Інструмент для зварювання тертям з перемішуванням алюмінієвих сплавів

1. Інструмент для зварювання тертям з перемішуванням алюмінієвих сплавів, що містить зв'язаний з приводом обертання заплечник з наконечником на торцевій робочій частині, який відрізня 3 умов, необхідних для якісного формування швів. Використання такого інструмента для зварювання тертям з перемішуванням високоміцних алюмінієвих сплавів часто призводить до утворення у швах дефектів у вигляді порожнин, несуцільностей і крихкості, що істотно знижує механічні властивості зварних з'єднань. Опис подібної форми інструмента представлений в патенті РФ №2247639 (МПК7: В23К20/12, опубл. 10.03.2005р.). Як і в попередньому випадку, поєднання пласкої робочої поверхні заплечника із гладкою поверхнею наконечника обумовлює ті ж недоліки - незадовільне формування швів та їх низькі експлуатаційні характеристики. Більш перспективною з позиції забезпечення якості зварних з'єднань є конструкція інструмента, описана в патенті РФ №2357843 (МПК8: В23К20/12, опубл. 10.06.2009р.). Її особливість полягає в тому, що на циліндричній поверхні наконечника під кутом 10-45° до утворюючої циліндра виконані направляючі канавки. Призначенням канавок є забезпечення сприятливих умов для рівномірного переміщення розм'якшеного металу у вертикальному та горизонтальному напрямках. Але в процесі здійснення зварювання при обертанні такого інструмента частими є ситуації, за яких відбувається "налипання" пластифікованого металу в тій чи іншій канавці, що призводить до порушення рівномірності його просування в зону формування шва, і, як наслідок-до асиметрії форми останнього. Відомий інструмент для зварювання тертям з перемішуванням, у якого торцева робоча поверхня заплечника має доволі складну геометрію - вона відхилена від осі обертання на кут 0,5-5,0°, крім цього, з боку меншого кута з боковими утворюючими заплечника на ній виконана похила фаска (Патент РФ №2277465, МПК8:В23К20/12, опубл. 10.08.2006р.). За допомогою такого інструмента забезпечується змінний тиск (силова пульсація) на зону формування шва, що сприяє утворенню більш щільної його структури та мінімізує наявність мікродефектів у шві. Але, враховуючи той факт, що в процесі роботи поверхня заплечника постійно перебуває в умовах підвищеного зносу (поєднання сили тертя і тиску), її геометрія швидко порушується, що неодмінно позначається на якості формування шва. Ця обставина призводить до необхідності частої заміни інструмента. Відомий також інструмент, який застосовується при виготовленні оболонок контейнерів, що має заплечник із пласкою робочою поверхнею та конусоподібний наконечник, на якому виконані виступи у формі різьби (Патент України №61996, МПК8:В23К20/12, опубл.15.12.12003р.). До недоліків цього інструмента слід віднести його недовговічність, окрім цього, він є доволі складним у виготовленні. За прототип корисної моделі прийнятий інструмент для зварювання тертям з перемішуванням алюмінієвих сплавів, що містить зв’язаний з приводом обертання заплечник з наконечником на торцевій робочій частині (Патент РФ №2126738, МПК8:В23К20/12, опубл. 27.02.1999р.). 54096 4 Бічна робоча поверхня наконечника цього інструмента має різьбоподібну конфігурацію, а в іншому варіанті виконання вона оснащена лезами, що поперечно виступають із центральної частини наконечника і розміщені перпендикулярно відносно його зовнішньої поверхні. Недолік інструмента полягає в тому, що така конфігурація його наконечника но забезпечує рівних зусиль для зняття металу з обох крайок і перенесення його в зону формування шва. Результатом цього є несиметричність швів і розходження в структурі металу в прилягаючих до них зонах з боку набігання інструмента (де вектори напрямку обертання і лінійного переміщення інструмента збігаються) і його відходу (де ці вектори спрямовані