RU2815342C1 - Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием - Google Patents
Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815342C1 RU2815342C1 RU2023117922A RU2023117922A RU2815342C1 RU 2815342 C1 RU2815342 C1 RU 2815342C1 RU 2023117922 A RU2023117922 A RU 2023117922A RU 2023117922 A RU2023117922 A RU 2023117922A RU 2815342 C1 RU2815342 C1 RU 2815342C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- welding
- welding tool
- shoulder
- aluminum alloys
- temperature
- Prior art date
Links
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 93
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000003756 stirring Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- JECXXFXYJAQVAH-UHFFFAOYSA-N amg-3 Chemical compound C=1C(O)=C2C3CC(C)=CCC3C(C)(C)OC2=CC=1C1(CCCCCC)SCCS1 JECXXFXYJAQVAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000003303 reheating Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области сварочного производства, в частности, к технологиям сварки трением с перемешиванием, и может быть использовано при сварке алюминиевых сплавов. Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием заключается в том, что сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения. На начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С. Далее циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика, и этапа разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле: τнi = 246 - 2,6ω, где τнi – время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i; ω – скорость вращения сварочного инструмента. Обеспечивается оптимальное тепловложение по всей длине сварного шва и, как следствие, более эффективное и равномерное перемешивание алюминиевых сплавов. 4 ил.
Description
Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к технологиям сварки трением с перемешиванием, и может быть использовано при сварке алюминиевых сплавов.
Известен способ сварки трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением его наконечника и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки контролируют суммарное усилие, действующее на сварочный инструмент [1].
Недостатком известного решения является отсутствие регулирования тепловложения, вносимого в свариваемые кромки сварочным инструментом.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принят способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения [2].
Существенным недостатком прототипа является то, что в процессе сварки измеряют температуру уже готового сварного шва и только на его поверхности, а корректировку тепловложения осуществляют лишь на следующем участке свариваемых алюминиевых сплавов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка технологии, которая при низкой трудоемкости и широкой области применения позволяет корректировать тепловложение непосредственно на свариваемом участке алюминиевых сплавов в режиме реального времени.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
- расширение области применения, поскольку требуемое значение температуры алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика можно получить при разных комбинациях значений других технологических параметров (например, скорости вращения и перемещения сварочного инструмента) и для осуществления способа не требуется специальное оборудование;
- обеспечение оптимальной величины тепловложения по всей длине сварного шва и как следствие более эффективное и равномерное перемешивание алюминиевых сплавов.
Поставленная задача решается тем, что способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения, отличается тем, что на начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500 °С, далее циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика, и этапа разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле:
, где
τнi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500 °С в рамках текущего цикла i;
ω - скорость вращения сварочного инструмента.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак «на начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С» позволяет минимизировать вероятность возникновения непровара в начале сварного шва.
При этом уточнение, что наконечник сварочного инструмента погружают до тех пор, «пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С», описывает значение температуры сварки алюминиевых сплавов, которое:
- свидетельствует о том, что алюминиевые сплавы в зоне нагрева и смешения перешли в пластифицированное состояние (при температуре 450-500 °С для алюминиевого сплава типа АМг3), вследствие чего эффективно и равномерно перемешаны;
- информирует о том, что достигнута оптимальная величина тепловложения и его дальнейшая корректировка не требуется;
- сигнализирует о необходимости завершения начального этапа сварки.
Локализация измерения температуры обусловлена тем, что в зоне перед передней кромкой заплечика наблюдаются минимальная температура и наихудшие условия для получения пластифицированного состояния и перемешивания алюминиевых сплавов [3, 4].
Цикличность позволяет более эффективно управлять процессом сварки.
Признак «каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика» обеспечивает последовательное и относительно равномерное «перекрытие» зон нагрева и смешения при линейном перемещении сварочного инструмента и как следствие позволяет минимизировать вероятность возникновения непровара сварного шва по длине, причем величина шага подобрана таким образом, чтобы в конце каждого цикла наконечник сварочного инструмента находился у границы зоны, в которой алюминиевые сплавы находятся в пластифицированном состоянии.
