Инструмент для фрикционной сварки с перемешиванием

Полезная модель относится к области сварочного производства, а именно к инструментам для фрикционной сварки с перемешиванием пластифицированного металла свариваемого стыка и может быть использована для получения неразъемных соединений элементов листовых конструкций, панелей, профилей, а также агрегатов и узлов из различных конструкционных материалов.
Известен инструмент для фрикционной сварки с перемешиванием, содержащий цилиндрический корпус, на нижнем торце которого образована рабочая поверхность, имеющая вогнутую форму, причем на корпусе со стороны его нижнего торца закреплен с возможностью замены стержень, на наружной поверхности которого образована зубчатая нарезка. (см. патент РФ №2126738, кл. В23К 20/12, 1995).
Анализ работы данного инструмента показал, что вогнутая форма рабочей поверхности не позволяет обеспечить в процессе сварки постоянный ее контакт со свариваемыми заготовками, а, следовательно, температура разогрева сварного шва по его длине будет различной, что не позволяет получить шов высокого качества, в том числе, по причине недостаточности пластифицированного материала для заполнения пространства между торцами заготовок (для образования сварочной ванны).
Известен также инструмент для фрикционной сварки с перемешиванием, состоящий из цилиндрического корпуса с нижней частью конической формы, на нижнем торце корпуса образована рабочая поверхность в виде центральной рабочей части, имеющей вогнутый профиль и сопряженной с ней по периферии закругленной вверх по радиусу заходной части, и стержня с режущими элементами в виде винтовой зубчатой нарезки на его боковой поверхности, вставленного в отверстие корпуса со стороны его рабочей поверхности, причем угол при вершине профиля зуба нарезки стержня составляет 50-60°, угол наклона между опорной поверхностью витка нарезки и осью стержня инструмента составляет 90-100°, а профиль нарезок в осевом сечении стержня выполнен с углом между образующей винтовой нарезки и осью рабочего стержня, составляющим 3-7°. (см. патент РФ №2330749, кл. В23К 20/12, 2008) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа конструкции данного инструмента необходимо отметить, что вогнутая форма рабочей поверхности, как и в аналоге, приведенном выше, не позволяет обеспечить ее полный контакт с поверхностями свариваемых заготовок, что необходимо для разогрева материала стыка до температуры его пластифицирования, при этом наличие заходного закругления на рабочей поверхности уменьшает площадь контакта рабочей поверхности инструмента с поверхностями свариваемых заготовок, а, следовательно, возникают проблемы с быстрым нагревом материала заготовок до температуры его пластифицирования и уменьшается площадь контакта рабочей поверхности инструмента со свариваемыми заготовками, в результате чего уменьшается масса перемешиваемого пластифицированного материала в зоне сварки, что приводят к снижению качества сварного шва, особенно при сварке изделий из материалов с высокой температурой пластифицирования.
Техническим результатом полезной модели является разработка инструмента для фрикционной сварки, конструкция которого обеспечивает повышение качества сварного шва за счет постоянного контакта рабочей поверхности инструмента с поверхностями свариваемых заготовок при сохранении регламентированной площади контакта поверхности заготовок с рабочей поверхностью инструмента в процессе сварки.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в инструменте для фрикционной сварки с перемешиванием, состоящем из корпуса с рабочей поверхностью в виде рабочей центральной части и сопряженной с ней периферийной заходной части, а также стержня с зубчатой нарезкой на части его наружной поверхности, вставленного в торцевое отверстие корпуса со стороны его рабочей поверхности, новым является то, что на корпусе, в его нижней части имеется кольцевой буртик, рабочая поверхность выполнена на торце буртика, а ее рабочая центральная часть имеет плоскую форму, при этом инструмент может быть оснащен вторым корпусом с рабочей поверхностью, скрепленным со свободным концом стержня таким образом, что рабочие поверхности корпусов обращены друг к другу и образуют рабочий зазор, в котором находится зубчатая нарезка стержня.
Наличие на нижней части корпуса кольцевого буртика и выполнение на его периферии заходной части рабочей поверхности позволяет практически исключить влияние неровностей поверхностей заготовок на плотность контакта плоской части рабочей поверхности вращающегося инструмента с поверхностью заготовок в процессе сварки. При этом, учитывая, что большая часть заходной рабочей поверхности выполнена на нижней поверхности буртика, практически полностью сохранена площадь плоской центральной части рабочей поверхности инструмента, что обеспечивает высокую скорость разогрева металла заготовок в зоне сварки до заданной температуры и получение достаточного количества пластифицированного материала для формирования сварного шва высокого качества.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - инструмент для фрикционной сварки с перемешиванием, общий вид;
- на фиг. 2 - модификация инструмента для фрикционной сварки с двумя корпусами;
- на фиг. 3 - схема фрикционной сварки инструментом по фиг. 2.
Инструмент для фрикционной сварки с перемешиванием содержит корпус 1 цилиндрической формы, диаметром «D», на нижнем (здесь и далее, понятия «верхний» и «нижний» следует трактовать исключительно как «в плоскости чертежа») торце которого образована рабочая поверхность. На торце корпуса 1, со стороны его рабочей поверхности, закреплен стержень 2, выполненный цилиндрической формы диаметром «d».
Крепление стержня 2 на корпусе 1 может быть осуществлено различным известным образом, например, посредством резьбового соединения, резьбовое отверстие которого выполнено в торце корпуса 1 и резьбы на стержне 2, посредством которой он ввинчивается в резьбовое отверстие корпуса 1. На стержне 2 имеется зубчатая нарезка 3, выполненная, например, аналогично ее выполнению в решении-наиболее близком аналоге. В собранном положении инструмента (стрежня 2 с корпусом 1) зубчатая нарезка 3 находятся непосредственно под рабочей поверхностью корпуса 1.
