ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ФРИКЦИОННОЙ СВАРКИ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
TOOL FOR FRICTION WELDING BY MIXING

Область техники.
Изобретение относится к технологическим процессам, более конкретно к технике производства сварных конструкций, а именно к фрикционной сварке перемешиванием вращающимся инструментом, и может быть использовано для изготовления инструмента для производства сварных деталей, преимущественно из алюминиевых сплавов, в авиакосмической, машиностроительной, строительстве и других отраслях промышленности.
Уровень техники.
Инструмент при фрикционной сварке перемешиванием испытывает интенсивный нагрев вследствие работы сил трения. При использовании известной технологии фрикционной сварки перемешиванием (схема сварки представлена на фиг.1) интенсивный нагрев инструмента 1 происходит в зоне контакта вращающихся под нагрузкой рабочего стержня 3 и опорного бурта 2 инструмента со свариваемыми деталями 4 и 5. Материал инструмента - преимущественно инструментальные и быстрорежущие стали - сохраняет необходимые рабочие характеристики при нагреве лишь до определенной температуры. При превышении этой температуры инструмент и в первую очередь его рабочий стержень 3 утрачивают необходимые рабочие характеристики. При этом интенсифицируется нагрев рабочего стержня и преждевременное разрушение от действующих нагрузок (кручения и знакопеременного изгиба). Кроме этого, при сильном разогреве сварочного инструмента в процессе сварки алюминиевых сплавов резко увеличивается «налипание» алюминия на контактной поверхности инструмента, что ведет к снижению коэффициента трения, а также нарушается формирование соединения, снижаются стабильность качества и ресурсные характеристики сварного шва.
Большинство известных способов и устройств для охлаждения интенсивно нагревающегося при работе инструмента основывается на циркуляции в зоне его нагрева хладагента в виде жидкости или газа. Это усложняет конструкцию сварочной головки и инструмента, так как требует дополнительных коммуникаций для подвода хладагента и размещения проточных каналов в обрабатывающем инструменте в непосредственной близости к зоне самого интенсивного нагрева. К примеру, известен неплавящийся электрод для дуговых процессов (Патент РФ №2248868 от 03.07.2005 г.), который содержит электропроводный корпус, на котором закреплен медный стакан. Дно стакана предварительно обработано для получения внутренней пуклевки (выступа). На нее в полости стакана установлена водоохлаждаемая трубка. При этом образуется зазор между водоохлаждаемой трубкой и дном стакана для прохода охлаждающей жидкости.
Сложнее обеспечить охлаждение обрабатывающего инструмента при его вращении. Автор (Патент ЕР 0810056 А2; US 0810056 от 1997 года - прототип) для охлаждения вращающегося инструмента, выполненного в виде цилиндрического корпуса, снабженного в верхней его части хвостовиком для закрепления в приводе вращения и опорным буртом в нижней части и несущего головку с рабочим стержнем на ее нижнем конце, при сварке трением использует коллекторные устройства для подвода и отвода проточного хладагента к горячей зоне обрабатывающего инструмента. Коллекторное устройство выполнено в виде корпуса, закрепленного с возможностью вращения совместно с обрабатывающим инструментом и имеющего внутренние полости, снабженные устройствами подвода и отвода хладагента, сообщающимися с системой каналов цилиндрического корпуса обрабатывающего инструмента. Система каналов цилиндрического корпуса включает центральный канал, сообщающийся с устройством подвода и служащий для подачи хладагента к внутренней поверхности головки с устройствами отвода отработанного хладагента от внутренней поверхности головки. Внутренние полости связаны с системой подачи хладагента и слива отработанного хладагента и включают горизонтальные и вертикальные каналы. Устройство ввода хладагента связано с внешней системой охлаждения.
Коллектор, установленный на внешней поверхности корпуса, перемещается поступательно вместе с рабочим инструментом, но совместно с инструментом не вращается. Циркуляция хладагента обеспечивается сложной системой каналов во внутренней полости инструмента и внешних коммуникаций (для подвода и отвода хладагента), что усложняет конструкцию головки, ограничивает маневренность и возможности позиционирования инструмента в рабочей зоне.
