ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ, СПОСОБ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ ДВУХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ
TOOL FOR FRICTION WELDING WITH MIXING, METHOD OF ITS FABRICATION, METHOD OF FRICTION WELDING WITH MIXING OF TWO METAL WORKPIECES, AND METHOD OF PRODUCING METAL PART

Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к инструменту для сварки трением с перемешиванием (далее СТП), способу изготовления этого инструмента и способу сварки двух металлических деталей. Изобретение относится, в частности, к СТП инструменту для сварки двух имеющих относительно большую толщину деталей, выполненных из металлических сплавов, например сплавов алюминия, которые предназначаются для изготовления компонентов самолета, но не ограничивается только этим.
Уровень техники
Сварка трением с перемешиванием является сравнительно новым видом сварки, который описан в документах US 5,460,317 (Thomas и др.), US 5,813,592 (Midling и др.), WO 93/10935 (The Welding Institute) и WO 95/36/54 (Norsk Hydro A.S.), описания которых полностью включены в настоящее раскрытие посредством ссылки. В общепринятом понимании термин "сварка трением с перемешиванием" охватывает любой способ сварки, в котором стержень из материала, более твердого, чем материал детали, движется относительно детали, в результате трения выделяется тепло, которым размягчается деталь в области стержня, а стержень существенно проникает в деталь. Стержень обычно вращается вокруг оси стержня и перемещается вдоль детали по линии создания сварочного шва.
Выполнялось исследование влияния формы инструмента для СТП на процесс сварки. Одно из таких исследований описано в отчете под названием "Разработка трояковыпуклого инструмента для сварки трением с перемешиванием", авторы P.A.Colegrove и H.R.Shercliff, опубликованном в двух частях (Части 1 и 2) в журнале "Science and Technology of Welding and Joining 2004" (c.c.345-361 номера 4 тома 9). В отчете описываются инструменты различной формы, включая "трехплоскостной" инструмент, "трояковогнутый" инструмент и "трояковыпуклый" инструмент. Трехплоскостной инструмент характеризуется сечением с тремя плоскими областями, которые под одинаковым углом расположены вокруг оси инструмента. Сечение трояковогнутого инструмента содержит три вогнутые области, расположенные под одинаковым углом вокруг оси инструмента, а сечение трояковыпуклого инструмента имеет три выпуклые области, расположенные под одинаковым углом вокруг оси инструмента. В отчете сравниваются нагрузки на инструмент, требующиеся для осуществления сварки трением с перемешиванием, делается вывод, что в случае использования трояковыпуклого инструмента нагрузки меньше, чем в случае использования трояковогнутого инструмента. В отчете описывается использование трояковыпуклого инструмента для сварки тонкой плиты (толщиной 6,35 мм) при длине пальца/стержня, равной 6,2 мм. В ходе проведенных затем экспериментов с использованием подобного СТП инструмента трояковыпуклой формы с длиной пальца, равной 20 мм для сварки деталей толщиной порядка 20 мм, было получено сварное соединение, обладающее дефектами. Было установлено, что размер дефектов, возникающих при использовании трояковыпуклого инструмента, может быть уменьшен при увеличении скорости вращения вала, однако это приводит к чрезмерному нагреву соединения, что, в свою очередь, ухудшает механические свойства соединения, а область нагрева получается слишком большой.
В результате был сделан вывод о том, что использование трояковыпуклого СТП инструмента для соединения толстых деталей не подходит для сварки деталей из алюминиевых сплавов в авиационной промышленности, поскольку не удается получить сварные соединения достаточно высокого качества. Более того, стоимость и сложность изготовления трояковыпуклого инструмента слишком велика из-за высокой необходимой точности механической обработки трех выпуклых поверхностей, расположенных по окружности инструмента, и необходимости нарезания резьбы на упомянутых выпуклых поверхностях.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного СТП инструмента. Кроме того, либо в качестве альтернативы, задачей настоящего изобретения является создание СТП инструмента, которым можно выполнять сварку деталей большой толщины с качеством, необходимым для изготовления самолета. Кроме того, или в качестве альтернативы, задачей настоящего изобретения является создание СТП инструмента, которым можно выполнять сварку, качество которой соответствует или превосходит качество одного или нескольких упомянутых выше известных СТП инструментов, но отличается уменьшенной нагрузкой на СТП инструмент в процессе сварки и/или не приводит к повышенному разогреву сварного соединения, по сравнению с используемым ранее соответствующим СТП инструментом.
