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 В23К 20/12, 2007).
Недостатками инструмента является 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.
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 корпус зонд, установленный в корпусе с возможностью вращения, и средство передачи продольной нагрузки, отличающийся тем, что он снабжен приводным валом, установленным в корпусе с возможностью вращения параллельно оси вращения зонда, выполненного с полостью соосной его оси вращения, в которой размещен с возможностью вращения стержень, с выступанием его верхнего конца из зонда, причем на приводном валу жестко закреплены первое верхнее и первое нижнее зубчатые колеса, на стержне жестко закреплено второе верхнее зубчатое колесо, а на зонде - второе нижнее зубчатое колесо, при этом первое верхнее зубчатое колесо установлено в зацеплении со вторым верхним зубчатым колесом, а первое нижнее зубчатое колесо - со вторым нижним зубчатым колесом, с обеспечением вращения зонда и стержня с разной скоростью, причем на верхнем конце стержня размещен опорный подшипник, контактирующий с крышкой корпуса, а средство передачи продольной нагрузки выполнено в виде кронштейна, установленного на крышке корпуса в зоне его контакта с опорным подшипником возможностью передачи продольного усилия вдоль оси вращения зонда.
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.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, при этом на фиг. 1 показана зависимость тепловой мощности на участках зонда, от радиуса инструмента; на фиг. 2 схематически показан разрез инструмента для точечной сварки трением с перемешиванием.
На чертежах показаны зонд 1, его полость 2 и ось вращения 3, стержень 4, его верхний конец 5, корпус 6 инструмента, приводной вал 7, его верхний конец 8, первые 9 и вторые 10 верхние зубчатые колеса привода стержня 4, первые 11 и 12 вторые нижние зубчатые колеса привода зонда 1, кронштейн 13, опорный подшипник 14, крышка 15 корпуса 6, стакан 16, радиальные подшипники 17, второй опорный подшипник 18, крышка нижняя 19.
Инструмент для сварки трением с перемешиванием содержит корпус 6, снабженный сверху крышкой 15, а снизу разъемно соединенным со стаканом 16 (перекрываемым снизу крышкой нижней 19) соосным с осью вращения зонда 1. Возможность вращения зонда 1 в полости корпуса 6 обеспечивают радиальные подшипники 17, три из которых размещены в отверстии корпуса 6, а два - в полости стакана 16. Зонд 1 выполнен с полостью 2 соосной его оси вращения 3, при этом в полости 2 зонда 1 с возможностью вращения размещен стержень 4, с выступанием его верхнего конца из зонда 1. Для этого в корпусе 6, с возможностью вращения параллельно оси вращения 3 зонда 1 установлен приводной вал 7, верхний конец 8 которого выступает из полости корпуса 6 и выполнен с возможностью подключения привода (на чертежах не показан), при этом на приводном валу 7 жестко закреплены первое верхнее 9 и первое нижнее 11 зубчатые колеса, на стержне 4 жестко закреплено второе верхнее зубчатое колесо 10, а на зонде - второе 12 нижнее зубчатое колесо, при этом первое верхнее 9 зубчатое колесо установлено в зацеплении со вторым верхним 10 зубчатым колесом, а первое нижнее зубчатое 11 колесо - со вторым нижним 12 зубчатым колесом, с обеспечением вращения зонда 1 и стержня 4 с разной скоростью.
На верхнем конце стержня 4 размещен опорный подшипник 14, контактирующий с крышкой 15 корпуса 6, а средство передачи продольной нагрузки выполнено в виде кронштейна 13, установленного на крышке 15 корпуса 6 в зоне его контакта с опорным подшипником 14 возможностью передачи продольного усилия вдоль оси вращения 3 зонда 1.
Первое верхнее 9 зубчатое колесо приводного вала 7, введенное с ним в зацепление второе верхнее 10 зубчатое колесо стержня 4 выполнены с разными диаметрами, образуя повышающую передачу. Первое нижнее 11 зубчатое колесо приводного вала 7 и введенное с ним в зацепление второе нижнее 12 зубчатое колесо зонда 1 выполнены одинаковыми диаметрами, не образуя повышающую передачу. Это обеспечивает возможность вращения стержня со скоростью большей скорости вращения зонда 1.
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.
В результате проведенных экспериментов была получена зависимость величины тепловой мощности, вносимой в свариваемый материал на каждом концентрическом участке инструмента от его радиуса при скорости вращении вала 1600 об/мин (фиг. 1). Эти данные показывают, что значения тепловложения на участке радиусом от 1 до 3 очень малы для хорошей свариваемости.
Данный результат не так важен для сварки алюминиевых конструкций за счет высокой теплопроводности алюминия, тогда как для сварки сталей со значительно меньшими значениями теплопроводности этот факт имеет большое значение.
Заявленное устройство работает следующим образом.
кр
ос
Включают в работу привод вращения (на чертежах не показан) приводного вала 7. Под действием возникающего крутящего момента М вал 7 начинает вращаться и, тем самым, с помощью зубчатых колес 9 и 10 приводит в действие стержень 4, ас помощью вторых зубчатых колес 11 и 12 приводит в действие зонд 1. После того как зонд 1 и стержень 4 начнут вращаться, на кронштейн 13 воздействует осевая сила Р, которая через крышку 15 воздействует на опорный подшипник 14 и через него на верхний конец 5 стержня 4 и через корпус 6 на опорный подшипник 18 и вращающийся зонд 1. В результате этого образуется сила трения между инструментом и свариваемой деталью (на чертежах не показана) обеспечивающая разогрев свариваемых участков деталей. За счет увеличения скорости вращения стержня 4 по сравнению с зондом 1, тепловложение в центре сварной точки увеличивается, выравниваясь в целом на торце зонда.