Сварочный инструмент для сварки трением с перемешиванием

Полезная модель относится к устройству для сварки трением с перемешиванием (СТП), которое может быть использовано в авиационной промышленности, судостроении, вагоностроении для получения длинномерных сварных швов из алюминиевых или магниевых сплавов с широкими полями допусков на толщину свариваемых кромок и пониженными требованиями к их взаимному расположению.
СТП широко используется для получения сварных деталей, узлов и конструкций из металлических материалов. Основными преимуществами этого способа сварки по сравнению с традиционными способами сварки плавлением являются: возможность получения высокопрочных сварных соединений практически равных по прочности основному металлу, а также отсутствие в сварных конструкциях остаточных деформаций и поводок, которые неизбежно возникают при сварке плавлением.
Недостатком СТП является высокая чувствительность процесса к отклонениям параметров и теплового режима сварки, отклонениям толщины свариваемых кромок, к нарушениям их взаимного расположения. Даже незначительные отклонения приводят к образованию дефектов и снижению механических свойств сварного соединения.
При использовании традиционного сварочного инструмента с фиксированным наконечником допуски к величине зазора к между свариваемыми кромками и к отклонению их толщины Δh составляют 5-10% от толщины h свариваемых кромок. Соблюдение этих требований при сварке длинномерных полуфабрикатов вызывает необходимость проведения дополнительных операций, связанных с подгонкой кромок (резка, совместная фрезеровка), что существенно повышает трудоемкость сборочно-сварочных работ.
Известен способ сварки, допускающий изменение толщины свариваемых заготовок Δh в пределах 30% (±15%), и обеспечивающий гарантированный полный провар корня шва, стабильное формирование бездефектного сварного соединения с минимальными остаточными деформациями свариваемых алюминиевых заготовок. Обеспечение качественного формирования корня шва свариваемых кромок с широкими полями допусков по их толщине достигается за счет использования сварочного инструмента (фиг. 1), оснащенного механизмом выдвижения наконечника 3 относительно уступа 2 за счет упругих элементов - пружин 1 [US 5718366] в сочетании с корректировкой параметров сварки в зависимости от изменения температуры поверхности сварного шва, измеряемой позади сварочного инструмента [RU 2677559].
Установлено, что применение указанного изобретения позволяет получать качественные соединения не только в случае изменения толщины свариваемых кромок Δh в пределах ±15%, но и в случае сварки с зазором к между свариваемыми кромками или в случае одновременного снижения толщины кромок и зазора между ними. При этом в случае сварки с зазором между свариваемыми кромками, уменьшение объема металла, вовлекаемого в пластическое течение вокруг сварочного инструмента так же, как и при сварке с уменьшением толщины свариваемых кромок компенсируется увеличением внедрения сварочного инструмента в свариваемые кромки, которое происходит за счет втягивания наконечника сварочного инструмента при сохранении действия постоянного усилия на сварочный инструмент.
Проведенные исследования показывают, что при условии обеспечения оптимальных соотношений диаметра уступа D и диаметра наконечника d к толщине свариваемых кромок h, равных (3,8÷7,5):1 и (1,5÷2,5):1 соответственно, условия формирования стабильного качественного соединения сохраняются при сварке с зазором к между свариваемыми кромками величиной до 50% от их толщины.
Существенным недостатком использования схемы сварочного инструмента с выдвигающимся относительно уступа наконечником за счет размещенных в корпусе инструмента упругих элементов в виде пружин является снижение упругой характеристики жесткости пружин вследствие их ускоренной релаксации в процессе сварки под воздействием высоких температур. Это обстоятельство ограничивает продолжительность непрерывного использования сварочного инструмента и делает невозможным получение длинномерных швов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является сохранение условий для качественного формирования сварного соединения при сварке протяженных швов, допускающего изменения толщины Δh свариваемых кромок в пределах ±15%, зазор к между свариваемыми кромками до 50% от их толщины, а также одновременно наличие зазора и снижение толщины кромок при условии 2k+6,7⋅Δh<h. Данный технический результат достигается выбором размеров конструктивных элементов сварочного инструмента, при этом согласно полезной модели, отношение диаметра уступа к толщине свариваемых кромок составляет (3,8÷7,5):1, а отношение диаметра наконечника к толщине свариваемых кромок составляет (1,5÷2,5):1, при этом корпус инструмента выполнен с возможностью подведения к упругим элементам охлаждающей жидкости (фиг. 2, где 1 - упругие элементы, 2 - сварочный инструмент, 3 - наконечник, 4 - шпиндельный узел, 5 - насос, 6 - датчики температуры, 7 - охладитель, 8 - бак).
Пример реализации полезной модели
В НИЦ "Курчатовский институт - ЦНИИ КМ "Прометей" согласно полезной модели производили сварку прессованных профилей из алюминиевого сплава марки 1561 с переменной толщиной кромок в диапазоне 2,6-2,9 мм встык с зазором 0,1-1,3 мм по установленному режиму сварки с использованием сварочного инструмента с жестко фиксированным уступом диаметром 14 мм и с выдвижным наконечником диаметром 5 мм, упертым в корпус сварочного инструмента через тарельчатые пружины. Внутрь тарельчатых пружин подводили охлаждающую жидкость марки G12 с температурой кипения не ниже 120°С с расходом 1 л/мин, температурой 20°С и давлением 0,3 атм. Сварку выполняли со скоростью 500 мм/мин в течение 16 минут. Отсутствие кипения жидкости контролировали по прозрачному шлангу отвода жидкости из корпуса сварочного инструмента. Полученный сварной шов подвергали механическим испытаниям на одноосное растяжение и статический изгиб, снижения механических свойств вдоль сварного шва не установлено.