RU2746930C1

RU2746930C1 - Device and tool for friction welding with mixing of mainly sheet workpieces made of titanium and its alloys

Info

Publication number: RU2746930C1
Application number: RU2020134865A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Колубаев; Алексей Николаевич Иванов; Александр Андреевич Елисеев; Валерий Евгеньевич Рубцов; Виталий Владимирович Ежов; Алихан Ильнурович Амиров; Владимир Александрович Бакшаев; Иван Николаевич Ивашкин; Юрий Владимирович Никитин; Владимир Андреевич Батаев; Владимир Григорьевич Буров
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Чебоксарское Предприятие "Сеспель" (ЗАО "Чебоксарское Предприятие "Сеспель")
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2021-04-22

Abstract

FIELD: welding tools.SUBSTANCE: invention can be used to obtain permanent joints by friction welding with mixing of sheet blanks made of titanium and its alloys. The welding device is equipped with a liquid cooling system in the form of channels and cavities for the circulation of the cooling liquid. The supply and discharge of the cooling liquid is carried out through spindles mounted in a hollow cylindrical case, which is rigidly fixed to the case fixed part of the spindle assembly. Inside the mentioned case, there is an adapter for attaching the welding tool holder to the rotating shaft of the spindle assembly. The tool holder has a through central hole in which the tool is placed, having an internal cavity for the cooling liquid entering through a branch pipe passing through the central hole of the holder. The tool is made of a heat-resistant nickel-based alloy.EFFECT: invention provides an increase in the durability of the tool due to the choice of its material and effective cooling of the device during the welding process.6 cl, 5 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к сварке трением с перемешиванием и может быть использовано в различных отраслях промышленности для неразъемного соединения листовых заготовок из титана и его сплавов.The invention relates to friction stir welding and can be used in various industries for the permanent connection of sheet blanks from titanium and its alloys.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART

Известен инструмент для сварки трением с перемешиванием [RU 184619 U1], изготовленный из керамики на основе карбида вольфрама.Known tool for friction stir welding [RU 184619 U1], made of ceramics based on tungsten carbide.

Инструмент из карбида вольфрама широко используется в исследованиях сварки трением с перемешиванием титановых сплавов. Однако установлено, что карбид вольфрама обладает низкой износостойкостью в таких условиях, что связано с его адгезией в результате диффузии с образованием адгезионного слоя из карбида титана, что также ухудшает свойства сварного шва [1].Tungsten carbide tools are widely used in the research of friction stir welding of titanium alloys. However, it was found that tungsten carbide has low wear resistance under such conditions, which is associated with its adhesion as a result of diffusion with the formation of an adhesion layer of titanium carbide, which also deteriorates the properties of the weld [1].

Возможность использования беспримесного вольфрама, сплава вольфрама с рением и карбида вольфрама для сварки черных металлов, и материалов на основе кобальта, керамических или металлокерамических материалов для других высокотемпературных приложений рассматривается в международной заявке [WO 9952669, опубл. 1999-10-21].The possibility of using pure tungsten, an alloy of tungsten with rhenium and tungsten carbide for welding ferrous metals, and materials based on cobalt, ceramic or cermet materials for other high-temperature applications is discussed in the international application [WO 9952669, publ. 1999-10-21].

Технически чистый вольфрам быстро изнашивается при сварке трением с перемешиванием титановых сплавов [2].Technically pure tungsten wears out quickly during friction stir welding of titanium alloys [2].

При использовании инструмента из сплава на основе кобальта возникает сильный адгезионный контакт между инструментом и свариваемым материалом, что также ухудшает свойства сварного соединения [3]. Помимо высокой адгезии, стойкость кобальтовых материалов ненамного выше, чем у никелевых, но значительно выше стоимость. Хорошей износоустойчивостью и жаростойкостью обладают сплавы W-Re, однако они слишком сложны в изготовлении и стоят очень дорого, то есть экономический эффект от применения материала невысокий.When using a tool made of a cobalt-based alloy, a strong adhesive contact occurs between the tool and the material to be welded, which also deteriorates the properties of the welded joint [3]. In addition to high adhesion, the resistance of cobalt materials is not much higher than that of nickel materials, but the cost is significantly higher. W-Re alloys have good wear resistance and heat resistance, however, they are too complicated to manufacture and are very expensive, that is, the economic effect from the use of the material is low.

