Инструмент для сварки трением с перемешиванием

Полезная модель относится к области сварочного производства, а именно к вращающимся инструментам для сварки трением с перемешиванием, предпочтительно стальных заготовок.
Известен инструмент для сварки трением с перемешиванием, состоящий из цилиндрического корпуса, верхняя часть которого соединена с источником энергии для обеспечения его вращения, а на нижнем торце выполнен опорный бурт с вогнутой рабочей поверхностью, на которой закреплен палец с резьбообразной конфигурацией его рабочей поверхности (см. RU № 2126738, МПК В23К 20/12, 1999).
Недостатками инструмента являются: ослабление конструкции инструмента в месте крепления пальца, а следовательно, и снижение рабочего ресурса инструмента в целом; снижение рабочего ресурса сменного пальца за счет его утонения в месте крепления к телу инструмента.
Известен также инструмент для сварки трением с перемешиванием, содержащий корпус зонд, установленный в корпусе с возможностью вращения, и средство передачи продольной нагрузки (см. RU № 2441735, МПК B23K 20/12, 2007).
К недостаткам инструмента можно отнести то, что распределение тепловой мощности (тепловложения) по радиусу площади контакта зонда с заготовкой имеет параболический вид, что связано с неравномерным распределением линейной скорости вращения торца инструмента по радиусу площади нагрева, которая изменяется от нуля в центре до максимума на внешнем радиусе.
Известен также инструмент для сварки трением с перемешиванием, содержащий установленный в корпусе с возможностью вращения зонд, имеющий полость, соосную его оси вращения, в которой размещен с возможностью вращения стержень, выступающий над верхним концом зонда, при этом в корпусе размещены приводы вращения зонда и стержня с обеспечением скорости вращения стержня выше, чем скорость вращения зонда, а на крышке корпуса установлено средство передачи продольного усилия вдоль оси вращения зонда и стержня инструмента, выполненное в виде кронштейна (см. RU № 186699, МПК B23K 20/12, 2019). Полезная модель позволяет повысить равномерность распределения тепловой мощности (тепловложения) по радиусу площади контакта зонда с заготовкой за счет увеличения количества тепла, вводимого в центре сварной точки.
Недостатком инструмента является пониженное распределение тепловой мощности (тепловложения) в центральной части зонда.
Техническая задача, решаемая полезной моделью – повышение равномерности распределения тепловой мощности (тепловложения) по радиусу площади контакта зонда с заготовкой.
Технический результат, проявляющийся при решении технической задачи, выражается в увеличении количества тепла, вводимого в центре сварной точки.
Для решения задачи полезной модели, инструмент для сварки трением с перемешиванием, содержащий установленный в корпусе с возможностью вращения зонд, имеющий полость, соосную его оси вращения, в которой размещен с возможностью вращения стержень, выступающий над верхним концом зонда, при этом в корпусе размещены приводы вращения зонда и стержня с обеспечением скорости вращения стержня выше, чем скорость вращения зонда, а на крышке корпуса установлено средство передачи продольного усилия вдоль оси вращения 2 зонда и стержня инструмента, выполненное в виде кронштейна, отличается тем, что стержень выполнен с заплечиком в нижней части, установленным в контакте его поверхности с обращенной к нему поверхностью зонда, а упомянутый кронштейн установлен с возможностью передачи продольного усилия на вращающийся зонд и через упомянутую поверхность контакта – на поверхность заплечика стержня.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи, а именно повышение равномерности распределения тепловой мощности (тепловложения) по радиусу площади контакта зонда с заготовкой изменением формы внутреннего стержня в нижней части в виде заплечика таким образом, чтобы обеспечить дополнительное трение верхней его поверхности по поверхности зонда.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, при этом на фиг.1 схематически показан разрез инструмента для сварки трением с перемешиванием; на фиг.2 показана зависимость раздельного по валам тепловложения от радиуса инструмента; на фиг.3 - зависимость суммарного по валам тепловложения от радиуса инструмента.
На фиг.1 показаны зонд 1 с рабочей поверхностью 2, его полость 3 и ось вращения 4, внутренний стержень 5, его верхний конец 6, заплечик 7 внутреннего стержня 5 с основной нижней рабочей поверхностью 8 и дополнительной верхней поверхностью 9, пин 10, корпус инструмента 11, приводной вал 12, его верхний конец 13, первое 14 и второе 15 верхние зубчатые колеса привода стержня 5, первое 16 и второе 17 нижние зубчатые колеса привода зонда 1, кронштейн 18, крышка 19 корпуса 11, стакан 20, радиальные подшипники 21, опорный подшипник 22, крышка нижняя 23.
вн
нар
-1
-1
-1
-1
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны зависимости тепловложения от радиуса внутреннего вала (с наружным радиусом r = 5 мм), внешнего вала (с наружным радиусом r = 10 мм) и скоростями вращения внешнего вала: I – ω=63 с; внутреннего вала: II – ω=105 с, III – ω=157 с и IV – ω=209 с.
