RU2805731C1

RU2805731C1 - Method for manufacturing one-piece tool for friction stir welding using additive techniques

Info

Publication number: RU2805731C1
Application number: RU2023111495A
Authority: RU
Inventors: Сергей Сергеевич Малофеев; Игорь Васильевич Высоцкий; Сергей Юрьевич Миронов; Дамир Вагизович Тагиров; Рустам Оскарович Кайбышев
Filing date: 2023-05-03
Publication date: 2023-10-23

Abstract

FIELD: additive techniques.

SUBSTANCE: manufacture of tools for friction stir welding. For the manufacture of tools, finely dispersed powder of martensitic chromium-nickel stainless steel grade 17-4PH with an average particle size of 5 to 50 microns is used. 3D printing of the tool is carried out on a ProX DMP 200 unit using selective laser sintering in an inert gas atmosphere. The resulting tool is tempered at a temperature of 400-600°C for 0.5 hour to 3 hours.

EFFECT: obtaining a solid tool made with the required geometric accuracy and having high hardness.

1 cl, 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области сварки трением с перемешиванием, в частности, к области сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов.The present invention relates to the field of friction stir welding, in particular to the field of friction stir welding of aluminum alloys.

Из уровня техники известен инструмент для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов, изготавливаемый из штамповой стали с исходной твердостью не более 25 HRC. Обработку заготовки проводят на токарном станке с использованием твердосплавных резцов до требуемых размеров с припуском от 0,2 до 0,5 мм с последующей термической обработкой, заключающейся в закалке с последующим отпуском при температуре не ниже 500°С на получение пика вторичной твердости и последующим доведением размеров инструмента до требуемых за счет снятия припуска операцией точения с использованием резцов с эльборовыми вставками или любого другого инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных материалов (RU № 2647043 C2, публ. 13.03.2018).A tool for friction stir welding of aluminum alloys, made of die steel with an initial hardness of no more than 25 HRC, is known from the prior art. The workpiece is processed on a lathe using carbide cutters to the required dimensions with an allowance of 0.2 to 0.5 mm, followed by heat treatment, which consists of hardening followed by tempering at a temperature of at least 500°C to obtain a peak of secondary hardness and subsequent finishing tool sizes to the required ones by removing the allowance by turning using cutters with CBN inserts or any other tool designed for processing high-strength materials (RU No. 2647043 C2, published 03.13.2018).

Недостатком данного способа является относительно низкая технологичность метода из-за использования твердосплавных резцов при первичной токарной обработке инструмента и дорогостоящих резцов с эльборовыми вставками при доведении размеров инструмента после термообработки (закалка и отпуск) до требуемых.The disadvantage of this method is the relatively low manufacturability of the method due to the use of carbide cutters during the initial turning of the tool and expensive cutters with CBN inserts when bringing the tool dimensions after heat treatment (hardening and tempering) to the required ones.

Известен инструмент для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов, содержащий установочную часть в виде конуса Морзе и исполнительный блок в виде заплечника и штыря, отличающийся тем, что инструмент выполнен составным из держателя и исполнительного блока в виде заплечника и штыря, образующими единую деталь, на рабочем конце держателя выполнен цилиндрический канал, в котором установлен исполнительный блок, на противоположном конце держателя выполнен конус Морзе, причем исполнительный блок фиксируется в держателе стопорным винтом и штифтом (RU № 45955 U1, публ. 10.06.2005).There is a known tool for friction stir welding of aluminum alloys, containing a mounting part in the form of a Morse cone and an actuating unit in the form of a shoulder and a pin, characterized in that the tool is made of a composite holder and an actuating unit in the form of a shoulder and a pin, forming a single part on the working At the end of the holder there is a cylindrical channel in which the actuating unit is installed, at the opposite end of the holder there is a Morse cone, and the actuating unit is fixed in the holder with a locking screw and a pin (RU No. 45955 U1, published 06/10/2005).

