example. Was welded sheet blanks of aluminum alloy D19 6 mm thick by the prototype method (RF patent No. 2460617) and the proposed method. Welding according to the proposed method was carried out with a rod tool at a rotation speed of 1000 rpm and a welding speed of 125 mm / min with immersion to a depth of 3.7 mm in the first pass and 3.2 mm in the second pass. I-beams made of filler material D19 were used. Friction welding with a rod tool was carried out at a rotation speed of 1000 rpm and a welding speed of 125 mm / min. Friction welding of sheet blanks was performed on a vertical milling machine using a rod welding tool. The welding according to the prototype method (RF patent No. 2460617) was carried out, ceteris paribus, in accordance with the parameters given in the prototype method (disk tools with a diameter of 110 mm and a thickness of 2.5 mm at a rotation speed of 200 rpm and a welding speed of 200 mm / min., friction welding with a bar tool was performed at a rotation speed of 1000 rpm and a welding speed of 125 mm / min). Comparative studies of the welds formed for both options showed that the asymmetry of the weld relative to the edges of the sheet blanks during its formation by the prototype method is from 11 to 16%, and by the proposed method from 4 to 7%.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает получение качественных соединений из не свариваемых плавлением материалов за счет повышения симметричности сварного шва относительно кромок листовых заготовок.Thus, the proposed method provides high-quality joints from non-fusion-welded materials by increasing the symmetry of the weld relative to the edges of the sheet blanks.

Claims

1. The method of friction welding of sheet blanks, including the preparation of blanks, their fixation and welding with a rotating tool when moving it with a welding speed along the seam, characterized in that the fixation of the sheet blanks is done by introducing their edges into the I-beam from filler material with grooves corresponding to the thicknesses of the joints sheet blanks, and welding is carried out by a rotating rod tool in two passes, first on one side of the connected sheet blanks, immersing it in an I-beam lock from filler material to a depth of 0.6-0.7 thickness of the joined sheet blanks, and then from the opposite side of the joined sheet blanks, immersing it in the I-beam lock from the filler material to a depth of 0.5-0.6 thickness of the joined sheet blanks with the overlapping of the first seam .

2. The method according to p. 1, characterized in that an I-beam lock is used with guide grooves on both sides thereof, providing movement of the welding tool along the joined edges of the sheet blanks without deviating from the center of the weld being formed.