RU2746385C1

RU2746385C1 - Method for producing duct in metal workpiece by means of friction mixing welding

Info

Publication number: RU2746385C1
Application number: RU2020129063A
Authority: RU
Inventors: Иван Николаевич Ивашкин; Алексей Николаевич Крупышев
Original assignee: Закрытое акционерное общество «Чебоксарское предприятие «Сеспель»; Тодин Юрий Алексеевич
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2021-04-12

Abstract

FIELD: welding.

SUBSTANCE: invention relates to welding, namely, to methods for obtaining internal ducts by friction mixing welding in metal workpieces for the circulation of the refrigerant of a refrigerating machine. The workpiece is fixed on the machine table with fasteners. In the chuck of the machine, a friction mixing welding tool is installed, including a left-threaded collar and a shoulder with an end spiral. The collar is immersed in the workpiece material to the shoulder and the tool is rotated counterclockwise with a movement along a predetermined trajectory with a welding speed of 90-110 mm/min, a welding force of 1100-1300 kgf and 540-560 spindle rotations per minute. After obtaining the duct of the given shape, the tool is stopped and disconnected from the workpiece, and the workpiece is subjected to further processing. EFFECT: improved quality of the resulting internal duct of a given shape while increasing the strength of the workpiece in the duct area in parts of complex geometric shapes while reducing process complexity.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к сварке, а именно к способам получения каналов (дефектов туннельного типа) в металлических заготовках методом сварки трением перемешиванием для циркуляции хладагента холодильной машины.The invention relates to welding, and in particular to methods for producing channels (tunnel-type defects) in metal blanks by friction stir welding for circulation of the refrigerant of a refrigerating machine.

Способ сварки трением с перемешиванием заключается в том, что соединение металлов происходит за счет разогрева в зоне сварки методом трения. Основным сварочным инструментом сварки трением с перемешиванием является металлический стержень, состоящий из двух половинок: бурта и заплечика. Своей выступающей частью вращающийся стержень погружается в материал, вызывая сильный нагрев. Его подачу ограничивает заплечик, не позволяя пройти насквозь свариваемую деталь. В зоне нагрева материал значительно увеличивает свою пластичность и, придавливаемый заплечиком, формирует единую массу. Примеры сварки трением с перемешиванием описываются в документах ЕР-А-0615480 и WO 95/26254.The method of friction stir welding consists in the fact that the connection of metals occurs due to heating in the welding zone by the friction method. The main welding tool for friction stir welding is a metal rod, which consists of two halves: a shoulder and a shoulder. With its protruding part, the rotating rod is immersed in the material, causing strong heating. Its supply is limited by a shoulder, which does not allow the part to be welded to pass through. In the heating zone, the material significantly increases its plasticity and, pressed down by the shoulder, forms a single mass. Examples of friction stir welding are described in EP-A-0615480 and WO 95/26254.

О преимуществах сварки трением с перемешиванием широко известно в данной области техники, особенно по сравнению с традиционными способами сварки сплавлением. Эти преимущества включают в себя отсутствие необходимости в использовании расходных или присадочных материалов, низкий уровень деформации в длинных сварных швах, минимальную подготовку, наличие твердой фазы (не возникает паров, отсутствует пористость или разбрызгивание, уменьшается количество подводимого тепла, можно избежать затвердевания расплавленной сварочной ванны), отличные механические свойства и характеристики формирования соединения.The advantages of friction stir welding are well known in the art, especially over traditional fusion welding methods. These advantages include no consumables or filler materials required, low deformation in long welds, minimal preparation, solids (no vapor, no porosity or spatter, less heat input, no solidification of the molten weld pool) , excellent mechanical properties and bonding formation characteristics.

Инструменты для сварки трением с перемешиванием могут также использоваться для обработки одной детали. При обработке трением с перемешиванием (FSP, friction stir processing) инструмент, который обычно используется для FSP, перемещается по материалу одной детали, для того, чтобы вызвать изменение свойств этого материала, вместо того, чтобы перемещаться вдоль линии соединения для создания сварного шва. Термомеханическая переработка под воздействием инструмента может стать причиной отдельных локальных изменений микроструктуры, физических свойств (пластических характеристик, прочности, и т.д.), а также химических свойств (коррозийная стойкость и т.д.). Способ FSP также использовался для упрочнения и ремонта отливок и других конструкций, помогая избавиться от пористости и улучшить свойства вокруг каналов/отверстий, например, в отливках головки цилиндра. Примеры использования FSP можно найти в документах US 6712916 В, ЕР-А-1160029, JP 2005-324240 A, US 2006-0032891 А, и US 6994916 B.Friction stir welding tools can also be used to machine a single piece. In friction stir processing (FSP), a tool that is commonly used for FSP moves through the material of one part in order to cause a change in the properties of that material, instead of moving along the joint line to create a weld. Thermomechanical processing under the influence of a tool can cause individual local changes in microstructure, physical properties (plastic characteristics, strength, etc.), as well as chemical properties (corrosion resistance, etc.). The FSP process has also been used to strengthen and repair castings and other structures, helping to eliminate porosity and improve properties around bores / holes, for example in cylinder head castings. Examples of the use of FSP can be found in documents US 6712916 B, EP-A-1160029, JP 2005-324240 A, US 2006-0032891 A, and US 6994916 B.

