ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Полезная модель относится к инструментам для сварки трением с перемешиванием протяженных швов алюминиевых сплавов толщиной 4…10 мм.
Известен инструмент сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (патент Великобритании №2306366А, В23К 20/12 от 17.10.1996). Инструмент имеет на одном конце конусную часть в виде конуса Морзе. На противоположном конце инструмента расположена его рабочая часть в виде заплечика и штыря. В процессе сварки инструмент вращается, а заплечик вводится в соприкосновение с поверхностью свариваемых заготовок. При этом штырь погружается в материал заготовок по оси их стыка. В результате действия сил трения выделяется тепло, разогревающее металл в зоне стыка заготовок до пластичного состояния. В процессе перемещения инструмента вдоль стыка штырь разрушает оксидную пленку на торцевых поверхностях свариваемых кромок заготовок и, тем самым, обеспечивает формирование неразъемного соединения.
Однако, в процессе сварки имеет место взаимодействие свариваемого металла с металлом инструмента. Это взаимодействие сопровождается проникновением алюминия в материал штыря и образованием сетки микротрещин. Наличие микротрещин приводит к поломке штыря даже при незначительной пульсации нагрузки на инструмент в процессе сварки. Опыт показывает, что срок службы инструмента при сварке деталей толщиной 3-5 мм не превышает 20-25 м шва.
Замена инструмента связана с изготовлением нового комплекта. При этом основная материалоемкость заключается в изготовлении конусной части инструмента в виде конуса Морзе для фиксации в пиноли станка. Поэтому замена инструмента связана с дополнительными расходами на его изготовление.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является составной инструмент для сварки трением с перемешиванием (Патент РФ на полезную модель №45955 МПК 7 В23К 20/12, заявка №2004138746 от 28.12.2004 г.). Данный инструмент содержит установочную часть в виде конуса Морзе и исполнительный блок в виде заплечика и штыря. Заплечик и штырь образуют единую деталь. На рабочем конце держателя выполнен цилиндрический канал, в котором размещен исполнительный блок. Исполнительный блок фиксируется в держателе посредством стопорного винта и штифта.
Данный инструмент позволяет осуществлять быструю смену исполнительного блока при поломке штыря без необходимости изготовления новой установочной части.
Существенным недостатком прототипа является необходимость изготовления нового исполнительного блока даже при незначительном увеличении толщины свариваемых заготовок, например, при переходе с толщины 4 мм на толщину 5 мм.
Технический эффект, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в том, что устраняется необходимость в изготовлении нового инструмента (исполнительного блока) при увеличении толщины свариваемых заготовок.
Технический эффект достигается тем, что на рабочем конце держателя выполнена цилиндрическая полость, в котором размещена цанга со штырем, установленным соосно цанге и зафиксированным в цанге двумя штифтами, цанга крепится в держателе накидной гайкой, навинчиваемой по резьбе на рабочий конец держателя, причем на торце накидной гайки, обращенным к зоне сварки, выполнен заплечик.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 показан заявляемый инструмент в сборе; на фиг.2 - показана конструкция заявляемого инструмента в сборе (слева) и в разобранном виде (справа).
Инструмент состоит из держателя 1 и исполнительного блока. Исполнительный блок образуют цанга 2, штырь 3 и накидная гайка 4. Цанга 2 крепится в держателе 1 посредством штифтов 5. При этом исполнительный блок устанавливается в полости 6 в держателе 1 соосно держателю.
Для фиксации цанги 2 в держателе 1 по внешней резьбе на держатель навинчивается накидная гайка 4. На торце накидной гайки 4, обращенном к свариваемой детали, выполнен заплечик 7. В заплечике 7 по оси гайки 4 выполнено отверстие, через которое относительно торца заплечика выпущен штырь 3 на расстояние, равное толщине свариваемых заготовок.
При увеличении толщины свариваемых заготовок накидная гайка 4 свинчивается с держателя 1. Цанга 2 с закрепленным штырем 3 удаляется из цилиндрической полости 6 в держателе 1. Ослабляются штифты 5 и штырь 3 выдвигается из цанги на необходимое расстояние. Затем штифты 5 завинчиваются в цангу 2, фиксируя штырь 3. После этого цанга 2 устанавливается в полость 6 и фиксируется накидной гайкой 4. Инструмент готов к сварке.
Заявляемый инструмент был опробован при сварке трением с перемешиванием стыковых соединений сплава В-1469Т толщиной 5 мм. Инструмент имел следующие параметры (фиг.2):
- длина держателя 150 мм
- диаметр держателя в месте установки исполнительного блока 36 мм
- диаметр заплечника 15 мм
- диаметр штыря в месте перехода в заплечник 4 мм
- диаметр штыря в рабочей зоне 3 мм
- высота штыря 5 мм
Цанга фиксировалась в держателя с помощью стопорного накидной гайки, навинчиваемой на держатель по резьбе М36×2. Держатель был изготовлен из стали 30ХГСА. Накидная гайка и штырь выполнены из инструментальной стали Р18.
Эксперименты показали, что стойкость составного инструмента аналогична стойкости инструмента, изготовленного в виде единого целого. Основной причиной поломки инструмента является застывший на его поверхности алюминий. Алюминий проникает в материал инструмента на значительную глубину, образуя подслой. Такое взаимодействие приводит к образованию в материале инструмента микротрещин, способствующих его поломке при определенной наработке.
Дополнительные возможности указанная составная конструкция инструмента представляет для варьирования величины штыря и диаметра заплечика. Это позволяет практически охватить широкую гамму толщин свариваемых алюминиевых сплавов и режимов сварки, так как геометрические размеры инструмента являются одним из параметров режима сварки трением с перемешиванием.