Согласно настоящему изобретению предлагается инструмент для сварки трением с перемешиванием, содержащий заплечик и стержень, отходящий от заплечика, причем стержень содержит по крайней мере три секции, равномерно распределенные вокруг продольной оси стержня, при этом каждая секция содержит по крайней мере три расположенные прилегающими друг к другу приблизительно плоские части, расположенные вокруг оси стержня, причем плоские части расположены так, что нормали к плоским частям сходятся в направлении оси стержня, а стержень включает части с резьбой, расположенные между каждыми парами смежных секций.
В процессе эксперимента было установлено, что при использовании СТП инструмента в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения можно получить хорошие сварные соединения (подходящие для использования в авиационной промышленности) на плитах толщиной 20 мм при уменьшенной нагрузке как на СТП инструмент, так и на СТП станок, в котором используется инструмент, по сравнению с известными трехплоскостным и трояковогнутым инструментами, описанными выше.
СТП инструмент в соответствии с настоящим изобретением может иметь форму, в целом аналогичную форме известного трояковыпуклого СТП инструмента, при этом плоские части каждой секции инструмента в соответствии с настоящим изобретением имеют в целом выпуклый профиль. СТП инструмент в соответствии с настоящим изобретением не только обеспечивает снижение нагрузки по сравнению с известными инструментами, но также отличается большей простотой изготовления по сравнению с известным трояковыпуклым СТП инструментом вследствие того, что при изготовлении этого инструмента не требуется механической обработки для выполнения выпуклых секций. Следует иметь в виду, что для того, чтобы плоские части каждой секции образовывали в целом выпуклый профиль, нет необходимости в том, чтобы нормали к плоским частям каждой секции сходились в одной точке, напротив, нормали должны сходиться только так, чтобы расстояние между каждой парой нормалей уменьшалось по мере их удаления от поверхности плоских частей в направлении оси стержня.
СТП инструмент в соответствии с настоящим изобретением может быть приспособлен для сварки деталей толщиной более 10 мм. Стержень может быть длиннее 10 мм. Длина стержня может достигать 20 мм или более.
Могут быть использованы только три секции, равномерно распределенные вокруг продольной оси стержня, причем центры секций находятся, соответственно, в точках с угловым положением 0, 120 и 240 град. В другом варианте может быть использовано и четыре секции, равномерно расположенные вокруг продольной оси стержня при углах 1, 90, 180 и 270 град, соответственно.
В предпочтительном варианте выполнения каждая часть с резьбой граничит с секциями, между которыми она расположена. В предпочтительном варианте выполнения ни одна из секций не имеет резьбы. Таким образом, инструмент может иметь чередующиеся области с резьбой и без резьбы вокруг его оси.
Стержень может суживаться вдоль оси. В другом варианте форма стержня может быть такой, что его диаметр приблизительно постоянен по крайней мере по большей части его длины. Стержень, например, может иметь приблизительно цилиндрическую форму.
Степень сужения плоской части вдоль стержня может отличаться от степени сужения части с резьбой. Плоская часть, например, может сужаться быстрее вдоль стержня, чем одна из частей с резьбой. Сужение вдоль длины стержня может отличаться по сравнению со смежными плоскими частями. (Сужение плоской части может определяться как угол между осью стержня и линией пересечения между плоской частью и воображаемой плоскостью, перпендикулярной плоской части, и содержащей ось стержня.)