Признак, указывающий что в каждом цикле после этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента следует «этап разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле:
, где
τнi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i;
ω - скорость вращения сварочного инструмента», позволяет определить время, необходимое для разогрева алюминиевых сплавов до температуры сварки путем догрева алюминиевых сплавов в области передней кромки заплечика.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи:
на фиг. 1 изображена схема процесса сварки трением с перемешиванием;
на фиг. 2 приведены циклограммы:
а - перемещения вращающегося сварочного инструмента;
б - температуры алюминиевых сплавов в области передней кромки заплечика;
на фиг. 3 приведены графики изменения температур под заплечиком на этапе разогрева алюминиевых сплавов:
а - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 70 с-1;
б - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 88 с-1.
на фиг. 4 показаны результаты расчета длительности τ цикла i для разных скоростей вращения ω сварочного инструмента:
а - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 52 с-1;
б - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 70 с-1;
в - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 88 с-1.
На чертежах показаны сварочный инструмент 1, его наконечник 2 и заплечик 3 с передней кромкой 4, соединяемые элементы 5 и стык 6 их свариваемых кромок, сформированный сварной шов 7, зона 8 нагрева и смешения алюминиевых сплавов.
Кроме того, на чертежах приведены следующие обозначения:
ω - скорость вращения сварочного инструмента;
Vсв - скорость перемещения вращающегося сварочного инструмента;
АБ - направление перемещения вращающегося сварочного инструмента;
N - осевое усилие, прикладываемое в процессе сварки трением с перемешиванием;
τ0 - время установки сварочного инструмента над свариваемыми кромками соединяемых элементов;
τн0 - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С перед первым перемещением вращающегося сварочного инструмента;
τнi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500 °С в рамках текущего цикла i;
τпi - время перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг в рамках текущего цикла i;
τi - длительность цикла;
t1 - температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика после перемещения вращающегося сварочного инструмента на величину шага;
t2 - температура сварки алюминиевых сплавов, измеряемая вдоль передней кромки заплечика и равная 450-500 °С.
Заявляемый способ осуществляют на стандартном оборудовании следующим образом.
На начальном этапе после включения сварочного инструмента 1 его наконечник 2 в течение периода длительностью τ0 (см. фиг. 2) погружают со скоростью вращения ω и приложением осевого усилия N в поверхность соединяемых элементов 5 до тех пор, пока рабочая поверхность заплечика 3 не достигнет поверхности соединяемых элементов 5, выполненных из алюминиевых сплавов.
После соприкосновения рабочей поверхности заплечика 3 с поверхностью соединяемых элементов 5 начинается период нагрева τн0, который продолжается до тех пор, пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки 4 заплечика 3 не достигнет значения температуры сварки t2 = 450-500°С (см. процесс I-II длительностью τн0 на фиг. 2).
После достижения температуры сварки циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из двух этапов:
1). вращающийся сварочный инструмент 1 перемещают со скоростью Vсв в направлении от А к Б на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра d заплечика 3 (см. процессы II-III, IV-V, VI-VII длительностью τп1, τп2, τп3 соответственно и с температурой t1 в конце каждого процесса на фиг. 2);
2). после перемещения вращающегося сварочного инструмента 1 на величину шага разогревают алюминиевые сплавы посредством вращающегося сварочного инструмента 1 с температуры t1 до температуры сварки t2 (см. процессы III-IV, V-VI длительностью τн1, τн2 соответственно и с температурой t2 в конце каждого процесса и соответственно цикла на фиг. 2).
Так как в расчетных исследованиях установлено, что в области передней 4 и задней (на чертежах не обозначена) кромок заплечика 3 температуры отличаются на 200-250°С [3, 4], по результатам экспериментальных исследований (см. фиг. 3) авторами выведена формула для определения количества времени, необходимого для догрева алюминиевых сплавов в области передней кромки 4 заплечика 3 на 200 °С (для алюминиевого сплава типа АМг3 толщиной 4 мм), в результате чего значение температуры алюминиевых сплавов под заплечиком становится одинаковым и достигает значения температуры сварки:
, где
τнi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500 °С в рамках текущего цикла i;
ω - скорость вращения сварочного инструмента.