Наличие зубчатой нарезки 3 на стержне 2 позволяет срезать с торцов свариваемых кромок часть необходимого для заполнения свариваемого стыка пластифицированного металла, а также обеспечить интенсивное перемешивание пластифицированного материала в стыке для формирования качественного сварного шва.
На корпусе 1, в его нижней части имеется кольцевой буртик 4, рабочая поверхность образована на его торце и выполнена в виде плоской рабочей центральной части «а» и сопряженной с ней по периферии заходной части «б», Заходная часть рабочей поверхности может быть образована различным образом, например, радиусной поверхностью (как в решении - наиболее близком аналоге), частью эвольвенты левого или правого построения, или быть скошенной в виде фаски. Это не оказывает влияния на достижение указанного технического результата.
Диаметр плоской части «а» центральной поверхности выбирают из расчета получения в результате трения рабочей поверхности инструмента о поверхности свариваемых заготовок тепловой энергии, необходимой и достаточной для качественного сваривания листовых конструкций.
Такой расчет не представляет сложностей для специалистов в области фрикционной сварки. Естественно, что размер плоской части рабочей поверхности может быть определен экспериментальным путем. В заявленном решении диаметр плоской рабочей центральной части поверхности примерно равен диаметру «D» корпуса 1 инструмента, то есть, наличие буртика позволяет сохранить площадь рабочей части рабочей поверхности, так как ее заходная часть выполнена на выступающей поверхности буртика. Выполнение части «а» рабочей поверхности плоской формы, в отличие от вогнутой у приведенных выше аналогов, позволяет увеличить мощность разогрева материала свариваемых заготовок без увеличения скорости вращения инструмента.
Заходная части «б» в процессе работы инструмента, контактируя с поверхностями заготовок, выравнивает их контактирующие с заходной поверхностью неровности, что обеспечивает контакт практически всей площади рабочей части «а» рабочей поверхности инструмента с поверхностями свариваемых заготовок.
Наиболее целесообразно, чтобы диаметр буртика был примерно равен (D+2s), где s - толщина свариваемых листовых заготовок.
Стержень 2 инструмента наиболее целесообразно изготавливать из металлов группы WC-Co.
Корпус 1 инструмента наиболее целесообразно изготавливать из инструментальной быстрорежущей стали Р6М5.
Инструмент может быть оснащен вторым корпусом 5, выполненным идентично корпусу 1. При таком исполнении инструмента стержень 2 выполняют в виде резьбовой шпильки, на резьбовые концы которой навинчивают корпуса 1 и 5 таким образом, что их рабочие поверхности обращены друг к другу и образуют рабочий зазор «h», значение которого зависит от толщины «s» свариваемых листовых заготовок. В данном исполнении инструмента зубчатая нарезка 3 стрежня 2 располагается между рабочими поверхностями корпусов 1 и 5 в зазоре «h». Длина «l» зубчатой нарезки, как правило, равна или немного больше (на величину допуска) толщины «s» свариваемых заготовок.
Изготовление комплектующих инструмента, равно, как и его сборка, не представляет сложностей для специалистов. Заданная форма рабочей поверхности может быть легко запрограммирована и воспроизведена на заготовке корпуса на станке с программным управлением с доработкой, в случае необходимости, по шаблону.
Инструмент для фрикционной сварки работает следующим образом.
Работу инструмента рассмотрим на примере его модификации из двух корпусов 1 и 5. Для сборки инструмента его корпуса 1 и 5 навинчивают на резьбу стержня 2, выполненного в виде резьбовой шпильки, как уже было отмечено выше.
пр
Собранный инструмент крепят к шпинделю сварочной установки (не показана) и подводят к подлежащему сварке стыку размещенных на столе установки листовых заготовок 6 и 7, которые удерживаются в заданном положении за счет усилия прижима «Р». В исходном положении инструмента его корпус 1 располагается сверху относительно заготовок, корпус 5 - снизу, а зубчатая нарезка 3 стержня 2 - напротив свариваемого стыка заготовок 6 т 7.
Включают привод вращения (не показан) инструмента, в результате чего приводятся во вращение стержень 2, корпуса 1 и 5, после чего инструменту сообщают рабочую подачу, перемещая его вдоль линии соединения заготовок 6 и 7. В принципе, в зависимости от исполнения установки для сварки, рабочая подача может быть сообщена не инструменту, а столу сварочной установки, на котором установлены заготовки 6 и 7.
В процессе сварки разогреваемый теплом трения рабочей поверхности инструмента о заготовки, материал заготовок пластифицируется и посредством зубчатой нарезки 3 стрежня 2 часть металла удаляется с торцов заготовок и перемешивается в зоне стыка, образуя сварочную ванну пластифицированного материала, которая, по мере перемещения инструмента вдоль свариваемого стыка (или заготовок относительно вращающегося инструмента) постепенно застывает, образуя сварной шов.
В принципе, кинетика фрикционной сварки детально описана в технической литературе и нет необходимости подробно приводить ее в настоящей заявке.
Конструкция инструмента согласно настоящей полезной модели обеспечивает гарантированный контакт плоской части рабочей поверхности с поверхностью листовых заготовок в течение всего процесса сварки, причем площадь пятна контакта плоской части рабочей поверхности с заготовками позволяет пластифицировать достаточное для формирования сварного шва количество металла заготовок. Все это обеспечивает получение плотного, однородного по всему объему сварного шва.