Секция может содержать более трех плоских частей. Например, каждая секция может содержать по крайней мере четыре приблизительно плоских части, расположенных вокруг оси стержня. Количество плоских частей на одну секцию может быть менее десяти. В предпочтительном варианте выполнения плоские части располагаются в каждой секции, прилегая друг к другу. Настоящее изобретение может применяться и в том случае, когда секция содержит всего две плоских части. Таким образом, в настоящем изобретении дополнительно предложен инструмент для сварки трением с перемешиванием, содержащий заплечик и отходящий от заплечика стержень, где стержень содержит по крайней мере три секции, в предпочтительном варианте выполнения размещенные равномерно вокруг продольной оси стержня, при этом каждая секция содержит несколько прилегающих друг к другу приблизительно плоских частей, размещенных вокруг оси стержня, причем плоские части располагаются таким образом, что нормали к плоским частям сходятся в направлении к оси стержня. Стержень может включать части с резьбой, расположенные между каждой парой соседних секций. Конечно, должно быть понятно, что данная более широкая особенность изобретения может включать и другие признаки описанного здесь изобретения.
Также предлагается способ изготовления инструмента для сварки трением с перемешиванием в соответствии с любой особенностью изобретения, описанной здесь. В предпочтительном варианте выполнения способ изготовления включает шаги получения инструмента, имеющего заплечик и отходящий от заплечика стержень с резьбой, и снятия механической обработкой материала со стержня с резьбой для образования по крайней мере трех секций, равномерно расположенных вокруг продольной оси стержня, при этом каждая секция содержит по крайней мере три прилегающие друг к другу приблизительно плоские части, расположенные вокруг оси стержня, причем плоские части расположены так, что нормали к плоским частям сходятся в направлении к оси стержня. Преимуществом способа является то, что в процессе изготовления инструмент может быть закреплен для его вращения вокруг центральной оси, а срезание механической обработкой различных плоских частей достигается вращением инструмента вокруг его оси. Таким образом, значительно упрощается изготовление инструмента по сравнению с изготовлением таких инструментов как, например, упомянутого выше трояковыпуклого инструмента, когда для обработки выпуклых поверхностей может потребоваться сложное смещение инструмента для получения правильной формы. Толщина удаляемого машинной обработкой со стержня материала для создания плоской части может изменяться по длине стержня. Например, может использоваться такая плоская часть, для которой у основания стержня удаляется в глубину больше материала, чем у вершины. В дополнение к этому, либо в качестве альтернативы, может использоваться такая плоская часть, у которой в области основания стержня требуется удалить материал на меньшую глубину, чем у вершины стержня. Таким образом, глубина удаляемого материала на данном расстоянии вдоль стержня может отличаться между двумя различными плоскими частями.
Далее предложен способ сварки двух металлических заготовок с использованием инструмента для сварки трением с перемешиванием в соответствии с любой особенностью представленного здесь изобретения. В предпочтительном варианте выполнения способ сварки включает шаги:
подготовки двух металлических заготовок с толщиной более 10 мм,
подготовки инструмента для сварки трением с перемешиванием в соответствии с любой особенностью представленного здесь изобретения, и
использования инструмента для сварки двух заготовок.
Представленный способ сварки наиболее подходит в случае, когда заготовки выполнены из алюминиевых сплавов и/или заготовки предназначены для использования для изготовления авиационных деталей. Например, металл может быть любым обычным или подходящим сплавом, используемым в аэрокосмической промышленности, например алюминиевые сплавы 2000 серий, 6000 серий, 7000 серий либо алюмо-литиевые сплавы. Обе заготовки могут быть, хотя это и не обязательно, сделаны из одинакового материала.
Дополнительно предложен способ изготовления деталей, в предпочтительном варианте авиационных деталей с использованием инструмента для сварки трением с перемешиванием в соответствии с любой особенностью предложенного здесь изобретения. В предпочтительном варианте выполнения способ изготовления включает шаги: подготовку металлического блока, из которой механической обработкой вырезается деталь, в предпочтительном варианте деталь самолета, где блок металла был выполнен из двух или более заготовок, сваренных способом сварки, в соответствии с любой особенностью представленного здесь изобретения. Удобно, хотя и не обязательно, чтобы металлический блок имел кубовидную форму. Деталь может, например, иметь форму части силовой конструкции самолета. Деталь может, например, образовывать по крайней мере часть лонжерона для кессона крыла самолета. Понятно, что деталь, изготовленная средствами настоящего изобретения, может потребовать дополнительной обработки перед передачей на сборку. Поэтому в определенных обстоятельствах деталь может считаться промежуточной, требующей дополнительной обработки для получения законченного изделия. Например, деталь может требовать дополнительной механической обработки, очистки, соединения с другими частями либо каких-либо иных технологических воздействий. Поэтому следует иметь в виду, что термин "деталь" используется здесь как в значении, когда деталь готова для окончательной сборки, так и в значении, когда он находится на начальной стадии технологического цикла его изготовления.