Авторами патентов EP 0810056 A2 от 2007 года конструкция вращающегося обрабатывающего инструмента упрощена путем внешнего обдува корпуса инструмента в процессе работы охлажденным воздухом или другим хладагентом. Однако при этом очень низка эффективность охлаждения, поскольку охлаждается только корпус с опорным буртом и лишь косвенно рабочий стержень инструмента.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является разработка такого инструмента для фрикционной сварки перемешиванием, который в условиях интенсивного нагрева обладал бы повышенной стойкостью за счет эффективного охлаждения и способностью беспрепятственно вращаться и перемещаться в процессе сварки с заданной скоростью, чем обеспечивал бы высокое качество сварного шва.
Кроме того, инструмент должен быть прост по конструкции.
Более того, инструмент не должен создавать трудности для его вращения и позиционирования в процессе сварки.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в инструменте для фрикционной сварки перемешиванием, содержащем корпус, снабженный опорным буртом и хвостовиком для закрепления в приводе вращения, установленную в корпусе головку с рабочим стержнем на ее конце, выполненную с возможностью вращения, и коллектор, включающий размещенное на внешней поверхности корпуса устройство для подвода хладагента через входные отверстия в корпусе инструмента, связанный с системой охлаждающих каналов, выполненных внутри корпуса, устройство для подвода хладагента выполнено в виде закрепленных на внешней поверхности корпуса воздухозаборников, соединенных с входными отверстиями в корпусе инструмента и выполненных с возможностью захвата хладагента при вращении головки инструмента, при этом входные отверстия воздухозаборников направлены навстречу вращению инструмента.
Система охлаждающих каналов соединена с полостью, выполненной в нижней части корпуса в зоне опорного бурта, и с выходными отверстиями, выполненными в верхней части корпуса.
Головка выполнена в виде цилиндрического стержня с рабочим стержнем на нижнем конце, установленного и закрепленного верхним концом в сверлении корпуса.
Такое выполнение инструмента позволяет повысить его характеристики и улучшить качество сварного шва.
Перечень фигур на чертежах.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
Фигура 1 показывает схему фрикционной сварки перемешиванием (сварка трением вращающимся инструментом);
Фигура 2 показывает инструмент для фрикционной сварки перемешиванием, выполненный в соответствии с изобретением - общий вид с частичным вырывом по оси;
Фигура 3 показывает разрез А-А Фиг.2;
Фигура 4 показывает разрез В-В Фиг.2.
Осуществление изобретения.
Инструмент для фрикционной сварки перемешиванием содержит корпус с опорным буртом, снабженный хвостовиком для закрепления в приводе вращения и несущий головку с рабочим стержнем. Корпус содержит коллекторное устройство, установленное на внешней его поверхности, с коллектором и устройствами подвода и отвода хладагента и систему охлаждающих каналов, а также снабжен на устройствах подвода хладагента воздухозаборниками.
Пример инструмента для фрикционной сварки перемешиванием, выполненного в соответствии с изобретением, представлен на Фиг.2.
Инструмент выполнен в виде цилиндрического корпуса 6, снабженного хвостовиком 7 для закрепления в приводе вращения. Корпус 6 несет головку 8 с рабочим стержнем 9. Корпус 6 снабжен опорной поверхностью - опорным буртом 10. Головка 8 выполнена сменной в виде цилиндрического стержня, несущего на нижнем конце рабочий стержень 9, установленного и закрепленного верхним концом в сверлении корпуса 6. Головка 8 торцом, снабженным рабочим стержнем 9, устанавливается на одном уровне с опорным буртом 10 корпуса 6 таким образом, чтобы рабочий стержень 9 выступал из опорного бурта 10 наружу на всю его длину.