Инструмент для сварки трением с перемешиванием содержит корпус 11, снабженный сверху крышкой 19, а снизу разъемным соединением со стаканом 20 (перекрываемым снизу крышкой нижней 23), соосным с осью вращения 4 зонда 1. Возможность вращения зонда 1 в полости корпуса 11 обеспечивают радиальные подшипники 21, три из которых размещены в отверстии корпуса 11, а два – в полости стакана 20. Зонд 1 выполнен с полостью 3, соосной его оси вращения 4, при этом в полости 3 зонда 1 с возможностью вращения размещен стержень 5, с выступанием его верхнего конца 6 из зонда 1. Нижняя часть внутреннего стержня 5 выполнена в виде заплечика 7 таким образом, чтобы обеспечить дополнительное трение верхней его поверхности 9 по поверхности зонда 1. Для обеспечения вращения зонда 1 и внутреннего стержня 5 в корпусе 11, параллельно оси вращения 4 зонда 1 установлен приводной вал 12, верхний конец 13 которого выступает из полости корпуса 11 и выполнен с возможностью подключения привода (на чертежах не показан), при этом на приводном валу 12 жестко закреплены первое верхнее 14 и первое нижнее 16 зубчатые колеса, на стержне 5 жестко закреплено второе верхнее зубчатое колесо 15, а на зонде 1 - второе 17 нижнее зубчатое колесо, при этом первое верхнее 14 зубчатое колесо установлено в зацеплении со вторым верхним 15 зубчатым колесом, а первое нижнее зубчатое 16 колесо – со вторым нижним 17 зубчатым 3 колесом, с обеспечением вращения зонда 1 и стержня 5 с разной скоростью.
Средство передачи продольной нагрузки выполнено в виде кронштейна 18, установленного на крышке 19 корпуса 11 с возможностью передачи продольного усилия вдоль оси вращения 4 зонда 1 и внутреннего стержня 5.
Первое верхнее 14 зубчатое колесо приводного вала 12 и введенное с ним в зацепление второе верхнее 15 зубчатое колесо стержня 5 выполнены с разными диаметрами, образуя повышающую передачу. Первое нижнее 16 зубчатое колесо приводного вала 12 и введенное с ним в зацепление второе нижнее 17 зубчатое колесо зонда 1 выполнены с одинаковыми диаметрами, не образуя повышающую передачу. Это обеспечивает возможность вращения стержня 5 со скоростью большей скорости вращения зонда 1.
Пин 10 выполняется на всех инструментах при сварке трением с перемешиванием, он предназначен для перемешивания размягченного при трении металла в зоне шва. При точечной сварке трением с перемешиванием эта часть инструмента исключается.
Авторами проведены эксперименты для определения распределения тепловложения по радиусу зонда. Для этого площадь контакта инструмента диаметром 20 мм и свариваемого материала (алюминиевого сплава АМг6) разбивается на концентрические кольца разных диаметров и для каждого кольца находилась величина момента трения (для инструмента из инструментальной стали) и его площадь.
-1
-1
-1
В результате проведенных экспериментов была получена зависимость величины тепловой мощности, вносимой в свариваемый материал от его радиуса инструмента и разных скоростях вращения внешнего и внутреннего валов. На фиг.2 и 3 представлены зависимости тепловложения от радиуса для инструмента с двумя валами, где значения угловой скорости на внешнем валу составляет ω=63 с-1, а для внутреннего вала 105 с, 157 с и 209 с, радиусы внутреннего вала равен 5 мм, наружного – 10 мм.
-1
-1
-1
Анализ этих графиков показывает, что полное тепловложение от инструмента не только имеет равномерное распределение, но и в сумме значения тепловложений внешнего и внутреннего валов выше, чем значение тепловложения с использованием одного вала. Так при использовании инструмента с двумя валами, при скорости вращения внешнего вала – 63 с, а внутреннего – 209 с, можно отметить, что на участке рабочего инструмента радиусом 9 мм суммарное значение тепловложения больше в 2 раза, чем при использовании одного вала при скорости вращения - 63 с.
Данный результат наиболее важен для сварки сталей со значительно меньшими значениями теплопроводности, чем алюминиевых сплавов, в которых за счет высокой теплопроводности поля температур в зоне сварки значительно выравниваются.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Включают в работу привод вращения (на чертежах не показан) верхнего конца 13 приводного вала 12. Под действием возникающего крутящего момента Мкр вал 12 начинает вращаться и, тем самым, с помощью зубчатых колес 14 и 15 через верхний конец 6 приводит в действие внутренний стержень 5, а с помощью вторых зубчатых колес 16 и 17 приводит в действие зонд 1. После того как зонд 1 и внутренний стержень 5 начнут вращаться, на кронштейн 18 воздействует осевая сила Рос, которая через крышку 19 корпуса 11 и опорный подшипник 22 передает усилие на вращающийся зонд 1. Зонд передает усилие на 4 верхнюю поверхность 9 заплечика 7 стержня 5, тем самым обеспечивая трение между этой верхней поверхностью 9 и зондом 1, что создает дополнительное трение и тепловложение на заплечике 7 и внутренней части сварного соединения. При передаче совместного осевого усилия от зонда 1 через рабочую поверхность 2 и от заплечика 7 через основную нижнюю рабочую поверхность 8 образуется сила трения между инструментом и свариваемой деталью (на чертежах не показана), обеспечивающая разогрев свариваемых участков деталей. За счет увеличения скорости вращения стержня 5 по сравнению с зондом 1, тепловложение в центре сварной точки увеличивается, выравниваясь в целом на торце зонда.