RU184619U1 - Твердосплавный инструмент для сварки трением с перемешиванием - Google Patents
Твердосплавный инструмент для сварки трением с перемешиванием Download PDFInfo
- Publication number
- RU184619U1 RU184619U1 RU2018124861U RU2018124861U RU184619U1 RU 184619 U1 RU184619 U1 RU 184619U1 RU 2018124861 U RU2018124861 U RU 2018124861U RU 2018124861 U RU2018124861 U RU 2018124861U RU 184619 U1 RU184619 U1 RU 184619U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tool
- shoulders
- tungsten carbide
- pin
- diameter
- Prior art date
Links
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 22
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 11
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 229910000937 TWIP steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области сварки трением с перемешиванием. Инструмент изготовлен из керамики на основе карбида вольфрама, включающий рабочую часть в виде штыря, представляющего собой сферу, центр которой посажен ниже заплечиков на 0,2 – 0,7 мм, при этом отношение диаметра заплечиков к диаметру штыря находится в диапазоне от 1,9 до 2,3. Полученные геометрические соотношения позволяют изготавливать устойчивые к деформации и разрушению инструменты из карбида вольфрама. При этом возможно пропорциональное масштабирование без потери качества, например, когда необходимо изготовить инструмент для сварки стальных листов большей толщины.
Description
Полезная модель относится к области сварки трением с перемешиванием.
Из уровня техники известен инструмент для сварки трением с перемешиванием (US № 9656345 B2 от 23 мая 2017) из карбида вольфрама со связующим элементом в виде никеля или кобальта, содержащий на своей рабочей поверхности 2 покрытия, нанесённых методом химического осаждения (CVD): первое покрытие из нитридов, карбидов, карбонитридов, оксикарбидов, оксикарбонитридов Ti или Zr служит переходным слоем, и второе, рабочее покрытие из Al2O3, которое наносится на первое и имеет среднюю толщину более 5 мкм.
Недостатком данного инструмента является то, что для повышения устойчивости инструмента к разрушению были использованы покрытия. Так как сварка трением с перемешиванием сталей проходит при температурах от 700 до 1000 °С различие в коэффициентах термического расширения между покрытием и подложкой (твердым сплавом) может привести к растрескиванию или отслоению покрытия, к тому же карбид вольфрама обладает способностью к деформации при повышенных температурах, что в случае значительных нагрузок может также привести к растрескиванию и отслоению покрытия, к деформации не способного. Кроме того, изготовление крупных инструментов по такой технологии может представлять значительные трудности, так как увеличение площади инструмента приводит к увеличению площади осаждаемого покрытия, а это, в свою очередь приводит к увеличению значений упругих напряжений действующих в интерфейсе покрытие-инструмент, а следовательно к ухудшению адгезии покрытия.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание твердосплавного инструмента для сварки трением с перемешиванием способного работать длительное время не разрушаясь при сварке высокопрочных материалов.
Поставленная задача решается посредством инструмента для сварки трением с перемешиванием, изготовленного из керамики на основе карбида вольфрама, включающего рабочую часть в виде штыря, представляющего собой сферу, центр которой посажен ниже заплечиков на 0,2 – 0,7 мм, при этом отношение диаметра заплечиков к диаметру штыря находится в диапазоне от 1,9 до 2,3.
Техническим результатом является устойчивость инструмента к разрушению и чрезмерным деформациям даже при критических режимах сварки, за счет придания инструменту из твердосплава предлагаемой геометрической формы.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен чертёж экспериментально определённой оптимальной формы инструмента из карбида вольфрама.
На фиг. 2 представлено бездефектное сварное соединение TWIP стали, полученное с помощью инструмента, изготовленного по чертежу, представленному на фиг. 1.
На фиг. 3 приведён чертёж инструмента, нарисованный по пропорциям, полученным из чертежа на фиг.1.