Инструмент для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов, содержащий держатель и исполнительный блок в виде заплечика и штыря, отличающийся тем, что на рабочем конце держателя выполнена полость, в которой размещена цанга со штырем, установленным соосно цанге и зафиксированным в цанге двумя штифтами, при этом цанга закреплена в держателе накидной гайкой, навинчиваемой по резьбе на рабочий конец держателя, причем на торце накидной гайки, обращенном к зоне сварки, выполнен заплечик (RU № 109033 U1, публ. 10.10.2011).A tool for friction stir welding of aluminum alloys, containing a holder and an executive unit in the form of a shoulder and a pin, characterized in that at the working end of the holder there is a cavity in which a collet is placed with a pin installed coaxially with the collet and fixed in the collet with two pins, while the collet is secured in the holder with a union nut, threaded onto the working end of the holder, and a shoulder is made at the end of the union nut facing the welding zone (RU No. 109033 U1, published 10.10.2011).

Недостатком данных изобретений является составной характер инструмента и большое количество деталей, требующих токарно-фрезерной обработки с высокой точностью для исключения люфтов и биений инструмента в процессе сварки трением в перемешивании, которые негативным образом влияют на установку сварки трением с перемешиванием, усиливая нагрузку на подшипники и увеличивая их износ.The disadvantage of these inventions is the composite nature of the tool and a large number of parts that require turning and milling with high precision to eliminate backlash and runout of the tool during friction stir welding, which negatively affect the installation of friction stir welding, increasing the load on the bearings and increasing their wear and tear.

Известен метод селективного лазерного спекания на установке ProX DMP 200 (т. е. 3D-печати) (https://3dtoday.ru/3d-printers/3d-systems/prox-dmp-200), который основан на послойном спекании мелкодисперсного металлического порошка мартенситной хромоникелевой нержавеющей стали марки 17-4PH со средним размером порошинок от 5 до 50 мкм , при котором порошинки частично оплавляются лазером и соединяются между собой (спекаются) в среде инертного газа, исключающего окисление порошка в процессе нагрева и оплавления. Высокий теплоотвод во время процесса способствует быстрому охлаждению материала и формированию различных фаз: мартенсит, аустенит и δ-феррит. There is a known method of selective laser sintering using the ProX DMP 200 installation (i.e. 3D printing) (https://3dtoday.ru/3d-printers/3d-systems/prox-dmp-200), which is based on layer-by-layer sintering of finely dispersed metal martensitic chromium-nickel stainless steel powder grade 17-4PH with an average particle size from 5 to 50 microns, in which the powders are partially melted by a laser and connected to each other (sintered) in an inert gas environment, which prevents oxidation of the powder during heating and melting. High heat dissipation during the process contributes to rapid cooling of the material and the formation of various phases: martensite, austenite and δ-ferrite.

Недостатком данного метода является низкая твердость готовых изделий, которая не превышает 28-30 HRC.The disadvantage of this method is the low hardness of the finished products, which does not exceed 28-30 HRC.

Задачей предлагаемого изобретения является изготовление цельного инструмента для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов из порошка мартенситной хромоникелевой нержавеющей стали с помощью аддитивных технологий методом послойного селективного лазерного спекания с твердостью не менее 35 HRC.The objective of the present invention is to produce a one-piece tool for friction stir welding of aluminum alloys from martensitic chromium-nickel stainless steel powder using additive technologies using layer-by-layer selective laser sintering with a hardness of at least 35 HRC.

Технический результат заключается в получении инструмента для сварки трением с перемешиванием достаточной твердости в виде цельной детали выполненной с необходимой геометрической точностью которая присуща методу послойного селективного лазерного спекания с исключением последующей токарно-фрезерной обработки, т.е. исключение использования дорогостоящего обрабатывающего инструмента, снижение времени изготовления. The technical result consists in obtaining a tool for friction stir welding of sufficient hardness in the form of a solid part made with the necessary geometric accuracy which is inherent in the method of layer-by-layer selective laser sintering with the exception of subsequent turning and milling processing, i.e. eliminating the use of expensive processing tools, reducing production time.