Длительность τi цикла i складывается из длительности входящих в него этапов (результаты расчета представлены на фиг. 4) и может быть описана следующей формулой:
, где
τпi - время перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг в рамках текущего цикла i;
τнi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i;
d - диаметр заплечика;
Vсв - скорость перемещения вращающегося сварочного инструмента в направлении от А к Б;
ω - скорость вращения сварочного инструмента.
Авторы провели эксперимент с использованием четырех хромель-копелевых термопар (т/п № 1-4 на фиг.3) диаметром 0,2 мм каждой из проволок с целью выявления скорости разогрева металла пластины из алюминиевого сплава АМг3 толщиной 4 мм за счет трения при неподвижном положении вращающегося сварочного инструмента 1.
При этом три термопары (т/п № 1-3) были зачеканены в пластину на расстоянии 6 мм друг от друга, 4-я термопара (т/п № 4) - на расстоянии 10 мм от средней (т/п № 2), т.е. практически в области кромки заплечика 3 сварочного инструмента 1. Вращающийся сварочный инструмент 1 диаметром 22 мм устанавливался над средней (т/п № 2) термопарой.
ТермоЭДС от термопар измерялась с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и выводилась на ноутбук.
Скорости вращения ω сварочного инструмента 1 задавались в диапазоне 50-88 с-1, результаты изменения температур под заплечиком 3 при скоростях вращения инструмента ω =70 и 88 с-1 представлены на фиг. 3.
В результате проведенных исследований было выявлено, что время разогрева зависит от скорости вращения ω сварочного инструмента 1. С увеличением скорости вращения ω с 70 до 88 с-1 время разогрева от температур 60-100°С до 450-500°С уменьшается со 110 с до 30 с. Кроме того выявлено, что при этом нагреве температура алюминиевых сплавов под заплечиком 3 сварочного инструмента 1 имеет одинаковые значения на всей его площади (см. фиг. 3).
В моменты остановок тепловложение от сварочного инструмента 1 за счет трения происходит равномерно вокруг заплечика 3, и максимальная температура развивается вокруг наконечника 2, а не в области задней кромки инструмента [3, 4]. Это доказывается экспериментальными данными, представленными на фиг. 3, из которых следует, что в разное время разогрева алюминиевых сплавов соединяемых пластин под вращающимся заплечиком 3 (в период остановки) температуры под ним имеют одинаковые значения.
Соответственно при использовании заявляемого способа можно получить более качественное перемешивание свариваемых алюминиевых сплавов и как следствие более прочное сварное соединение.
Источники информации
1. Патент США № 5718366, МПК B23K20/12, дата публикации 17.02.1998 г.
2. Патент РФ № 2677559, МПК B23K 20/12, B23K 103/10, дата публикации 17.01.2019 г.
3. Стаценко В.Н., Негода Е.Н., Суханов М.А. Моделирование температурных полей в процессе сварки трением с перемешиванием // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2021. № 3(48). С. 66-73. https://www.dvfu.ru/upload/medialibrary/444/a4g49yq51xzoygx79f9571qqvziway9v/2021-3-8.pdf.
4. Стаценко В.Н. Тепловые процессы при сварке трением с перемешиванием. Монография; ДВФУ, Политехнический институт. - Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал. ун-та, 2022. - 120 с.: ил. - (Лучшее научное издание ДВФУ-2021). DOI https://doi.org/10.24866/7444-5191-2).