в протилежні сторони). І взагалі, як засвідчує досвід використання інструментів для зварювання тертям з перемішуванням, зі збільшенням кількості додаткових конструктивних елементів на поверхні наконечника зменшується термін його експлуатації, а також проміжок часу, протягом якого цей інструмент здатний забезпечувати рівномірність перенесення металу з обох крайок. Причиною цього є те, що на практиці дуже важко забезпечити ідеальні умови протікання зварювального процесу, і завжди існує ймовірність виникнення тих чи інших відхилень від визначених оптимальних параметрів режиму зварювання. Крім того, така складна форма робочої поверхні наконечника викликає суттєві труднощі при його виготовленні (особливо при невеликій довжині наконечників), що суттєво підвищує вартість інструмента. Слід також зауважити, що застосування дорогих інструментів зі складними конфігураціями робочих поверхонь наконечників може бути виправданим тільки при зварюванні матеріалів, товщих 3х мм, коли важко забезпечити рівномірне переміщення і перемішування пластифікованого металу по всій товщині крайок у горизонтальному і вертикальному напрямках. На робочій площині заплечника інструмента, описаного в прототипі, виконана канавка, яка має увігнуту форму. Але така канавка не здатна забезпечити рівномірного і симетричного стиснення пластифікованого металу на поверхні деталей, товщина яких менша 3-х мм. В основу корисної моделі поставлена задача створення високоефективного, надійного в експлуатації та недорогого у виготовленні інструмента для зварювання тертям з перемішуванням алюмінієвих сплавів, шляхом удосконалення його конструктивної побудови, зокрема, шляхом вибору оптимальної форми окремих елементів інструмента та оптимізації їх розмірних співвідношень, що дозволяє при зварюванні листів, товщина яких не перевищує 3 мм, забезпечити можливість плавного переміщення пластифікованого металу з обох крайок з'єднуваних елементів в горизонтальному та вертикальному напрямках і його рівномірне перемішування по всій товщині зварюваного металу, і тим самим сформувати високоякісний, вільний від дефектів зварний шов, а також надає змогу спростити процес виготовлення інструмента і зробити його економічно вигідним. 5 Поставлена задача досягається завдяки тому, що в інструменті для зварювання тертям з перемішуванням алюмінієвих сплавів, що містить зв’язаний з приводом обертання заплечник з наконечником на торцевій робочій частині, згідно до запропонованої корисної моделі, наконечник виконаний у формі зрізаного конуса з нахилом утворюючої до вертикальної осі під кутом 10-12°, а на торцевій робочій частині заплечника на відстані 1,0-1,2мм від краю під кутом 5-6° виконана конічна канавка, при цьому довжина наконечника інструмента на 0,12-0,16мм менша товщини металу, що зварюється, діаметр наконечника при його основі становить 2,6-3,4мм, а зовнішній діаметр заплечника становить 10-12мм. Запропонований наконечник має гладку поверхню. Вказаний вище технічний результат, який досягається в процесі експлуатації інструмента, обумовлений ознаками, які відрізняють його від ознак подібних інструментів, що застосовуються при зварюванні методом тертя з перемішуванням, описаних згідно відомого рівня техніки, зокрема, у винаході, прийнятому за прототип. В результаті проведення численних експериментів було встановлено, що для з'єднання листів з алюмінієвих сплавів, які мають товщину, що не перевищує 3-х мм, забезпечення високої якості швів можливе лише тоді, коли такі чинники, як форма наконечника, форма заплечника та їх розміри поєднуються так, як це запропоновано у даному технічному рішенні. Крім того, за умов оптимального поєднання цих факторів відпадає необхідність у застосуванні інструментів складної форми, як це має місце у вищеописаних рішеннях. При нахилі гладкої поверхні