На фиг. 4 приведена фотография инструмента в держателе, изготовленного по чертежу представленному на фиг. 3, и испытанному на образцах TWIP стали.
Осуществление полезной модели.
Для сварки трением с перемешиванием высокопрочных материалов с высокой температурой плавления, например сталей, требуются материалы, значительно превосходящие их как по прочностным, так и по температурным диапазонам эксплуатации. На сегодняшний день известно несколько материалов, позволяющих изготавливать инструменты для сварки трением с перемешиванием сталей, это керамики на основе поликристаллического кубического нитрида бора (US 8074865 B2 от 13 декабря 2011) и керамики на основе карбида вольфрама (US 2010/0258612 A1 от 14 октября 2010).
Но даже в этом случае изготовленные инструменты быстро приходят в негодность деформируясь, растрескиваясь и разрушаясь уже после нескольких метров, или даже нескольких десятков сантиметров (в зависимости от класса стали и режима сварки) сварного соединения [F.C. Liu, Y. Hovanski, M.P. Miles, C.D. Sorensen, T.W. Nelson, A review of friction stir welding of steels: tool, material flow, microstructure, and properties, Journal of Materials Science & Technology 2018, v.34, pp. 39-57]. Поэтому задача продления ресурса инструментов из твёрдых сплавов актуальна и требует решения.
В нашем случаев в качестве твердосплава был выбран пруток диаметром 12,3 мм из карбида вольфрама с содержанием 10% кобальта, размером зерна 0,7 мкм и твёрдостью 91 HRA, из которого путём отрезания профиля с многократным поворотом, на погружном, электроэрозионном, проволочно-вырезном станке AQ300L фирмы Sodick был изготовлен ряд прототипов инструментов с диаметром заплечиков 12,3 и разными формами штырей высотой 1,5 мм и диаметром основания 4 мм, а именно: цилиндр, конус и сфера (центр которой был посажен на 0,57 мм ниже заплечиков). В качестве материала, на котором отрабатывалась устойчивость инструментов к деформации и разрушению использовалась высокомарганцевая TWIP сталь 0,6C-18Mn-0.1N.
Эксперименты показали, что цилиндрический и конический штыри претерпевали серьёзные деформации и разрушались уже после 200 мм сварного соединения, тогда как сферический штырь позволял варить швы суммарной длиной более 1 метра, не претерпевая существенных изменений. Но при этом заплечики значительно деформировались, растрескивались и разрушались в процессе сварки.
Для оптимизации формы заплечиков был изготовлен ряд инструментов с заплечиками разного диаметра и штырём в виде сферы. Экспериментально установлено, что при соотношении диаметров заплечиков и штыря больше 2,3 происходит значительная деформация заплечиков, а при соотношении меньше 1,9 в сварном соединении появляется дефект-канал на всю глубину и длину шва, устранить который не получалось ни увеличением прижимной силы, ни изменением режимов сварки.
На основании полученных данных об оптимальных геометрических соотношениях был изготовлен инструмент согласно чертежу, представленному на фиг. 1. Где штырь 1 представляет собой сферу диаметром 4 мм, центр которой 2 посажен ниже заплечиков 3 на 0,57 мм, а заплечики 3 имеют диаметр 8,5 мм, так что соотношение диаметров заплечиков и штыря составляет 2,12. Последующая сварка TWIP стали показала, что инструмент позволяет получать бездефектные соединения даже при значительном перегреве инструмента (фиг.2), а инструмент не меняет своей геометрической формы. Дальнейшие испытания на критическом режиме сварки (1000 об/мин, 150 мм/мин) показали, что плечики не деформируются вовсе, а штырь может претерпевать деформацию из сферы в цилиндр высотой 1,1 мм и диаметром 4 мм, после чего дальнейшее формоизменение штыря прекращается. Сварка же на щадящих режимах (например 700 об/мин, 300 мм/мин) не приводит к заметному формоизменению штыря, при этом также получаются бездефектные соединения.