Известно устройство для сварки трением с перемешиванием с комбинированным жидкостно-газовым охлаждением [RU 2270083 С2, опубл. 20.02.2006], содержащее инструмент и средство жидкостного охлаждения места сварки, при этом оно снабжено средством газового охлаждения в виде сопла, средство жидкостного охлаждения выполнено в виде охлаждающего кольца или незамкнутого охлаждающего кольца, снабженного соплами для подачи охлаждающей жидкости, окружающего инструмент и перемещающегося совместно с ним, при этом сопла расположены на охлаждающем кольце с возможностью локального опрыскивания охлаждающей жидкостью тыльной зоны и смежных боковых зон инструмента. Изобретение может быть использовано при сварке трением сплавов с высоким сродством к кислороду и/или с высокой энергией пластификации.Known device for friction stir welding with combined liquid-gas cooling [RU 2270083 C2, publ. 02/20/2006], containing a tool and liquid cooling means for the welding point, while it is equipped with a gas cooling means in the form of a nozzle, the liquid cooling means is made in the form of a cooling ring or an open cooling ring equipped with nozzles for supplying coolant surrounding the tool and moving together with it, while the nozzles are located on the cooling ring with the possibility of local spraying with cooling liquid of the rear zone and adjacent side zones of the tool. The invention can be used in friction welding of alloys with high affinity for oxygen and / or with high plasticization energy.

К недостаткам вышеприведенного технического решения можно отнести то, что средство жидкостного охлаждения обеспечивает охлаждение, в основном, свариваемого материала, что неопределенным образом сказывается на процессе формирования сварного соединения, а также возможен контакт хладагента со свариваемым материалом. Кроме того, дополнительный обдув сдвигает охлаждающую жидкость за инструмент, что нарушает условия охлаждения. The disadvantages of the above technical solution include the fact that the liquid cooling means provides cooling, mainly, of the material to be welded, which indefinitely affects the process of forming the welded joint, and contact of the coolant with the material to be welded is also possible. In addition, additional airflow pushes the coolant behind the tool, which disrupts cooling conditions.

Известна полезная модель Китая [CN 207272424 (U), опубл. 27.04.2018]. В полезной модели описана сварка трением с перемешиванием заготовок из титанового сплава сварочным инструментом комбинированным с водоохлаждением, устройство включает в себя главный вал сварочного аппарата, зажимное устройство сварочного аппарата и установленную на зажимное устройство перемешивающую головку, главный вал сварочного аппарата снабжен отверстием для охлаждения, впускной трубой для нисходящего отверстия и выпускной трубой. Результат: возможность в реальном времени охладить главный вал в процессе сварки до температуры редуктора, что может быть своевременным, и обеспечить поддержание его рабочей температуры.Known utility model of China [CN 207272424 (U), publ. 04/27/2018]. The utility model describes friction stir welding of titanium alloy workpieces with a welding tool combined with water cooling, the device includes the main shaft of the welding machine, the clamping device of the welding machine and the stirring head mounted on the clamping device, the main shaft of the welding machine is equipped with a cooling hole, an inlet pipe for the downhole and the outlet pipe. The result: the ability to cool the main shaft in real time during the welding process to the temperature of the gearbox, which can be timely, and ensure that its operating temperature is maintained.

К недостаткам вышеприведенного технического решения можно отнести то, что оно предназначено для предотвращения перегрева только шпиндельного вала сварочной машины, что является неэффективным, так как охлаждается область, достаточно удаленная от зоны сварки. Также охлаждение не является проточным и будет иметь сниженную эффективность. Кроме того, отсутствует газовая защита зоны сварки, что делает данное устройство непригодным для эффективной сварки титановых сплавов.The disadvantages of the above technical solution can be attributed to the fact that it is intended to prevent overheating of only the spindle shaft of the welding machine, which is ineffective, since the area that is sufficiently remote from the welding zone is cooled. Also, cooling is not flow-through and will have a reduced efficiency. In addition, there is no gas shielding of the weld zone, which makes this device unsuitable for efficient welding of titanium alloys.

Известно устройство для сварки трением с перемешиванием, раскрытое в [US 7121448 (B2), опубл. 17.10.2006], предназначенное в том числе для сварки титановых сплавов. Устройство для сварки трением с перемешиванием также включает в себя кольцевой шпиндель, имеющий внутреннюю часть и ось, причем поверхность внутренней части кольцевого шпинделя, определяет по меньшей мере, один или несколько каналов охлаждения, причем один или несколько каналов охлаждения могут содержать охлаждающую жидкость. Охлаждающая жидкость предназначена для охлаждения штифтового инструмента и/или буртика. Чтобы удерживать охлаждающую жидкость в одном или нескольких каналах в присутствии вращающихся компонентов, используются одно или несколько уплотнений, таких как уплотнительные кольца или тому подобное. Штифтовой инструмент может быть изготовлен из материала, подобного или отличного от материала, содержащего заготовку, такого как тугоплавкий металлический сплав (сплав молибдена, сплав вольфрама и т. д.).Known device for friction stir welding, disclosed in [US 7121448 (B2), publ. 10/17/2006], intended, among other things, for welding titanium alloys. The friction stir welding apparatus also includes an annular spindle having an inner portion and an axis, the surface of the inner portion of the annular spindle defining at least one or more cooling channels, where one or more cooling channels may contain a coolant. The coolant is designed to cool the pin and / or bead. One or more seals such as O-rings or the like are used to retain coolant in one or more passages in the presence of rotating components. The pin tool can be made of a material similar to or different from the material containing the workpiece, such as a refractory metal alloy (molybdenum alloy, tungsten alloy, etc.).