утворюючої конусу наконечника до вертикальної осі під кутом 1012°, обумовленій формі канавки робочої поверхні заплечника та при додержанні розмірів заплечника і наконечника, метал з обох крайок зварюваних алюмінієвих листів переноситься в зону формування шва з рівним зусиллям, в результаті чого одержується симетричний шов з однорідною структурою металу. У разі порушення встановлених розмірних співвідношень динаміка процесу різко змінюється, що негативно позначається на експлуатаційних характеристиках з'єднань. Так, при наданні наконечнику форми, при якій утворююча конусу буде нахилена відносно вертикалі під кутом, меншим 10°, його обрис буде мало чим відрізнятися від циліндричного, що призведе до появи згаданих вище недоліків, характерних для процесів зварювання із застосуванням циліндричного наконечника - появи у швах порожнин, несуцільностей, крихкості тощо. Якщо ж утворююча конусу наконечника перевищуватиме згаданий кут більш, ніж на 12° - метал у верхній та нижній частині стику деталей буде переміщуватися нерівномірно. Форма та розміри канавки заплечника встановлювались експериментально, виходячи з умов забезпечення найбільш оптимального ущільнення пластифікованого металу та формування бездефектного зварного шва саме для тонколистових алюмінієвих сплавів. Задовільний результат має 54096 6 місце у разі, коли канавка має конічну форму і виконана на відстані 1,0-1,2мм від краю заплечника під кутом 5-6°. Відхилення цього кута в сторону збільшення або зменшення призведе до негативних наслідків: при встановленні кута більшим 6° на лицевій поверхні шва виникатимуть дефекти у вигляді несплавлень, а у випадку, коли цей кут буде меншим 5°, погіршаться умови для переміщення металу у вертикальній площині. Виконання канавки на відстані, що не досягає 1,0мм від краю заплечника, може призвести до утворення підрізів по зовнішніх границях контакту торцевої поверхні заплечника з поверхнею зварюваного металу, а при виконанні її на відстані, що перевищує 1,2мм, погіршиться якість формування лицьової поверхні швів. Згідно запропонованого технічного рішення оптимальною довжиною наконечника інструмента для зварювання тонких листів алюмінієвих сплавів є довжина, яка на 0,12-0,16мм менша їх товщини. У разі, коли довжина наконечника буде меншою встановленої мінімальної величини (0,12), існуватиме ймовірність контактування торця наконечника з підкладкою, результатом якого стане його приварювання. Якщо ж довжина наконечника перевищуватиме встановлену максимальну границю (0,16), то через недостатню кількість фрикційного тепла, що виділяється в кореневій частині шва, крайки листів можуть злипнутись, не розплавляючись. Так само дослідження показали, що для зварювання тонколистових алюмінієвих сплавів найбільш доцільним є інструмент, діаметр наконечника якого становить 2,6-3,4мм в основі, а зовнішній діаметр заплечника вкладається в інтервал 1012мм. При діаметрі, меншому 2,6мм, наконечник може не витримати діючого на нього механічного навантаження і зламатися, а при діаметрі, який перевищуватиме 3,4мм, матимуть місце дефекти у вигляді насплавлення з лицьової поверхні шва, для запобігання яких потрібно буде глибше занурювати наконечник, що неодмінно призведе до зменшення перерізу шва. При використанні інструмента, у якого розмір зовнішнього діаметру заплечника є меншим 10мм, тепла, яке виділятиметься в зоні зварювання листів, буде недостатньо для формування шва, а це призведе до утворення несплавлення з лицьової поверхні шва. Застосування інструмента, зовнішній діаметр заплечника якого перевищуватиме 12мм, призведе до підвищеного тепловиділення в зоні зварювання, і, як наслідок - до утворення грату або надривів на лицьовій поверхні шва. Відсутність на поверхні конусу наконечника будь-яких додаткових елементів (як-то згаданих вище канавок, виступів, нарізки