СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ ТОРЦОВ В ВИДЕ ЗАМКА ДЛЯ РАЗНОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
METHOD FOR PREPARING THE SURFACE OF THE LOCK-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, стыконахлесточных 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.
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 необходимо увеличивать геометрические размеры штыря и заплечика, что приводит к повышению динамических и статических нагрузок на установку для сварки трением с перемешиванием.
Наиболее близким к предлагаемому способу является технология получения разнородных (Способ получения сварного узла сваркой внахлест и сварной узел, полученный сваркой внахлест. RU №2497642 С2), которые не имеют зазоров за пределами сварного шва, где может осаждаться влага или другие вещества.
Недостатками способа являются трудоемкость и высокая материалоемкость, обусловленная наличием технологических припусков. Кроме того, способ характеризуется недостаточно высокой прочностью сцепления слоев, и невозможностью использования для многослойных заготовок из трудносвариваемых материалов.
Предлагается использовать подготовку кромок в виде внахлест (замок) для сварки разнородных материалов, отличающиеся тем, что на соприкасающихся поверхностях не выполняются выступы и в дальнейшем не обрезаются излишки металла. Ширина полки (замка) должна быть меньше толщина штыря инструмента для СТП. Толщина полки равна половине свариваемых образцов. В верхней части сварного соединения располагается пластичный материал, а в нижней части тугоплавкий. Ввод штыря инструмента происходит по центральной линии технологической кромки. Увеличение габаритных размеров разделки кромок и неперекрытие штырем инструмента свариваемых образцов приводит к появлению концевых дефектов в виде несплавления.
Данный технолого-конструкторский прием позволяет увеличить поверхность взаимодействия и активировать процесс перемешивания путем лифтинга из придонной части сварного шва менее пластичного материала (медного сплава Ml) в мягкий (алюминиевый сплав АД1), повлиять 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 кромки в виде полки и воздействие на деталь из более легкоплавкого материала вращающимся штырем цилиндрическим инструментом для сварки трением с лифтингом тугоплавкого материала из придонной 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 представлен вид подготовки кромок в виде замка (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 представлены виды подготовок кромок замока, где 1 - заплечик инструмента, 2 - деталь из более тугоплавкого материала, содержащая выступ в виде полки, 3 - штырь инструмента, 4 - деталь из более легкоплавкого материала с полкой. Представлены габаритные размеры кромок и взаимное расположение материалов, а так же место ввода инструмента.
На фиг. 3 представлена общая фотография образцов для проведения механических испытаний, где П1…4 - замок. Изготовленных из алюминиевого (АД1) и медного (M1) сплавов.
На фиг. 4 представлен микрошлиф сварного соединения технологической кромки замока 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 состыковывается 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 серединную 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. 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 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 - 25 мм/мин;
Полученные соединения испытаны на разрывной машине Р-5.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Из таблицы видно, что наибольшей характеристикой механических свойств обладает замок и превышает в 1,8 раз стыковое соединение без подготовки кромок и в 1,1 раз больше, чем при кромке в виде «скосе 60». 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.