Claims (4)
- Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения, отличающийся тем, что на начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С, далее циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика, и этапа разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле:
- τнi = 246 - 2,6ω, где
- τнi – время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i;
- ω – скорость вращения сварочного инструмента.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2815342C1 true RU2815342C1 (ru) | 2024-03-13 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0615480A1 (en) * | 1991-12-06 | 1994-09-21 | Welding Inst | FRICTION WELDING IMPROVEMENTS. |
| RU2677559C1 (ru) * | 2017-08-17 | 2019-01-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины |
| RU2686494C1 (ru) * | 2018-10-12 | 2019-04-29 | Закрытое акционерное общество "Чебоксарское предприятие "Сеспель" | Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов |
| RU2720018C2 (ru) * | 2018-06-07 | 2020-04-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет" | Способ подготовки поверхности торцов разнородных соединений для сварки трением с перемешиванием |
| RU2777098C1 (ru) * | 2021-06-29 | 2022-08-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева" | Способ подготовки поверхности торцов в виде замка для разнородных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0615480A1 (en) * | 1991-12-06 | 1994-09-21 | Welding Inst | FRICTION WELDING IMPROVEMENTS. |
| RU2677559C1 (ru) * | 2017-08-17 | 2019-01-17 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых заготовок переменной толщины |
| RU2720018C2 (ru) * | 2018-06-07 | 2020-04-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет" | Способ подготовки поверхности торцов разнородных соединений для сварки трением с перемешиванием |
| RU2686494C1 (ru) * | 2018-10-12 | 2019-04-29 | Закрытое акционерное общество "Чебоксарское предприятие "Сеспель" | Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов |
| RU2777098C1 (ru) * | 2021-06-29 | 2022-08-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева" | Способ подготовки поверхности торцов в виде замка для разнородных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Modeling of continuous drive friction welding of mild steel | |
| Wang et al. | The adjustment strategy of welding parameters for spray formed 7055 aluminum alloy underwater friction stir welding joint | |
| Arora et al. | Toward optimum friction stir welding tool shoulder diameter | |
| Li et al. | Microstructure and morphology evolution of probeless friction stir spot welded joints of aluminum alloy | |
| Ramesh et al. | Multipass friction-stir processing and its effect on mechanical properties of aluminum alloy 5086 | |
| Abolusoro et al. | Tool rotational speed impact on temperature variations, mechanical properties and microstructure of friction stir welding of dissimilar high-strength aluminium alloys | |
| Thejasree et al. | Numerical simulation and experimental investigation on laser beam welding of Inconel 625 | |
| CN105728933A (zh) | 摩擦点接合装置和摩擦点接合方法 | |
| RU2815342C1 (ru) | Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием | |
| RU2814426C1 (ru) | Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием | |
| He et al. | Efficacy of external stationary shoulder for controlling residual stress and distortion in friction stir welding | |
| Biswas et al. | Study of heat generation and its effect during submerged arc welding (SAW) on mild steel plate at zero degree Celsius plate temperature | |
| Orazi et al. | Laser surface hardening of large cylindrical components utilizing ring spot geometry | |
| Iqbal et al. | Numerical modelling of friction stir welding of pipes: Effect of tool shoulder on mechanical property and metallurgical characterization | |
| He et al. | Mechanism of pin thread and flat features affecting material thermal flow behaviors and mixing in Al-Cu dissimilar friction stir welding | |
| Stephen Leon et al. | Experimental and numerical investigations of optimum process window for friction stir welding using flat faced tool pin | |
| Zhbankov et al. | Calculation of recovery plasticity in multistage hot forging under isothermal conditions | |
| Rao et al. | Temperature and strain distribution during friction stir welding of AA6061 and AA5052 aluminum alloy using deform 3D | |
| RU2345148C2 (ru) | Способ лазерной термической обработки материалов | |
| Fauzi et al. | Influence of non-conventional beam profile on edge effects in laser forming of AISI 304 stainless steel plate | |
| Hynes et al. | Analytical modelling of temperature profile in friction studwelding of dissimilar metals | |
| Sahoo et al. | Multi response optimization and desirability function analysis on friction surfaced deposition of AISI 316 stainless steel over EN8 medium carbon steel | |
| Das et al. | Dissimilar joining of ZEK100 and AA6022 for automotive application | |
| Meseguer et al. | Numerical-experimental validation of the welding thermal cycle carried out with the MIG welding process on a 6063-T5 aluminium tubular profile | |
| Ji et al. | Force response characteristics and mechanical properties of friction stir welded AA2024 sheets |