тощо) сприяє рівномірності перемішування та перенесення пластифікованого металу, адже саме через наявність перелічених елементів в процесі обертання наконечника метал крайок може зазнавати дії нерівномірних сил тертя. Крім того, такий наконечник має високий термін експлуатації. Суть запропонованої корисної моделі поясню 7 54096 ють креслення, на яких зображено: - на Фіг.1 - робочі деталі інструмента для зварювання тертям з перемішуванням тонколистових алюмінієвих сплавів - заплечник та наконечник (у розрізі); - на Фіг.2 - макрошліф поперечного перерізу шва, отриманого при зварюванні алюмінієвого сплаву 1420 товщиною 2,4мм; - на Фіг.3 - мікроструктура основного металу алюмінієвого сплаву 1201 товщиною 1,8мм; - на Фіг.4 - мікроструктура шва, отриманого при зварюванні алюмінієвого сплаву 1201 товщиною 1,8мм (х400.). Інструмент для зварювання тертям з перемішуванням містить зв’язаний з приводом обертання (не показаний) заплечник 1 з наконечником 2 на торцевій робочій частині. Наконечник має гладку поверхню і виконаний у формі зрізаного конуса з нахилом утворюючої до вертикальної осі під кутом а, рівним 10-12°. На торцевій робочій частині заплечника на відстані а, що становить 1,0-1,2мм від краю під кутом , рівним 5-6°, виконана конічна канавка 3. Довжина наконечника інструмента ІH на 0,12-0,16мм менша товщини зварюваних листів, діаметр наконечника dH в його основі становить 2,6-3,4мм, а зовнішній діаметр заплечника D3 становить 10-12мм. Інструмент для зварювання тонколистових алюмінієвих сплавів працює наступним чином: При працюючому приводі обертання наконечник 2 повільно занурюють в крайки зварюваних деталей на визначену глибину до появи контакту опорної робочої поверхні заплечника 1 з поверхнею з'єднуваних листів. По мірі занурювання інструмента метал навколо нього нагрівається до 8 температури пластичності. Не припиняючи обертання інструмента, починають переміщення заплечника вздовж лінії з'єднання листів. Робоча поверхня заплечника тисне на пластифікований метал листів і, обертаючись, переміщує його в зону, яка звільняється позаду інструмента, де формується зварний шов. ПРИКЛАД Інструмент виготовляється з інструментальної сталі типу Р6М5, щоб зберігати свої властивості при нагріванні в процесі зварювання до температури близько 500°С. Інструмент був випробуваний при зварюванні тертям з перемішуванням стикових з'єднань алюмінієвих сплавів АМг6М товщиною 1,0мм і 1,8мм, 1460 товщиною 1,8 і 2,4мм, а також 1201 товщиною 0,8мм, 1,8мм і 2,8мм. Результати експериментальних досліджень показали, що застосування розробленого інструмента дозволяє одержувати якісні зварні з'єднання (Фіг.2) з високими показниками міцності і стійкості до поширення тріщин при позацентровому розтягненні зразків (див. табл.). При цьому форма шва у шві внаслідок динамічної рекристалізації формується дрібнокристалічна структура із зернами розміром 3-5мкм і диспергованими інтерметалідними включеннями (Фіг.3), значно меншими, ніж в основному металі (Фіг.4). Наведена нижче таблиця демонструє межу міцності при одноосному розтягненні в і питому роботу розповсюдження тріщини (ПРРТ) при позацентровому розтягненні зразків основного металу і зварних з'єднань, отриманих тертям з перемішуванням алюмінієвих сплавів товщиною 1,8мм. Таблиця Сплав АМг6М 1460 1201 Основний метал ПРРТ, Дж/см2 в , МПа 359 486 423 Проста конструкція робочих поверхонь наконечника і заплечника розробленого інструмента дозволяє одержувати якісні зварні з'єднання тонколистових алюмінієвих сплавів, скоротити витра 5,7 8,5 2,7 Зварні з'єднання ПРРТ, Дж/см2 в , МПа 332 309 310 4,7 4,5 3,7 ти на його виготовлення та істотно знизити вартість інструмента для зварювання тертям з перемішуванням. 9 Комп’ютерна верстка O. Рябко 54096 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601