RU2277465C1 - Friction welding method and tool for its implementing - Google Patents
Friction welding method and tool for its implementing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2277465C1 RU2277465C1 RU2004128737/02A RU2004128737A RU2277465C1 RU 2277465 C1 RU2277465 C1 RU 2277465C1 RU 2004128737/02 A RU2004128737/02 A RU 2004128737/02A RU 2004128737 A RU2004128737 A RU 2004128737A RU 2277465 C1 RU2277465 C1 RU 2277465C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mandrel
- tool
- welding
- angle
- axis
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к сварке металлов, более конкретно, к сварке трением, и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении, судостроении и других отраслях машиностроения и строительства для соединения листовых деталей и узлов конструкций из различных материалов, в том числе несвариваемых и ограниченно свариваемых плавлением с целью повышения надежности и прочности сварных швов.The invention relates to the welding of metals, more specifically to friction welding, and can be used in rocket science, aircraft manufacturing, shipbuilding and other engineering and construction industries for joining sheet metal parts and structural units from various materials, including non-welded and limited welded by fusion for the purpose increase the reliability and strength of welds.
Уровень техникиState of the art
Известен способ сварки металлов трением для соединения "в стык" листовых деталей, по которому вращающийся инструмент, выполненный в виде стержня с напаянным наконечником, погружают в стык соединяемых деталей и перемещают его вдоль линии стыка, перенося нагретый ротационным трением материал в зону, освобождаемую сзади движущегося инструмента. При этом при достижении пластичности материалов в зоне стыка к инструменту прикладывают осевое усилие (см. А.С. СССР №195846, кл. МПК В 23 К, 1967 г.).A known method of welding metals by friction for joining sheet metal parts, according to which a rotating tool made in the form of a rod with a soldered tip, is immersed in the joint of the parts to be joined and move it along the joint line, transferring the material heated by rotational friction to the area released from behind the moving tool. In this case, when reaching the ductility of materials in the joint zone, an axial force is applied to the tool (see AS USSR No. 195846, class IPC V 23 K, 1967).
Патент на аналогичное решение "Усовершенствование сварки трением" выдан английской фирме The Welding Institute (TWI) - международная заявка WO 93/10935 от 10.06.93 г. (приоритет от 1991 г.). Известные решения не позволяют получать стабильно надежный и прочный сварной шов.The patent for a similar solution, Improving Friction Welding, was granted to the English company The Welding Institute (TWI) - international application WO 93/10935 of 06/10/93 (priority of 1991). Known solutions do not allow to obtain a stably reliable and durable weld.
Известен способ сварки трением с перемешиванием, преимущественно для конструкционных элементов, полученных прессованием, включающий подгонку, установку и закрепление соединяемых элементов, соединение элементов между собой с помощью введения зонда (инструмента), выполненного с цилиндрической оправкой, снабженной на конце опорной поверхностью и соосно расположенным наконечником из материала более твердого, чем соединяемые материалы, вращаемого вокруг оси и перемещаемого вдоль линии соединения, для генерирования тепла трения и создания пластифицированной зоны материала элементов. Кроме того, способ включает воздействие на пластифицированную зону давлением, прикладываемым перпендикулярно поверхности материалов с помощью опорной поверхности, и создание улучшенного потока пластифицированного материала перпендикулярно и вертикально к кромкам соединяемых элементов за счет выступов на наконечнике (см. международную заявку WO 95/26254, МПК В 23 К 20/12, 1995 г.).A known method of friction welding with stirring, mainly for structural elements obtained by pressing, including fitting, installing and securing the connected elements, connecting the elements together by introducing a probe (tool) made with a cylindrical mandrel provided with a supporting surface at the end and a coaxially located tip from a material harder than the materials to be joined, rotated around the axis and moved along the connection line to generate friction heat and created I plasticized zone material elements. In addition, the method includes exposing the plasticized zone to a pressure applied perpendicular to the surface of the materials using the supporting surface, and creating an improved flow of plasticized material perpendicularly and vertically to the edges of the elements to be connected by protrusions on the tip (see international application WO 95/26254, IPC B 23 K 20/12, 1995).
