СПОСОБ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF FRICTION WELDING WITH MIXING OF ALUMINIUM ALLOY BUTT JOINTS

Изобретение относится к области сварки и может быть использовано в различных отраслях машиностроения для выполнения стыковых соединений алюминиевых сплавов.
Известен способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов, при котором используется специальный вращающийся инструмент /Eur. Pat. Spec. 0615480 В1. Improvements relating to friction welding / W.M.Thomas, E.D.Nicholas, J.C.Needham. Опубл. 1995/. Специальный вращающийся инструмент состоит из утолщенной части /заплечник/ и выступающей части (штырь). Инструмент в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью зафиксированных на массивной подкладке соединяемых заготовок. Инструмент вводится таким образом, чтобы штырь внедрился в заготовки, а заплечник коснулся их поверхности. В результате трения штыря и заплечника о заготовку выделяется тепло, которое доводит металл вокруг инструмента до пластичного состояния. Затем инструменту сообщают поступательное движение со скоростью сварки, и материал заготовок, перемещаясь из зоны нагрева в зону охлаждения, огибает штырь и образует соединение.
Недостатком данного способа сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов является образование дефектов в корне шва за счет недостаточного перемешивания металла. Существенным недостатком упомянутого способа является снижение прочности соединения из-за дефектов в корне шва.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов, при котором с обратной стороны свариваемых пластин выполняют скос кромок (см. Pat. US 5611479, B23K 20/12. Friction stir welding total penetration technique / Ch. Posen. Опубл. 1997). Наличие скоса кромок с обратной стороны свариваемых пластин улучшает заполнение этой области при течении металла в пластичном состоянии. Скос кромок выполняется в форме равнобедренного прямоугольного треугольника с катетами, совмещенными с торцевой и обратной поверхностями свариваемой пластины.
Существенным недостатком прототипа является образование несплошностей в металле соединения при его опускании для заполнения области, образованной скосами на свариваемых кромках.
Технический эффект, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении прочности соединения за счет устранении дефектов в швах при полном проплавлении свариваемых пластин.
Указанный технический эффект достигается тем, что при сварке трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов на заготовках 1 с обратной стороны выполняют скос 2 в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, катеты которого совмещены с торцевой и обратной стороной заготовок 1, кромки фиксируют на массивной подкладке 3, а сварку осуществляют вращающимся инструментом, состоящим из заплечника 4 и штыря 5. Штырь 5 в зоне стыка погружают в материал заготовок 1, а заплечник 4 вводят в контакт с поверхностью заготовок 1. После этого инструмент перемещают вдоль свариваемых кромок со скоростью сварки. Способ отличается тем, что величину катета скоса 2 кромок выбирают из соотношения к=(0,15-0,40)h, где h - толщина свариваемых заготовок, рабочий торец штыря 5 заглубляют в материал заготовок 1 до уровня скоса 2 кромок, причем подкладку 3 выполняют из материала 6 с низкой теплопроводностью.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена схема реализации заявляемого способа;
на фиг.2 - макроструктура соединения на сплаве В-1341 при K=0,12h;
на фиг.3 - макроструктура соединения на сплаве В-1341 при K=0,30h;
на фиг.4 - макроструктура соединения на сплаве В-1341 при K=0,45h;
При величине катета К скоса 2 кромок менее 0,15h в корневой части соединения в процессе сварки не происходит перемешивания металла свариваемых заготовок, разрушения оксидных пленок и образования металлической связи между заготовками (фиг.2). Увеличение катета К скоса 2 кромок до (0,15-0,40)h способствует интенсификации перемешивания металла заготовок в корневой части соединения, разрушению оксидных пленок и повышению прочности сварного соединения (фиг.3). Дальнейшее увеличение катета К скоса 2 кромок более 0,40h сопровождается интенсивным перемешиванием металла в корневой части соединения. Однако в этом случае требуется дополнительный металл для заполнения разделки, образованной скосами на свариваемых заготовках. Этот металл поступает в образовавшуюся разделку из шва под действием инструмента. В данном случае заполнение разделки, образованной скосами кромок соединяемых заготовок, будет сопровождаться возникновением пустот в металле шва (фиг.4). Наличие пустот снижает прочность соединения.
Таким образом, оптимальным является величина скоса свариваемых кромок (0,15-0,40)h.
На формирование соединения и его качество, помимо величины катета К скоса 2 кромок, существенное влияние оказывает глубина погружения штыря в материал соединяемых заготовок 1. Оптимальным следует признать положение штыря 5 инструмента, когда его рабочий торец совмещен с началом катета скоса 2 кромок (точка А на фиг.1). При положении, когда рабочий торец штыря 5 находится выше точки А, в процессе сварки не наблюдается разогрева и перемешивания материала заготовок в области скоса кромок. Это приводит к образованию несплавления в корне шва.
Когда рабочий торец штыря 5 инструмента совмещен с точкой А (фиг.1) или введен в материал глубже, но не более чем на 10% от величины катета скоса кромок, то наблюдается формирование полного проплавления заготовок 1 с заполнением разделки, сформированной скосами кромок соединяемых заготовок. Увеличение глубины введения инструмента в материал заготовок и в разделку, сформированную скосами кромок соединяемых заготовок, приводит к вытеснению пластифицированного материала из-под штыря 5 инструмента с образованием несплошности в корне соединения, что снижает прочность сварного соединения.
Для качественного формирования соединения без дефектов в корневой части шва необходимо обеспечить пребывание металла соединяемых заготовок в этой зоне в пластичном состоянии некоторый промежуток времени. В этом случае обеспечивается перемешивание металла заготовок в корне шва. Для достижения этого эффекта подкладка 3 в зоне соединения на ширине, равной диаметру заплечника, выполнена из материала 6 с низкой теплопроводностью, например из титанового сплава.
Заявляемый способ был опробован при сварке заготовок из алюминиевого сплава В-1341 толщиной 3 мм. Заготовки сваривали стыковым швом. При сварке использовали вертикальный фрезерный станок, оснащенный специальным приспособлением для фиксации свариваемых заготовок. Сварку осуществляли с помощью специального инструмента, состоящего из заплечника диаметром 14 мм и штыря диаметром 3 мм. Глубину погружения штыря в материал заготовок варьировали в зависимости от величины К скоса кромок свариваемых заготовок. Сварку выполняли на скорости 150 мм/мин при частоте вращения инструмента 920 об/мин. Влияние параметров процесса на качество соединения представлено в таблице.
Таблица
№ п.п.
h, мм
K
f, мм
D′, мм
σв, МПа
Формирование шва
n×h
мм
1
3
0,10h
0,3
2,70
14
280
Дефекты в корне шва
2
3
0,15h
0,45
2,55
14
308
Формирование соединения без дефектов в шве
3
3
0,30h
0,90
2,10
14
317
4
3
0,40h
1,20
1,80
14
310
5
3
0,50h
1,50
1,50
14
215
Полости в металле шва
6
3
0,30h
0,9
2,10
14
317
Соединение без дефектов
7
3
0,30h
0,9
2,19
14
309
8
3
0,30h
0,9
2,30
14
285
Полости в металле шва
9
3
0,30h
0,9
2,10
15
310
Соединение без дефектов
10
3
0,30h
0,9
2,10
13
277
Несплавления в корне шва
Таким образом, заявляемый способ сварки трением с перемешиванием обеспечивает повышение прочности соединения за счет устранения дефектов в корневой части соединения.