Из уровня техники не выявлены решения, позволяющие посредством сварки трением перемешиванием целенаправленно получить внутри детали дефект туннельного типа (канал). Как правило, получение канала внутри детали осуществляют при непосредственном изготовлении детали (штамповки, прессовки, отливки и т.д.). Получение внутреннего канала в готовой детали посредством вырезания и последующей сварки сопряжено со снижением прочности области детали, подвергшейся обработке, а также с появлением микротрещин в указанной области, которые ведут к дальнейшему разрушению конструкции.From the prior art, no solutions have been identified that allow, by means of friction stir welding, to purposefully obtain a tunnel-type defect (channel) inside the part. As a rule, obtaining a channel inside a part is carried out during the direct manufacture of a part (stamping, pressing, casting, etc.). Obtaining an internal channel in a finished part by cutting and subsequent welding is associated with a decrease in the strength of the area of the part that has undergone processing, as well as with the appearance of microcracks in this area, which lead to further destruction of the structure.

Техническая проблема, решаемая заявленным способом, заключается в снижении трудоемкости процесса получения внутреннего канала внутри деталей сложной геометрической формы.The technical problem solved by the claimed method consists in reducing the labor intensity of the process of obtaining an internal channel inside parts of a complex geometric shape.

Технический результат, достигаемый при осуществлении способа, заключается в повышении качества получаемого внутреннего канала с одновременным повышением прочности изделия в области проведения канала в деталях сложной геометрической формы при уменьшении трудоемкости процесса.The technical result achieved by the implementation of the method consists in improving the quality of the resulting internal channel with a simultaneous increase in the strength of the product in the area of the channel in the details of complex geometric shapes while reducing the complexity of the process.

Заявленный технический результат достигается за счет осуществления способа получения канала в изделии посредством сварки трением перемешиванием, включающего этапы, на которых изделие фиксируют на столе станка крепежными элементами, в патрон станка устанавливают инструмент сварки трением перемешиванием, включающий бурт с левой резьбой и заплечик с торцевой спиралью, погружают бурт в материал изделия до заплечика и вращают инструмент против часовой стрелки с перемещением по заранее заданной траектории со скоростью сварки 90-110 мм/мин, усилием сварки 1100-1300 кгс и 540-560 оборотов шпинделя в минуту, после получения канала заданной формы инструмент останавливают, отсоединяют от изделия, изделие подвергают дальнейшей обработке.The claimed technical result is achieved by implementing a method for producing a channel in a product by means of friction stir welding, including the stages at which the product is fixed on the machine table with fasteners, a friction stir welding tool is installed in the machine chuck, including a shoulder with a left-hand thread and a shoulder with an end spiral, immerse the collar into the material of the product to the shoulder and rotate the tool counterclockwise with movement along a predetermined trajectory at a welding speed of 90-110 mm / min, a welding force of 1100-1300 kgf and 540-560 spindle revolutions per minute, after obtaining a channel of a given shape, the tool stop, disconnect from the product, the product is subjected to further processing.

В частных случаях осуществления изобретения изделие выполнено из цветного металла.In particular cases of the invention, the product is made of non-ferrous metal.

В частных случаях осуществления изобретения изделие выполнено из сплава цветных металлов.In particular cases of the invention, the product is made of an alloy of non-ferrous metals.

В частных случаях осуществления изобретения изделие выполнено из алюминиевых сплавов или медных или магниевых или титановых.In particular cases of the invention, the product is made of aluminum alloys or copper or magnesium or titanium.

В частных случаях осуществления изобретения инструмент сварки трением перемешиванием выполнен из вольфрам-кобальтового сплава. In particular cases of the invention, the friction stir welding tool is made of a tungsten-cobalt alloy.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.The solution is further explained by referring to the figures, which show the following.

Фиг. 1 - приспособление зажимное с зафиксированным на нем изделием.FIG. 1 - a clamping device with a product fixed on it.

Фиг. 2 - схема инструмента сварки трением перемешиванием.FIG. 2 is a schematic diagram of a friction stir welding tool.

Фиг. 3 - пример канала, выполненного в изделии заявленным способом.FIG. 3 is an example of a channel made in a product by the claimed method.

Фиг. 4 - пример канала, выполненного в изделии заявленным способом, вид А-А с фиг. 3.FIG. 4 is an example of a channel made in a product by the claimed method, view A-A in FIG. 3.