Такое выполнение способа, по мнению авторов, позволяет улучшить гомогенизацию шва и за счет этого повысить его качество. Однако данный способ и инструмент не обеспечивают гарантированного получения высококачественного сварного шва и отсутствия в нем несплошностей, неоднородностей.This embodiment of the method, according to the authors, allows to improve the homogenization of the seam and thereby improve its quality. However, this method and tool do not provide guaranteed obtaining a high-quality weld and the absence of discontinuities and inhomogeneities in it.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является разработка такого способа сварки трением с использованием вращающегося стержня и инструмента для его реализации, которые позволили бы повысить качество сварного шва за счет создания плотной, мелкозернистой его структуры и отсутствия микродефектов.The objective of the invention is to develop such a method of friction welding using a rotating rod and a tool for its implementation, which would improve the quality of the weld due to the creation of a dense, fine-grained structure and the absence of microdefects.
В соответствии с изобретением поставленная задача достигается тем, что в способе сварки трением, преимущественно для конструкционных листовых элементов, включающем подгонку, установку и закрепление соединяемых элементов, соединение элементов между собой с помощью введения инструмента, выполненного в виде оправки, снабженной на торце опорной поверхностью и соосно расположенным выступающим рабочим стержнем, вращаемой вокруг оси, погружаемой рабочим стержнем в стык соединяемых элементов и перемещаемой вдоль него, для генерирования тепла трения и создания пластифицированной зоны материала элементов, воздействие на пластифицированную зону давлением, создаваемым опорной торцевой поверхностью, воздействие на пластифицированную зону осуществляют периодически изменяющимся по величине давлением с помощью оправки, выполненной с опорной поверхностью отклоненной от плоскости вращения на заданный угол.In accordance with the invention, the task is achieved in that in a method of friction welding, mainly for structural sheet elements, including fitting, installing and securing the joined elements, connecting the elements together by introducing a tool made in the form of a mandrel provided with an abutment surface at the end and coaxially located protruding working rod, rotatable around an axis, immersed by the working rod in the joint of the elements to be connected and moved along it, to generate heat To friction and create a plasticized zone of the material of the elements, the pressure on the plasticized zone by the pressure created by the supporting end surface, the impact on the plasticized zone is carried out by periodically varying pressure using a mandrel made with the supporting surface deviated from the plane of rotation by a predetermined angle.
Кроме того, в инструменте для осуществления способа, выполненном в виде оправки, связанной с приводом вращения и снабженной на торце опорной поверхностью и соосно расположенным рабочим стержнем, плоскость опорной поверхности выполнена отклоненной от плоскости вращения оправки на угол, равный 0,5-5°.In addition, in the tool for implementing the method, made in the form of a mandrel associated with a rotation drive and provided with an end face and a coaxially located working rod, the plane of the supporting surface is made deviated from the plane of rotation of the mandrel by an angle equal to 0.5-5 °.
Более того, в инструменте для осуществления способа опорная поверхность оправки в области малого угла с боковыми образующими оправки выполнена с фаской под углом к плоскости вращения оправки, равным 1,05-1,15 (β+α), где β - угол наклона оси инструмента при сварке, α - угол отклонения опорной поверхности от плоскости вращения.Moreover, in the tool for implementing the method, the supporting surface of the mandrel in the region of a small angle with the side generators of the mandrel is chamfered at an angle to the plane of rotation of the mandrel, equal to 1.05-1.15 (β + α), where β is the angle of inclination of the axis of the tool during welding, α is the angle of deviation of the supporting surface from the plane of rotation.
Такое выполнение способа и инструмента позволяет повысить качество сварного шва путем устранения микродефектов в виде несплошностей благодаря интенсификации процессов формирования структуры шва за счет введения силовых частотных пульсаций.This embodiment of the method and the tool improves the quality of the weld by eliminating microdefects in the form of discontinuities due to the intensification of the processes of formation of the structure of the weld due to the introduction of frequency power pulsations.
Перечень чертежейList of drawings
Изобретение поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:
- Фиг.1 показывает схему осуществления способа в аксонометрии с частичным вырезом листа по сварному шву;- Figure 1 shows a diagram of the implementation of the method in a perspective view with a partial cutout of the sheet along the weld;
- Фиг.2 показывает инструмент для осуществления способа с разрезом по оси оправки;- Figure 2 shows a tool for implementing the method with a cut along the axis of the mandrel;
- Фиг.3 показывает концевую часть инструмента при ведении сварки;- Figure 3 shows the end part of the tool when conducting welding;
- Фиг.4 показывает концевую часть оправки инструмента с удаленным рабочим стержнем;- Figure 4 shows the end part of the mandrel of the tool with a remote working rod;
- Фиг.5 показывает вид по стрелке А Фиг.4.- Figure 5 shows a view along arrow A of Figure 4.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Процесс соединения конструкционных элементов, например, двух листов 1 и 1' из высокопрочного алюминиевого сплава (см. Фиг.1) "в стык" по предлагаемому способу осуществляют в следующей последовательности.The process of connecting structural elements, for example, two sheets 1 and 1 'of high-strength aluminum alloy (see Figure 1) "in joint" by the proposed method is carried out in the following sequence.