Поставленная задача решается с помощью аддитивных технологий способом 3D-печати на установке ProX DMP 200 по технологии селективного лазерного спекания в атмосфере инертного газа согласно заданным геометрическим размерам с использованием мелкодисперсного порошка мартенситной хромоникелевой нержавеющей стали марки 17-4PH со средним размером порошинок от 5 до 50 мкм получают цельный инструмент, причем инструмент дополнительно подвергают отпуску при температуре от 400°С – 600°С в течение от 0,5 часа до 3 часов.The problem is solved using additive technologies by 3D printing on a ProX DMP 200 installation using selective laser sintering technology in an inert gas atmosphere according to specified geometric dimensions using fine powder of martensitic chromium-nickel stainless steel grade 17-4PH with an average particle size from 5 to 50 microns a one-piece tool is obtained, and the tool is additionally tempered at a temperature of 400°C – 600°C for 0.5 hours to 3 hours.

Это позволяет повысить твердость инструмента с целью увеличения его ресурса и стабилизации свойств при повышенной температуре.This makes it possible to increase the hardness of the tool in order to increase its service life and stabilize properties at elevated temperatures.

Преимущество изобретения заключается в том, что получаемый инструмент может обладать разнообразной конструкцией, который технически очень сложно или невозможно получить токарной обработкой с твердостью не менее 35 HRC.The advantage of the invention is that the resulting tool can have a varied design, which is technically very difficult or impossible to obtain by turning with a hardness of at least 35 HRC.

Изобретение поясняется фотографиями.The invention is illustrated by photographs.

Фиг. 1 и Фиг. 1а - изображен общий вид инструмента для сварки трением с перемешиванием, изготовленный предлагаемым способом 3D-печати с последующим отпуском Fig. 1 and Fig. 1a - shows a general view of a tool for friction stir welding, manufactured by the proposed 3D printing method with subsequent tempering

Фиг. 2 – изображены инструменты для сварки трением с перемешиванием, изготовленные способом 3D-печати с последующим отпуском с различной конфигурацией пина.Fig. 2 – shows tools for friction stir welding, manufactured by 3D printing and subsequent tempering with different pin configurations.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Конструкция инструмента была разработана с помощью программного обеспечения 3DXpert^TM (Фиг. 1, Фиг. 1а). Диаметр заплечиков инструмента равен 14,5 мм. На контактной поверхности заплечиков сделаны три спиральные канавки глубиной 0,5 мм и шириной 1 мм, обеспечивающие доставку материала соединяемых деталей к пину. Пин выполнен в виде усеченного конуса с тремя вогнутыми секторами. Диаметр у основания 6,5 мм, у вершины – 5 мм. Высота пина составила 4,7 мм. На выпуклых и вогнутых частях пина расположена резьба М5. Программным комплексом конструкция инструмента разбивалась на слои в 30 мкм. В качестве материала был использован мелкодисперсный порошок мартенситной хромоникелевой нержавеющей стали марки 17-4PH со средним размером порошинок от 5 до 50 мкм, из которого на установке для 3D-печати металлом ProX DMP 200 по технологии селективного лазерного спекания в атмосфере осушенного азота был изготовлен инструмент для сварки трением с перемешиванием. На рабочий стол скребком наносился порошок мартенситной хромоникелевой нержавеющей стали слоем 90 мкм и прикатывался валком до толщины 30 мкм. Затем лучом лазера с выходной мощностью излучения 120 Вт порошок спекался согласно геометрическим размерам инструмента соответствующего слоя. Параметры процесса обеспечили твердость инструмента сразу после печати 28-30 HRC. Металлографические исследования показали, что материал инструмента состоял из смеси аустенита, мартенсита и δ-феррита. Инструмент был подвергнут отпуску при 482±2°С в течение 1 часа. В результате твердость инструмента составила 37 HRC.The instrument design was developed using 3DXpert ^TM software (Fig. 1, Fig. 1a). The diameter of the tool shoulders is 14.5 mm. Three spiral grooves 0.5 mm deep and 1 mm wide are made on the contact surface of the shoulders, ensuring the delivery of the material of the parts being connected to the pin. The pin is made in the form of a truncated cone with three concave sectors. The diameter at the base is 6.5 mm, at the top - 5 mm. The pin height was 4.7 mm. There is an M5 thread on the convex and concave parts of the pin. Using a software package, the design of the tool was divided into layers of 30 microns. The material used was finely dispersed powder of martensitic chromium-nickel stainless steel grade 17-4PH with an average particle size of 5 to 50 microns, from which a tool for friction stir welding. Martensitic chromium-nickel stainless steel powder was applied to the work table with a scraper in a layer of 90 µm and rolled with a roller to a thickness of 30 µm. Then, using a laser beam with a radiation output power of 120 W, the powder was sintered according to the geometric dimensions of the tool of the corresponding layer. The process parameters ensured that the tool hardness immediately after printing was 28-30 HRC. Metallographic studies showed that the tool material consisted of a mixture of austenite, martensite and δ-ferrite. The tool was tempered at 482±2°C for 1 hour. As a result, the hardness of the tool was 37 HRC.