Для проверки универсальности полученных геометрических соотношений был нарисован (фиг.3), изготовлен и испытан инструмент (фиг.4) со штырём 1, представляющим собой сферу диаметром 6 мм, центр которой 2 посажен ниже заплечиков 3 на 0,57 мм, и заплечиками 3 диаметром 12,3 мм. Испытания показали отсутствие каких-либо значимых следов деформации или износа заплечиков и штыря (фиг.4), при этом на всех проверенных режимах сварки соединения получались бездефектными.
Следовательно, полученные геометрические соотношения позволяют изготавливать устойчивые к деформации и разрушению инструменты из карбида вольфрама. При этом возможно пропорциональное масштабирование без потери качества, например, когда необходимо изготовить инструмент для сварки стальных листов большей толщины.
Claims (1)
- Инструмент для сварки трением с перемешиванием, изготовленный из керамики на основе карбида вольфрама, содержащий рабочую часть в виде штыря, представляющего собой сферу, и заплечики, при этом центр сферы расположен ниже заплечиков на 0,2 – 0,7 мм, а отношение диаметра заплечиков к диаметру штыря составляет(1,9 - 2,3).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018124861U RU184619U1 (ru) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | Твердосплавный инструмент для сварки трением с перемешиванием |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018124861U RU184619U1 (ru) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | Твердосплавный инструмент для сварки трением с перемешиванием |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU184619U1 true RU184619U1 (ru) | 2018-11-01 |
Family
ID=64103814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018124861U RU184619U1 (ru) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | Твердосплавный инструмент для сварки трением с перемешиванием |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU184619U1 (ru) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1074685A1 (ru) * | 1982-10-20 | 1984-02-23 | Пермское производственное объединение "Моторостроитель" им.Я.М.Свердлова | Инструмент дл заварки отверсти в детали трением |
| US7686202B1 (en) * | 2006-09-29 | 2010-03-30 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Gimbaled-shoulder friction stir welding tool |
| US20100258612A1 (en) * | 2007-11-16 | 2010-10-14 | Boehlerit Gmbh & Co.Kg. | Friction stir welding tool |
| US8074865B2 (en) * | 2004-04-02 | 2011-12-13 | Smith International, Inc. | Gradient polycrystalline cubic boron nitride materials and tools incorporating such materials |
| US8857695B2 (en) * | 2011-03-29 | 2014-10-14 | Osaka Prefecture University Public Corporation | Tool and method for friction stir processing using the friction stir processing tool |
| US9073148B2 (en) * | 2010-12-16 | 2015-07-07 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Friction stir spot welding device and member support therefor |
| US9162318B2 (en) * | 2011-03-29 | 2015-10-20 | Isel Co., Ltd | Friction stir processing apparatus and friction stir processing method |
| US9656345B2 (en) * | 2011-11-11 | 2017-05-23 | Sandvik Intellectual Property Ab | Friction stir welding tool made of cemented tungsten carbide with nickel and with a AL2O3 surface coating |
| US10016839B1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-07-10 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Friction stir welding tool and a method of fabricating the same |
-
2018
- 2018-07-06 RU RU2018124861U patent/RU184619U1/ru active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1074685A1 (ru) * | 1982-10-20 | 1984-02-23 | Пермское производственное объединение "Моторостроитель" им.Я.М.Свердлова | Инструмент дл заварки отверсти в детали трением |
| US8074865B2 (en) * | 2004-04-02 | 2011-12-13 | Smith International, Inc. | Gradient polycrystalline cubic boron nitride materials and tools incorporating such materials |
| US7686202B1 (en) * | 2006-09-29 | 2010-03-30 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Gimbaled-shoulder friction stir welding tool |
