САМООХЛАЖДАЮЩИЙСЯ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ РАСПЛАВА СВАРИВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к области технологии обработки конструкционных материалов и изделий, а именно к сварке трением с перемешиванием (СТП). Основой данной технологии является трение вращающегося инструмента цилиндрической формы, установленный с наружной стороны дна, и выполненный виде заплечика, который непосредственно контактирует во время вращения инструмента со свариваемыми деталями между двух соединенных торцами или внахлест заготовками (фиг. 1). В результате трения скольжения осуществляется фрикционный нагрев и массоперенос металла. При этом в случае чрезмерного тепловыделения в зоне сварного шва возможно формирование как внешних так и внутренних дефектов. Поэтому для предотвращения перегрева предлагается специальная конструкция инструмента, позволяющая отводить излишнее тепло с его поверхности. СТП применяется для сварки алюминиевых, титановых, магниевых, медных и некоторых других сплавов, а также для соединения деталей из разнородных металлов. Широкое применение находит в авиа- и ракетостроении, в автомобильной и судостроительной промышленности, для сварки токопроводящих элементов локомотивов и во многих других областях.
Известен инструмент для фрикционной сварки перемешиванием, в котором для отвода тепла использована система тепловых трубок (патент RU 2517653). Сами тепловые трубки с использованием капиллярного эффекта (фиг. 2) были запатентованы Ричардом Гоглером (R.S. Gaugler) из корпорации General Motors в 1942 году (патент США US 2350348 A), а в 1962 году Джордж Гровер (G.M. Grover) из лаборатории в Лос-Аламосе проработал и продемонстрировал их преимущества. К основным преимуществам тепловых трубок по сравнению с традиционными элементами теплопередающих систем относятся: простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, бесшумность работы, малые массогабаритные характеристики, отсутствие затрат энергии на перемещение теплоносителя, надежность работы, высокая эквивалентная теплопроводность.
Известное устройство (фиг. 2) представляет собой цилиндрический корпус, выполненный из стали, с внутренней полостью, имеющей форму усеченного конуса с основанием большего диаметра в горячей зоне (зоне испарения) и меньшего диаметра в зоне охлаждения (зоне конденсации паров). Последняя охлаждается проточным хладагентом, подаваемым в коллектор принудительным способом, где он протекает по поверхности корпуса, отбирает и отводит от него теплоту. При этом пары в зоне охлаждения корпуса конденсируются на внутренней поверхности стенки и жидкий хладагент (в частности, вода) стекает по стенке, возвращаясь в зону нагрева. Коническая форма и направление расширения внутренней поверхности корпуса обеспечивают направление движения конденсата к зоне нагрева, а вращение инструмента - ускоренное его движение в этом направлении за счет центробежной силы. Коллектор выполнен с возможностью его перемещения (без вращения) совместно с корпусом и расположен в верхней его части на наружной поверхности.
Недостатками прототипа являются сложность и ограниченность конструкции вследствие необходимости обеспечения принудительной циркуляции хладагента. Циркуляция хладагента обеспечивается путем организации сложной с помощью системы трубок или каналов во внутренней полости инструмента, соединенных с внешними коммуникаций (для подвода и отвода хладагента), что усложняет конструкцию головки, ограничивает маневренность и возможности позиционирования инструмента в рабочей зоне.
Устранение указанного выше недостатка и решение поставленной задачи по эффективному охлаждению рабочего эвена инструмента достигается за счет винтовых канавок, выполненных на всей высоте внутренней поверхности цилиндрического корпуса инструмента. При этом направление винтовой канавки выбрано в сторону вращения инструмента. При вращении инструмента охлаждающая жидкость прижимается к стенкам канавок за счет центробежной силы и имеет тенденцию к движению вверх. При увеличении скорости вращения инструмента в пределах 1000-1500 об/мин часть жидкости хладоагента принудительно поднимается по винтовой канавке в верхнюю зону охлаждения цилиндрического корпуса, тем самым увеличивая степень охлаждения всего объема жидкости. Дополнительно для повышения эффективности теплоотвода в верхней части цилиндрического корпуса инструмента на его внешней стороне установлены 18 радиаторных ребер, выполняющие роль вентилятора.
Схема прототипа и предлагаемой конструкция полезной модели представлены на:
Фиг. 1 - схема процесса сварки трением с перемешиванием;
Фиг. 2 - Устройство прототипа инструмента
Фиг. 3 - предлагаемое устройство полезной модели.
Самоохлаждающийся инструмент для сварки трением с перемешиванием расплава свариваемых деталей, содержащий вращающийся со скоростью 1000=1500 об/мин полый цилиндрический корпус 1, на нижней торцевой части которого с внешней стороны установлен заплечик 2 с штифтом 3, а полость заполнена охлаждающим быстроиспаряющимся хладагентом 4. По всей высоте внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1. сверху вниз по направлению его вращения выполнена винтовая канавка 5 прямоугольного сечения размером по глубине и высоте равными 8-12 мм и 4-6 мм соответственно, а на наружной поверхности цилиндрического корпуса в его верхней части на высоте 30-40% всего корпуса закреплены теплоотводящие радиаторные ребра 6 в виде набора 18 металлических пластин равномерно расположенных по образующей цилиндра корпуса.
Хвостовик 7 служит для закрепления инструмента в приводе вращения, хладагентом 4. На всей внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 нарезаны винтовые канавка 5. представляющие собой канал для организации центробежного потока жидкости при высоких оборотах корпуса. Направление канавок сверху вниз соответствует направлению вращения инструмента при работе. Винтовые канавки при вращении инструмента предназначены для усиления перекачивания потока хладагента из горячей зоны в верхнюю часть корпуса. На наружной поверхности корпуса 1 закреплены радиаторные ребра 6, предназначенные для дополнительного охлаждения корпуса 1 путем отвода тепла за счет циркуляции воздуха вокруг ребер. Заливка хладагента осуществляется через канал на верхнем торце камеры, закрываемый заглушкой 8.
Устройство работает следующим образом.
Предварительно в полость инструмента через канал на верхнем торце камеры заливают хладагент, канал герметично закрывают пробкой 8 (фиг. 3). После этого хвостовик инструмента 3 закрепляют в приводе вращения установки. Затем инструмент, вращая по часовой стрелке, подводят в зону стыковки свариваемых поверхностей и начинают высокооборотное вращение инструмента и погружение штифта 3 в расплав свариваемых деталей до создания необходимого осевого усилия заплечика 2. После этого включают горизонтальную подачу и продолжая вращать инструмент, перемещают его вдоль свариваемых деталей в направлении сварки. Под действием осевого усилия и перемешивания пластифицированных в результате нагрева слоев металла образуется сварной шов.
Охлаждающая камера корпуса 1 с винтовыми канавками 5 на внутренней поверхности корпуса обеспечивает требуемую температуру в зоне шва и зоне термического влияния) а расположенные на внешней стороне цилиндрического корпуса радиаторные ребра, работая как вентилятор, обеспечивают дополнительное охлаждение инструмента и соответственно циркулирующей внутри корпуса жидкости. Система охлаждения позволяет использовать стандартные инструменты без доработки и не требует применение системы принудительной циркуляции хладагента.