Первый этап способа включает установку приспособления зажимного 1 в виде стальной плиты на столе станка и фиксацию его на столе станка крепежными элементами (заклепки, зажимы, струбцины, зажимы винтовые, гидравлические, пневматические, электромагнитная плита). The first stage of the method includes installing a clamping device 1 in the form of a steel plate on the machine table and fixing it on the machine table with fasteners (rivets, clamps, clamps, screw clamps, hydraulic, pneumatic, electromagnetic plate).

В зажимном приспособлении устанавливают изделие 2, подлежащее обработке, и фиксируют винтами по периметру сквозь отверстия, которые имеются на заготовке и плите.In the clamping device, the product 2 to be processed is installed and fixed with screws along the perimeter through the holes that are on the workpiece and the plate.

В патрон станка устанавливают инструмент 3 сварки трением перемешиванием, выполненный из вольфрам-кобальтового сплава (инструментальная сталь марки ВК8, где содержание вольфрама - 92 мас.% и кобальта - 8 мас.%). Инструмент 3 содержит бурт 4 с левой нарезкой и заплечик 5 с торцевой спиралью. Инструмент сварки трением перемешиванием является изделием собственной разработки, изготовленным на производственной базе ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель».The tool 3 for friction stir welding made of tungsten-cobalt alloy (tool steel VK8 grade, where the content of tungsten is 92 wt.% And cobalt is 8 wt.%) Is installed in the chuck of the machine. Tool 3 contains a shoulder 4 with a left-hand thread and a shoulder 5 with an end spiral. The friction stir welding tool is a product of our own design, manufactured at the production base of CJSC “Cheboksary enterprise“ Sespel ”.

Погружают бурт 4 в материал изделия до заплечика 5 и вращают инструмент 3 против часовой стрелки с перемещением по заранее заданной траектории со скоростью сварки 90-110 мм/мин, усилием сварки 1100-1300 кгс и 540-560 оборотов шпинделя в минуту, после получения канала 6 заданной формы инструмент останавливают, отсоединяют от изделия, изделие подвергают дальнейшей обработке.The collar 4 is immersed in the product material up to the shoulder 5 and the tool 3 is rotated counterclockwise with movement along a predetermined trajectory at a welding speed of 90-110 mm / min, a welding force of 1100-1300 kgf and 540-560 spindle revolutions per minute, after receiving the channel 6 of a given shape, the tool is stopped, disconnected from the product, the product is subjected to further processing.

При вращении инструмента против часовой стрелки с левой нарезкой резьбы, на рабочей части, идет движение металла с корня шва в верхние слои к заплечику, образуя дефект тоннельного типа (канал). На заплечике имеется торцевая спираль, удерживающая поднятый с корня шва металл. В ходе проведения экспериментальных работ удалось выяснить, что изменением геометрии инструмента достигаются разные формы и размеры сечения канала. When the tool is rotated counterclockwise with left-hand threading, on the working part, the metal moves from the root of the weld to the upper layers to the shoulder, forming a tunnel-type defect (channel). On the shoulder there is an end spiral that holds the metal raised from the root of the seam. In the course of experimental work, it was possible to find out that by changing the geometry of the tool, different shapes and sizes of the channel section are achieved.

Описанным способом выполняют внутренние каналы в заготовках из различных цветных металлов, из сплавов цветных металлов, а также из алюминиевых или медных или магниевых или титановых сплавов. In the described way, internal channels are made in workpieces made of various non-ferrous metals, from alloys of non-ferrous metals, as well as from aluminum or copper or magnesium or titanium alloys.

Пример осуществления изобретения.An example of implementation of the invention.

Для получения канала в заготовке из сплава цветных металлов Amg5 (сплав на основе алюминия с добавлением магния 5 мас.%), показанного на фиг. 3-4 применяют следующие режимы образования канала управляющей программы: To obtain a channel in a billet of non-ferrous metal alloy Amg5 (aluminum-based alloy with an addition of 5 wt% magnesium) shown in FIG. 3-4 apply the following modes of forming the channel of the control program:

обороты шпинделя - 550 об/мин;spindle speed - 550 rpm;

скорость сварки - 100 мм/мин;welding speed - 100 mm / min;

усилие сварки - 1200 кгс.welding force - 1200 kgf.

После получения канала заданной форме согласно фиг. 3-4 изделия направляют на механическую обработку на станке DMU-80 для придания окончательной формы и присоединительных элементов.After obtaining the channel of the predetermined shape according to FIG. 3-4 products are sent for machining on a DMU-80 machine to give the final shape and connecting elements.

Claims

A method of obtaining a channel in an article by means of friction stir welding, including the stages at which the article is fixed on the machine table with fasteners, a friction stir welding tool is installed in the machine chuck, including a shoulder with a left-hand thread and a shoulder with an end spiral, the shoulder is immersed into the product material up to the shoulder and rotate the tool counterclockwise with movement along a predetermined trajectory at a welding speed of 90-110 mm / min, a welding force of 1100-1300 kgf and 540-560 spindle revolutions per minute, after obtaining a channel of a given shape, the tool is stopped and disconnected from the product, and the product is subjected to further processing.