Апробация инструмента, изготовленного с помощью аддитивных технологий методом послойного селективного лазерного спекания с последующей термической обработкой, осуществлялась на алюминиевых листах сплава АА6061. Листы были расположены встык. Была изготовления серия сварных соединений со следующими параметрами: скорость вращения инструмента варьировалась от 500 до 1100 об/ми, скорость подачи инструмента изменялась от 100 до 760 мм/мин. Сразу после процесса сварные соединения были подвергнуты послесварочной термической обработке. Механические испытания на одноосное растяжение данных соединений показали, что коэффициент полученных сварных соединений составил не менее 90%. Это свидетельствует о хорошей перемешивающей способности инструмента. Всего было выполнено не менее 10 м швов без разрушения и видимого износа, что демонстрирует высокие эксплуатационные характеристики инструмента.Testing of the tool, manufactured using additive technologies using layer-by-layer selective laser sintering followed by heat treatment, was carried out on aluminum sheets of AA6061 alloy. The sheets were arranged end to end. A series of welded joints were manufactured with the following parameters: the tool rotation speed varied from 500 to 1100 rpm, the tool feed speed varied from 100 to 760 mm/min. Immediately after the process, the welded joints were subjected to post-weld heat treatment. Mechanical tests for uniaxial tension of these joints showed that the coefficient of the obtained welded joints was no less than 90%. This indicates good mixing ability of the tool. In total, at least 10 m of welds were made without destruction or visible wear, which demonstrates the high performance characteristics of the tool.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет изготавливать инструмент для сварки трением с перемешиванием достаточной твердости в виде цельной детали, выполненной с необходимой геометрической точностью, различной конфигурацией пина (Фиг. 2) с исключением последующей токарно-фрезерной обработки.Thus, the proposed method makes it possible to produce a tool for friction stir welding of sufficient hardness in the form of a solid part, made with the required geometric accuracy, with different pin configurations (Fig. 2) with the exception of subsequent turning and milling.

Claims

A method for manufacturing a one-piece tool for friction stir welding using additive technologies, including 3D printing of the tool on a ProX DMP 200 installation using selective laser sintering technology in an inert gas atmosphere according to specified geometric dimensions using fine powder of martensitic chromium-nickel stainless steel grade 17-4PH with the average particle size is from 5 to 50 microns, characterized in that the tool is additionally tempered at a temperature from 400°C to 600°C for from 0.5 hours to 3 hours.