СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ТОРЦОВ В ВИДЕ ШИПА ДЛЯ РАЗНОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
METHOD FOR PREPARING THE SURFACE OF THE SPIKE-SHAPED ENDS FOR DISSIMILAR CONNECTIONS CREATED BY FRICTION WELDING WITH MIXING

Изобретение относится к способу получения соединения разнородных материалов и может быть использовано в химическом машиностроении, силовой энергетике, авиации и других отраслях промышленности.
Задачей изобретения является повышение механических свойств сварного соединения из разнородных материалов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе выполняется специальная подготовка торцов свариваемых деталей для стыковых, стыко-нахлесточных соединений и технологическими приемами сварки трением с перемешиванием. С помощью фрезерного станка выполняется обработка поверхности кромок (шип) и может быть использован инструмент для сварки трением с перемешиванием. Способ обеспечивает повышение прочности и герметичности соединений разнородных материалов. 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
Известен способ подготовки поверхности заготовок для сварки разнородных материалов (патент RU 2720018 С2, 23.04.2020), включающий обработку торцов соединяемых деталей из более тугоплавкого и более легкоплавкого металла (в виде скосов 30° и 60°).
Недостатком известного способа является ограниченная область его применения, так как известный способ пригоден только для обработки кромок тонких листов (толщиной до 5 мм). При толщинах свариваемых заготовок более 5 мм происходит непровар концевых участков сварного соединения, что может приводить к возникновению источника уменьшения механических свойства сварного шва.
Наиболее близким к предлагаемому способу является технология получения разнородных соединений STIR-LOCK, принятая нами за прототип (см. Friction stir welding - process variants - an update [Электронный ресурс] / Thomas W.M., Verhaeghe G., Martin J., Staines D.G. and Stanhope С - United Kingdom: TWI Ltd, 2007. - Режим доступа http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/friction-stir-welding-process-variants-an-update-october-2007.html. - Загл. с экрана). Соединение получают следующим образом. Вначале в более тугоплавкой пластине выполняется шип. В менее тугоплавком металле (алюминиевый сплав) выполняется паз.
Недостатком известной технологии является то, что стыко-нахлестанное соединения ограничены толщиной тугоплавкого материала и это может привести к преждевременным разрушениям конструкции.
Предлагается использовать подготовку кромки образцов в виде шип, отличающимся тем, что выбираются листы одинаковой толщины. Размеры паза и шипа выбираются от толщины свариваемых материалов и габаритных параметров инструмента. Ввод инструмента производится по срединной линии подготовленных кромок.
Данный технолого-конструкторский прием позволяет увеличить поверхность взаимодействия и активировать процесс перемешивания путем лифтинга из придонной части сварного шва мягкого материала (алюминиевый сплав АД1) сквозь менее пластичного материала (медного сплава M1) к свариваемой поверхности соединения, что повлияет на перераспределение нормальной и тангенциальной составляющих растягивающей нагрузки, приложенной по оси сварного соединения.
Технический результат достигается тем, что увеличивается площадь взаимодействия свариваемых деталей из разнородных материалов, включающее выполнение в детали из более тугоплавкого материала скоса кромок и воздействие на деталь из более легкоплавкого материала вращающимся штырем цилиндрическим инструментом для сварки трением с лифтингом тугоплавкого материала из средней части сварного шва менее пластичного материала. В качестве более тугоплавкого материала может быть использована, например: медный сплав, титановый сплав, никелевый сплав, сталь, в качестве более легкоплавкого материала - алюминий или его сплавы. Заявляемые способы поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлены виды подготовки кромки в виде шипа (коричневый лист - тугоплавкий материал, серый лист - пластичный материал) для металла толщиной 3 мм. Габаритные размеры технологических подготовок кромок зависит от толщины свариваемых материалов и от технических характеристик заплечика и штыря инструмента.
На фиг. 2 представлен вид подготовок кромок шип, где 1 - заплечик инструмента, 2 - деталь из более тугоплавкого материала, содержащая выступ в виде шипа, 3 - штырь инструмента, 4 - деталь из более легкоплавкого материала с пазом. Представлены габаритные размеры кромок и взаимное расположение материалов, а так же место ввода инструмента.
На фиг. 3 представлена общая фотография образцов для проведения механических испытании, где П-М1…5 - шип. Изготовленных из алюминиевого (АД1) и медного (M1) сплавов.
На фиг. 4 представлен микрошлиф сварного соединения технологической кромки шип из алюминиевого (АД1) и медного (M1) сплавов. На нем видно провар и перемешивания свариваемых материалов.
Соединение осуществляют следующим образом.
На детали 2 из тугоплавкого материала (медного сплава) и детали 4 из менее тугоплавкого материала (алюминиевого сплава) выполняется обработка торца листового проката. На стол фрезерного станка укладывают деталь 2 и состыковывают с деталью 4. Детали располагаются так, что на верхней части сварного соединения находится пластичный материал. Эти детали жестко закрепляют на столе. После чего к ним подводят вращающийся инструмент, заглубляют его в срединную линию подготовленной кромки и осуществляют перемещение по ней вдоль линии. За счет трения заплечика 1 и штыря 3 инструмента в детали 4 и 2 происходит нагрев соединяемых кромок. При этом менее пластичный материал детали 4 поднимается из придонной части сварного шва из-за вращения штыря 3 и проходит средний слой тугоплавкого материала, и стремится поверхности сварного соединения. Происходит интенсивное перемешивание, образуя механическое соединение.
Ниже приведен пример осуществления способа.
В лабораторных условиях выполнены соединения пластин длиной 200 мм, шириной 200 мм с толщиной медной пластины 3 мм и 6 мм с пластиной из алюминиевого сплава АД1 толщиной 3 мм по предлагаемому способу.
В качестве привода инструмента использован фрезерный станок 6Т80Ш.
Были выполнены подготовка торца кромок зависимости от толщины свариваемых образцов.
Режим получения соединения:
Диаметр цилиндрического инструмента с плоской контактной поверхностью D=16 мм;
1
Диаметр штыря у заплечика d=5 мм;
2
Диаметр штыря у наконечника d=3,5 мм;
Форма штыря усеченный конус;
Скорость вращения инструмента - 900 об/мин;
Материал инструмента - ВК-8;
Угол наклона инструмента относительно вертикальной оси α - 3 град;
Величина заглубления инструмента h - 0,2 мм;
Скорость продольного перемещения инструмента: для толщины деталей 3 мм - 25 мм/мин, а для образцов толщиной 6 мм - 20 мм/мин;
Полученные соединения испытаны на разрывной машине Р-5. Результаты испытаний приведены в таблице 1 и 2.
Из таблицы 1 видно, что подготовки торцов свариваемых пластин в виде шип превышает в 1,5 раз механических свойств, чем стыковое соединение без подготовки кромок.
Из таблицы 2 видно, что подготовки торцов свариваемых пластин в виде шип превышает в 1,5 раз механических свойств, чем стыковое соединение без подготовки кромок и в виде скоса. Это увеличение эксплуатационных характеристик сварного соединения вызвано увеличением площади контакта соединяемых деталей.
Таким образом, использование заявляемого способа подготовки торца соединяемых разнородных материалов и технологии сварки трением с перемешиванием позволяет получить высокопрочные и герметичные соединения.