Краткое описание чертежей
Далее приводится описание вариантов выполнения настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, где:
Фиг.1-3 схематически представляют профили трех известных инструментов для СТП сварки;
Фиг.4-5 схематически представляют форму СТП инструмента в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения; и
Фиг.6 схематически представляет часть профиля СТП инструмента в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
В качестве предпосылки для СТП инструмента согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения целесообразно кратко описать формы известных ранее инструментов. На Фиг.1-3 схематически показаны профили подобных известных инструментов, которые иллюстрируют общую форму поперечного сечения стержней трояковогнутого инструмента, трехплоскостного инструмента и трояковыпуклого инструмента, соответственно. В каждом случае три секции выполнены удалением материала механической обработкой со стержня цилиндрического сечения (его профиль - воображаемый круг, не показанный на чертеже, плавно охватывает формы, изображенные на Фиг.1-3). Показанный на Фиг.1 инструмент 102 трояковогнутой формы образован тремя отдельными равномерно распределенными по кругу вогнутыми областями 104, показанный на Фиг.2 трехплоскостной инструмент 106 образован тремя отдельными равномерно расположенными по кругу плоскостями 108, а на Фиг.3 показан инструмент 110 трояковыпуклой формы, образованный тремя отдельными, равномерно расположенными по кругу выпуклыми областями 112.
На Фиг.4 и 5 показан строенный трехплоскостной СТП инструмент 2 в сечении и на виде в плане (вид с конца инструмента), соответственно, в соответствии с первым вариантом выполнения изобретения. Инструмент 2 содержит заплечик 4, от которой отходит стержень 6, в форме сужающегося пальца. Стержень 6 инструмента 2 выполнен срезанием механической обработкой плоскостей 8 с конического пальца с резьбой. Резьба на стержне представляет собой однозаходную крупную метрическую резьбу с углом в сечении 60 град стандарта 2000 с шагом 2 мм, причем на стержне умещается в пределах десяти витков резьбы. Длина l стержня 6 составляет 20 мм. Стержень 6 сужается, начиная от заплечика 4 к своей вершине под углом приблизительно 12 град, причем диаметр при вершине составляет приблизительно 9 мм. Плоскости 8 сгруппированы в трех секциях 8а, 8b и 8с, при этом каждая секция состоит из трех прилегающих плоских поверхностей 8. Плоскости 8 в каждой секции получены механической обработкой, образуя приблизительно выпуклый профиль при наблюдении в поперечном сечении (нормаль к сечению параллельна оси 12 стержня). Схематическое изображение поперечного сечения стержня в соответствии с первым вариантом выполнения представлено на Фиг.6. На Фиг.6 показаны три плоскости 8 в одном сечении 8а стержня, ось 12 которого обозначена крестом на Фиг.6. Должно быть понятно, что угловое разделение плоскостей 8 и нормалей 14 к ним для наглядности показано на Фиг.6 преувеличенным. Как показано на Фиг.6, нормали 14 к плоскостям 8 сходятся в направлении к оси 12 стержня 6 и образуют приблизительно выпуклый профиль (выпуклый профиль показан на Фиг.6 воображаемой поверхностью 16). С учетом чертежей на Фиг.4 и 5 можно видеть, что каждая секция расположена так, что секции равномерно размещены вокруг оси 12 стержня 6 (например, разнесены относительно друг друга на 120 град). Три секции 8а-8с, каждая из которых состоит из трех плоскостей 8, разделены частями 10а, 10b, 10с с резьбой, то есть между каждой парой смежных секций имеется область 10 с резьбой.