Листы 1 и 1' собирают в специальном сборочно-сварочном зажимном приспособлении (на чертеже не показано). Производят подгонку и установку листов, обеспечивая при этом смыкание торцов кромок и плотное прилегание кромок к жесткой технологической подкладке. После чего выполняют закрепление листов и соединяемых кромок. Не допускаются в процессе сварки какие-либо перемещения кромок относительно зажимного приспособления.Sheets 1 and 1 'are assembled in a special assembly-welding fixture (not shown in the drawing). The sheets are adjusted and set, while ensuring the closure of the ends of the edges and the tight fit of the edges to a rigid technological lining. After that, the sheets and the joined edges are fixed. During the welding process, any movement of the edges relative to the clamping device is not allowed.
На собранные, подогнанные и зафиксированные таким образом соединяемые листы опускают инструмент, выполненный в виде оправки 2, снабженной на одном конце приводом вращения, а на нижнем торце - опорной поверхностью 5, выполненной отклоненной от плоскости вращения на заданный угол, и соосно расположенным выступающим рабочим стержнем 3. Инструмент опускают до соприкосновения рабочего стержня 3 с поверхностью листов 1 и 1'.A tool made in the form of a
Включают привод вращения 4 (см. Фиг.2) оправки 2 и медленно погружают вращающийся рабочий стержень 3 в стык соединяемых элементов для генерирования тепла трения и создания пластифицированной зоны материала свариваемых узлов (по мере их разогрева). Погружение рабочего стержня 3 производят на заданную глубину, например, на толщину свариваемого материала до появления контакта опорной поверхности 5 оправки 2 с поверхностью соединяемых элементов (Фиг.1). За время погружения рабочего стержня 3 в стык материал вокруг него нагревается до температуры, при которой он становится пластичным. После этого, не прекращая вращения рабочего стержня 3, начинают перемещение оправки со скоростью сварки VС вдоль линии соединения (Фиг.1). Рабочий стержень давит на пластифицированный материал соединяемых листов и, вращаясь, перемещает пластифицированный материал в зону, освобождающуюся сзади движущегося инструмента, где формируется сварочный шов 6 (Фиг.1).The
При этом осуществляют воздействие на пластифицированную зону давлением, создаваемым опорной торцевой поверхностью, за счет постоянного усилия, прилагаемого к оправке вдоль ее оси сверху вниз.In this case, the plasticized zone is affected by the pressure created by the supporting end surface, due to the constant force exerted on the mandrel along its axis from top to bottom.
Для повышения силы давления ось инструмента при сварке наклоняют на небольшой угол - β (2-3 градуса) (см. Фиг.3) и ведут процесс вершиной угла вперед. При этом сила давления опорной торцевой поверхности оправки раскладывается по осям Х и Z, то есть появляется вектор силы в направлениях вдоль оси инструмента (Z) и сварки (Х), способствующие лучшей динамике пластического течения материала и более стабильному формированию шва.To increase the pressure force, the axis of the tool during welding is tilted by a small angle - β (2-3 degrees) (see Figure 3) and the process is conducted with the apex of the angle forward. In this case, the pressure force of the supporting end surface of the mandrel is expanded along the X and Z axes, that is, a force vector appears in the directions along the tool axis (Z) and welding (X), which contribute to better dynamics of the plastic flow of the material and more stable formation of the seam.