| US20100258612A1 (en) * | 2007-11-16 | 2010-10-14 | Boehlerit Gmbh & Co.Kg. | Friction stir welding tool |
| US9073148B2 (en) * | 2010-12-16 | 2015-07-07 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Friction stir spot welding device and member support therefor |
| US8857695B2 (en) * | 2011-03-29 | 2014-10-14 | Osaka Prefecture University Public Corporation | Tool and method for friction stir processing using the friction stir processing tool |
| US9162318B2 (en) * | 2011-03-29 | 2015-10-20 | Isel Co., Ltd | Friction stir processing apparatus and friction stir processing method |
| US9656345B2 (en) * | 2011-11-11 | 2017-05-23 | Sandvik Intellectual Property Ab | Friction stir welding tool made of cemented tungsten carbide with nickel and with a AL2O3 surface coating |
| US10016839B1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-07-10 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Friction stir welding tool and a method of fabricating the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cantero et al. | Analysis of tool wear patterns in finishing turning of Inconel 718 | |
| Zhou et al. | Study of surface quality in high speed turning of Inconel 718 with uncoated and coated CBN tools | |
| Li et al. | An investigation on machined surface quality and tool wear during creep feed grinding of powder metallurgy nickel-based superalloy FGH96 with alumina abrasive wheels | |
| US8056793B2 (en) | Apparatus and method for friction surfacing using a consumable pin tool | |
| Nadolny | Wear phenomena of grinding wheels with sol–gel alumina abrasive grains and glass–ceramic vitrified bond during internal cylindrical traverse grinding of 100Cr6 steel | |
| Soo et al. | High speed turning of Inconel 718 using PVD-coated PCBN tools | |
| WO2014141174A1 (en) | Method of joining sintered parts of different sizes and shapes | |
| RU2420393C2 (ru) | Инструмент для изготовления деталей из композитных материалов | |
| US11986901B2 (en) | Friction stir welding tool and friction stir welding method | |
| WO2006098433A1 (ja) | ハニカム構造体成形用口金の製造方法及びハニカム構造体成形用口金 | |
| Olsson et al. | Evaluation of tool wear mechanisms and tool performance in machining single-phase tungsten | |
| Dai et al. | Effects of undeformed chip thickness on grinding temperature and burn-out in high-efficiency deep grinding of Inconel718 superalloys | |
| US20160097626A1 (en) | Probes, styli, systems incorporating same and methods of manufacture | |
| Dutta et al. | Progressive flank wear and machining performance of silver toughened alumina cutting tool inserts | |
| Ramanujam et al. | Modeling and optimization of cutting parameters in dry turning of Inconel 718 using coated carbide inserts | |
| Zhu et al. | Effect of grinding wheel speed on self-sharpening ability of PCBN grain during grinding of nickel-based superalloys with a constant undeformed chip thickness | |
| JP2015502257A (ja) | ニッケルを含みかつａｌ２０３表面コーティングを有する超硬炭化タングステンから作られる摩擦撹拌接合工具 | |
| Criado et al. | Study of the performance of PCBN and carbide tools in finishing machining of Inconel 718 with cutting fluid at conventional pressures | |
| RU184619U1 (ru) | Твердосплавный инструмент для сварки трением с перемешиванием | |
| Bahuguna et al. | Mechanical and abrasive wear properties of friction stir welded joints of aluminum alloy AA6061-T6 with/without nickel coating | |
| Rasaee et al. | A comprehensive study of parameters effect on mechanical properties of butt friction stir welding in aluminium 5083 and copper | |
| CN105980632B (zh) | 冲击结构、包括冲击结构的挖掘工具及其制作方法 | |
| Fontanive et al. | Surface quality evaluation after milling Inconel 718 with cutting edge preparation | |
| CN109127170A (zh) | 一种高精度耐磨的金刚石喷片 | |
| Sivakumar et al. | Wear characterization of ceramic tools (SiAlON and Al2O3+ SiCWhisker) with dry and wet turning of Nimonic 75 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB9K | Licence granted or registered (utility model) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200518 Effective date: 20200518 |