Инструмент 2, показанный на Фиг.4 и 5, применялся для сварки 20-мм плиты из алюминиевого сплава 7150, пригодной для использования в силовой конструкции самолета, при этом измерялись нагрузки, воздействующие на инструмент. На одной и той же 20-мм плите из сплава 7150 были испытаны инструменты трехплоскостной, трояковогнутой и трояковыпуклой формы одинаковых размеров. С трояковыпуклым инструментом сварку с качеством, необходимым для силовой конструкции самолета, получить не удалось. Также было установлено, что нагрузки, которым подвергался в процессе сварки инструмент 2, соответствующий данному варианту выполнения, были меньше, чем нагрузки, которые выдерживали трехплоскостные и трояковогнутые инструменты эквивалентного размера, что иллюстрируется данными, приведенными в таблицах 1 и 2.
Таблица 1Снижение нагрузки (в процентах) по сравнению с трехплоскостным инструментом при 75 и 150 мм/мин
Скорость подачи
Снижение нагрузки в направлении перемещения, %
Снижение момента вращения, %
Снижение вертикальной нагрузки
75 мм/мин
20
5,5
одинаково
150 мм/мин
20
20
одинаково
Таблица 2Снижение нагрузки (в процентах) по сравнению с трояковогнутым инструментом при скорости подачи 75 мм/мин (СТП на скорости 150 мм/мин не могла быть выполнена, так как необходимая вертикальная нагрузка превосходила возможности станка)
Снижение нагрузки в направлении перемещения, %
Снижение момента вращения, %
Снижение вертикальной нагрузки, %
54
10,5
25
Следует заметить, что проценты в обеих приведенных выше таблицах могут быть несколько искажены, поскольку соотношение между площадью инструмента и площадью трения для штырей различных конструкций не было строго одинаковым (см. упомянутый отчет в журнале "Science and Technology of Welding and Joining 2004", том 9, №4. "Разработка трояковыпуклого инструмента для сварки трением с перемешиванием", часть 1).
СПТ инструмент, в соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения, схематически показан на Фиг.7, где изображен фрагмент поперечного сечения стержня 20 СТП инструмента, причем стержень 20 содержит три секции, разделенные областями 22 с резьбой, а каждая секция состоит из семи плоскостей 24. Семь плоскостей 24 образуют более сглаженный профиль между областями 22 с резьбой стержня 20.
В то время как настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано на примере конкретных вариантов выполнения, специалисту должно быть понятно, что изобретение допускает много различных изменений, которые здесь описаны не были. Далее только в качестве примера будут описаны некоторые изменения к вышеприведенным вариантам выполнения.
СТП инструмент в соответствии с вариантом выполнения изобретения может быть использован для сварки заготовок большей толщины, чем описывалось выше со ссылкой на чертежи. Представляется, что инструменты с длиной стержня по крайней мере 30 мм могут с успехом использоваться для сварки материалов на сравнимую глубину. Вместо конической формы (как это показано на чертежах) стержень инструмента может быть цилиндрической формы. Количество резьбы между секциями с плоскими поверхностями и тип резьбы (форма, шаг и глубина) могут быть выбраны экспериментально с целью улучшения достижимого качества сварки для конкретного случая. Изобретение может быть использовано не только со сплавами алюминия, но и другими сплавами. Специалист может представить себе и другие модификации изобретения.
В том случае, если в приведенном описании упоминаются объекты в целом или элементы, имеющие известные, очевидные или предсказуемые эквиваленты, то такие эквиваленты вводятся в настоящее описание так, как если бы они были описаны отдельно. Должна быть изучена формула изобретения для определения истиной области притязаний настоящего изобретения, истолкование которого должно охватывать любой такой эквивалент. Читатель также должен иметь в виду, что объекты в целом или признаки изобретения, описанные как предпочтительные, обладающие преимуществами, удобные и т.п., не являются обязательными и не ограничивают область притязаний независимых пунктов формулы.