Кроме постоянного давления, на пластифицированную зону воздействуют периодически изменяющимся по величине давлением с помощью оправки, выполненной с опорной поверхностью 5, отклоненной от плоскости вращения 7 на заданный угол α.In addition to constant pressure, the plasticized zone is affected by periodically varying pressure with the help of a mandrel made with a supporting
В процессе перемещения вращающегося инструмента вдоль линии соединения опорная поверхность 5 оправки 2 отклонена от поверхности соединяемых листов 1 и 1' на постоянный угол β (примерно 2-3 градуса) из-за наклона на этот угол оси инструмента. К углу β добавляется переменный угол α, вызванный отклонением опорной поверхности 5 от плоскости вращения 7 оправки. Поэтому в каждой точке поверхности свариваемых листов под опорной поверхностью 5 оправки 2 при ее вращении происходит периодическое переменное погружение опорной поверхности 5 оправки 2 в кромки соединяемых листов с наибольшей глубиной погружения на линии стыка сзади движущегося инструмента, то есть в зоне формирования шва. Вследствие этого на зону формирования шва создается переменное давление с максимальным амплитудным значением переменной силы давления позади рабочего стержня 3. Такая силовая пульсация увеличивает динамику деформации материала и других процессов и способствует формированию более плотной структуры материала шва, отсутствию в нем микродефектов.In the process of moving the rotating tool along the connection line, the supporting
Эффект уплотнения появляется при наличии угла и усиливается при увеличении угла до 4-5 градусов. Дальнейшее увеличение угла α приводит к нарушению формирования шва. При выборе угла α учитывают толщину соединяемых элементов и теплофизические свойства материала элементов. Угол увеличивают с увеличением толщины и при меньших значениях предела текучести материала соединяемых элементов.The compaction effect appears in the presence of an angle and increases with an increase in the angle to 4-5 degrees. A further increase in the angle α leads to a violation of the formation of the seam. When choosing the angle α, the thickness of the connected elements and the thermophysical properties of the material of the elements are taken into account. The angle increases with increasing thickness and at lower values of the yield strength of the material of the connected elements.
Инструмент для осуществления способа выполнен в виде оправки 2 (см. Фиг.2, 3), связанной с приводом вращения 4 и снабженной на торце опорной поверхностью 5 и соосно расположенным рабочим стержнем 3. При этом плоскость опорной поверхности 5 выполнена отклоненной от плоскости вращения 7(перпендикулярно оси вращения 8 оправки 2) на угол, равный 0,5-5°.The tool for implementing the method is made in the form of a mandrel 2 (see FIGS. 2, 3), connected with a
Приводом вращения 4 может служить, например, привод вертикально-фрезерного станка, в шпинделе которого устанавливают инструмент, а зажимное сборочно-сварочное приспособление с собранными под сварку соединяемыми листами устанавливают на каретке станка, после чего производят сварку.The
Следует отметить, что опорную поверхность 5 оправки 2 на практике выполняют с диаметром, превышающим диаметр рабочего стержня примерно в 2-2,5 раза.It should be noted that the supporting
Поскольку опорная поверхность 5 отклонена на угол α, то (см. Фиг.4, 5) она образует овал с большой осью 9 (ось симметрии) и малой осью 10. В сечении, проходящем через большую ось опорной поверхности 9 и ось вращения 8, образуются малый 11 и большой 12 углы между опорной поверхностью оправки 5 и образующими ее боковой поверхности. Чтобы упомянутый малый угол не оставлял глубоких рисок на поверхности сварного шва, опорная поверхность в области малого угла 11 выполнена с фаской 13 под углом 14 к плоскости вращения 7 оправки, равным 1,05-1,15(β+α), где β - угол наклона оси инструмента при сварке, α - угол отклонения опорной поверхности от плоскости вращения. Фаска 13 образована в виде конусной поверхности вокруг оси оправки 5 и может быть выполнена с максимальным размером 17, равным 0,8-1,5 мм на большой оси.Since the supporting
Рабочий стержень 3 может быть выполнен сменным. Его вводят по ходовой посадке в канал оправки 2 до упора 16 (см. Фиг.2) и фиксируют от выпадения из него винтом 15, а жесткая связь с оправкой может быть выполнена конструктивно по-разному, например, через шлицевое соединение. Упор 16 на рабочем стержне выполнен с диаметром, превышающим диаметр канала оправки не менее чем на 2,0 мм.The working
Поверхность рабочего стержня 3 может быть выполнена с различным рельефом: винтовая нарезка, выступы и углубления для усиления воздействия на пластическое течение материала в процессе сварки.The surface of the working
По предлагаемому способу выполнялась опытная сварка образцов из алюминиевого сплава АМг6. Исследования показали, что получаемый сварной шов имеет особо мелкозернистую структуру металла, что повышает его надежность и прочностные характеристики.The proposed method was performed experimental welding of samples from aluminum alloy AMg6. Studies have shown that the resulting weld has a particularly fine-grained metal structure, which increases its reliability and strength characteristics.