Головка 8 фиксируется от выпадения и проворота упорным винтом 11, для чего на цилиндрической поверхности в точке контакта его с упорным винтом предусмотрена лыска (на фигуре не показана).
Поверхность рабочего стержня 9 может быть выполнена с различным рельефом: винтовая нарезка, выступы или углубления для усиления воздействия на пластическое течение и смешивание свариваемых материалов.
Корпус 6 и головка 8 могут быть выполнены из стали, например, инструментальной, быстрорежущей или высокопрочного сплава.
В корпусе 6 выполнена система охлаждающих каналов, сообщающаяся с полостью 13. При этом в верхней части корпуса выполнены входные 14 и выходные 16 отверстия, сообщающиеся с полостью 13 через вертикальные каналы. Входные отверстия 14, сообщающиеся с каналами 12, предназначены для подвода хладагента. Корпус 6 снабжен также выходными вертикальными каналами 15 с выходными отверстиями 16, предназначенными для отвода отработанного хладагента.
Отверстия 16 должны быть расположены выше отверстий 14 для беспрепятственного выхода хладагента и по возможности дальше от воздухозаборников.
Коллектор 18 выполнен с возможностью поступательного движения совместно с корпусом при осуществлении сварки, но без вращения, и снабжен установленными на внешней поверхности корпуса воздухозаборниками 17, связанными с входными отверстиями 14. Воздухозаборники 17 имеют входные отверстия, направленные навстречу предполагаемому вращению инструмента.
Крепление воздухозаборников 17 к корпусу осуществляют различными способами: резьбовым креплением, сваркой или пайкой, запрессовкой и др.
Инструмент для фрикционной сварки перемешиванием работает следующим образом.
Инструмент подводят к обрабатываемой детали и начинают вращение и медленное погружение рабочего стержня 9 в стык свариваемых деталей (обрабатываемую деталь). На заданной глубине прекращают погружение и, продолжая вращать инструмент, перемещают его по траектории обработки (сварки) материала; при этом опорный бурт 10 опирается на поверхность обрабатываемой детали. Инструмент, а в первую очередь опорный бурт 10 корпуса 6 и рабочий стержень 9, вследствие работы сил трения нагревается. В процессе сварки инструмент, вращаясь, захватывает воздухозаборниками 17 воздух или другой хладагент. При этом хладагент подается под давлением через устройство подвода во внутренние каналы и полость инструмента сначала по входному отверстию 14, а оттуда по внутренним вертикальным каналам 12 в нижнюю горизонтальную полость 13, отбирается теплота со стенок полости и каналов, в результате чего охлаждается обрабатывающий инструмент. Через вертикальные выходные каналы 15 с выходными отверстиями 16 нагретый хладагент отводится из инструмента. Таким образом, обеспечивают циркуляцию хладагента внутри инструмента и его охлаждение. По окончании сварки выводят рабочий стержень из стыка, прекращают вращение инструмента и подачу хладагента.
Увеличением или уменьшением скорости вращения инструмента соответственно увеличивают или снижают давление и скорость циркуляции хладагента и интенсивность охлаждения инструмента.
Эксперимент показал, что температура рабочего стержня на расстоянии 4 мм от его торца после 2 минут вращения при глубине погружения 5 мм и через 8 секунд после быстрого вывода рабочего стержня из «кратера» (длина рабочего стержня - 5,2 мм; диаметр рабочего стержня - 5,5 мм; диаметр опорного бурта - 20 мм; скорость вращения - 800 об/мин; сплав АМг6) составляла 380°С - без воздухозаборника и около 240°С - с двумя воздухозаборниками (без коллекторного устройства).
Технико-экономическая эффективность.
Применение данного способа охлаждения обрабатывающего инструмента с помощью предложенного устройства позволит уменьшить разогрев, улучшить формирование шва и повысить рабочий ресурс инструмента, а также:
- исключить коммуникации для подвода хладагента в зону обработки (сварки) материала;
- обеспечить возможность вращения, свободного маневрирования и точного позиционирования инструмента при его охлаждении в процессе обработки.