По сравнению с известными способами, использующими инструмент с опорной поверхностью, лежащей в плоскости вращения инструмента, предлагаемый способ и инструмент позволяют повысить стабильность получения плотного сварного шва даже при предельных параметрах сварки, что повышает надежность способа.Compared with known methods using a tool with a supporting surface lying in the plane of rotation of the tool, the proposed method and tool can improve the stability of obtaining a tight weld even with extreme welding parameters, which increases the reliability of the method.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004128737/02A RU2277465C1 (en) | 2004-09-29 | 2004-09-29 | Friction welding method and tool for its implementing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004128737/02A RU2277465C1 (en) | 2004-09-29 | 2004-09-29 | Friction welding method and tool for its implementing |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004128737A RU2004128737A (en) | 2006-03-27 |
| RU2277465C1 true RU2277465C1 (en) | 2006-06-10 |
Family
ID=36388433
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004128737/02A RU2277465C1 (en) | 2004-09-29 | 2004-09-29 | Friction welding method and tool for its implementing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2277465C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101670483B (en) * | 2009-10-21 | 2011-06-15 | 哈尔滨工业大学 | Fill type stirring friction plug repair welding method and welding tool thereof |
| RU2569271C1 (en) * | 2012-04-06 | 2015-11-20 | ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН | Welding of steel sheets by friction with mixing |
| RU2621514C2 (en) * | 2015-11-25 | 2017-06-06 | Акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Tool for friction stir welding |
| RU2634402C1 (en) * | 2016-07-04 | 2017-10-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing |
| CN110573289A (en) * | 2017-08-22 | 2019-12-13 | 日本轻金属株式会社 | Method for manufacturing liquid cooling jacket |
| RU2822529C1 (en) * | 2023-07-21 | 2024-07-08 | Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Method of producing tee compound |
-
2004
- 2004-09-29 RU RU2004128737/02A patent/RU2277465C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101670483B (en) * | 2009-10-21 | 2011-06-15 | 哈尔滨工业大学 | Fill type stirring friction plug repair welding method and welding tool thereof |
| RU2569271C1 (en) * | 2012-04-06 | 2015-11-20 | ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН | Welding of steel sheets by friction with mixing |
| RU2621514C2 (en) * | 2015-11-25 | 2017-06-06 | Акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" | Tool for friction stir welding |
| RU2634402C1 (en) * | 2016-07-04 | 2017-10-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing |
| CN110573289A (en) * | 2017-08-22 | 2019-12-13 | 日本轻金属株式会社 | Method for manufacturing liquid cooling jacket |
| RU2822529C1 (en) * | 2023-07-21 | 2024-07-08 | Акционерное общество "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Method of producing tee compound |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004128737A (en) | 2006-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Amini et al. | Study of ultrasonic vibrations’ effect on friction stir welding | |
| JP6350334B2 (en) | Joining method and composite rolled material manufacturing method | |
| US7275675B1 (en) | Friction stir weld tools | |
| EP0752926B1 (en) | Friction stir welding | |
| EP3332904A1 (en) | Laser welding method | |
| US20070057015A1 (en) | Tapered friction stir welding and processing tool | |
| US20110180587A1 (en) | Friction stir welding tool | |
| EP0615480A1 (en) | Improvements relating to friction welding. | |
| US20200384569A1 (en) | Joining process for neutron absorbing materials | |
| Martin et al. | Friction stir welding technology for marine applications | |
| RU2277465C1 (en) | Friction welding method and tool for its implementing | |
| RU2330749C2 (en) | Method of friction welding with material mixing and device for welding | |
| JPH11333572A (en) | Friction-stirr-welding method | |
| Ciliberto et al. | FSW of T joints in overlap configuration: process optimization in joining dissimilar aluminium alloys for the aeronautic application | |
| Raturi et al. | Tensile strength and failure of dissimilar friction stir welded joints between 6061-T6 and 2014-T6 aluminum alloys | |
| Aldanondo et al. | Mechanical and microstructural properties of FSW lap joints | |
| Harwani et al. | Effect of shoulder diameter on friction stir welding of Al 6061 to SS 304 | |
| Swaminathan et al. | Experimental study of mechanical and metallurgical properties of friction stir welded dissimilar aluminum alloys | |
| JP6429104B2 (en) | Friction stir joint | |
| RU2126738C1 (en) | Method of friction welding with mixing and permanent probe for use in friction welding | |
| CN208853924U (en) | A kind of Friction Stir Welding device | |
| Buffa et al. | Friction stir welding of tailored joints for industrial applications | |
| US20180091028A1 (en) | Friction Stir Welding Rotor Coils | |
| CN114192983A (en) | Laser self-fluxing welding method | |
| Behmand et al. | Interfacial and mechanical behavior of AA5456 filling friction-stir-welded lap joints using similar and dissimilar pins |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180930 |