К недостаткам данного технического решения относится то, что при таком способе подвод охлаждающей жидкости (хладагента) осуществляется непосредственно через шпиндель, что приводит к снижению охлаждающей способности проходящего через него хладагента за счет его разогрева от узлов и элементов самого шпинделя. Значит, требуемая степень охлаждения инструмента будет достигаться гораздо дольше, а также потребует увеличения его расхода за счет необходимости заполнения каналов в шпинделе, которые могут оказаться достаточно протяженными. Кроме того, такое решение существенно усложняет конструкцию шпинделя и снижает его надежность.The disadvantages of this technical solution include the fact that with this method, the coolant (coolant) is supplied directly through the spindle, which leads to a decrease in the cooling capacity of the coolant passing through it due to its warming up from the nodes and elements of the spindle itself. This means that the required degree of cooling of the tool will be achieved much longer, and will also require an increase in its consumption due to the need to fill the channels in the spindle, which can be quite long. In addition, such a solution significantly complicates the design of the spindle and reduces its reliability.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

В основу изобретения поставлена задача преодоления вышеупомянутых недостатков и создания устройства и инструмента для сварки трением с перемешиванием листовых заготовок из титана и его сплавов.The invention is based on the task of overcoming the aforementioned disadvantages and creating a device and tool for friction stir welding of sheet blanks made of titanium and its alloys.

Технический результат - повышение стойкости инструмента в процессе сварки заготовок из титана и его сплавов и повышение прочностных свойств сварного соединения.The technical result is an increase in tool durability during welding of workpieces made of titanium and its alloys and an increase in the strength properties of the welded joint.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое устройство для сварки трением с перемешиванием листовых заготовок из титана и материалов на его основе содержащее сварочный инструмент и систему его жидкостного охлаждения, состоит из неподвижной и подвижной частей, при этом неподвижная часть представляет собой полый цилиндрический корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, который жестко крепится к корпусной неподвижной части шпиндельного узла оборудования для сварки трением с перемешиванием, а подвижная часть - переходник для закрепления держателя инструмента расположена внутри упомянутого корпуса и выполнена в виде ступенчатого цилиндра с центральным несквозным отверстием, который устанавливается во вращающийся вал упомянутого шпиндельного узла с фиксацией для передачи ему крутящего момента, при этом в центральном отверстии переходника также с фиксацией для передачи крутящего момента соосно установлен держатель инструмента, имеющий сквозное центральное отверстие, в котором в свою очередь соосно установлен сварочный инструмент, имеющий несквозное отверстие, выполненное со стороны его верхней части образующее полость для подвода охлаждающей жидкости непосредственно к инструменту, причем для циркуляции в устройстве охлаждающей жидкости в переходнике и держателе выполнена система каналов и полостей: держатель в переходнике установлен таким образом, что в верхней части его несквозного отверстия образуется полость, совмещенная с полостью инструмента каналом для подвода воды, образованным гайкой с патрубком, проходящим через центральное отверстие держателя и входящим в отверстие инструмента, а между внутренней поверхностью неподвижной части - корпуса и наружной поверхностью переходника сформированы две кольцевые полости, расположенные друг над другом и совмещенные: одна - верхняя с упомянутой полостью переходника и каналами переходника для подвода охлаждающей жидкости, а вторая - нижняя, совмещенная с каналами переходника и каналами держателя для её отвода.The task is achieved by the fact that the proposed device for friction stir welding of sheet blanks made of titanium and materials based on it, containing a welding tool and its liquid cooling system, consists of a stationary and a movable part, while the stationary part is a hollow cylindrical body with fittings for coolant supply and outlet, which is rigidly attached to the body stationary part of the spindle assembly of friction stir welding equipment, and the movable part - the adapter for fixing the tool holder is located inside the said body and is made in the form of a stepped cylinder with a central blind hole, which is installed in a rotating the shaft of the said spindle assembly with a fixation for transmitting torque to it, while in the central hole of the adapter, also with fixation for transmitting torque, a tool holder is coaxially installed, having a through central hole ie, in which, in turn, a welding tool is installed coaxially, having a blind hole made from the side of its upper part forming a cavity for supplying coolant directly to the tool, and a system of channels and cavities is made in the adapter and holder for circulation in the coolant device in the adapter and holder: holder installed in the adapter in such a way that a cavity is formed in the upper part of its blind hole, combined with the cavity of the tool by a channel for water supply formed by a nut with a pipe passing through the central hole of the holder and entering the hole of the tool, and between the inner surface of the stationary part - the body and the outer surface of the adapter formed two annular cavities located one above the other and aligned: one is the upper one with the said cavity of the adapter and the channels of the adapter for supplying the coolant, and the second is the lower one, aligned with the channels of the adapter and the channels of the holder for its withdrawal.

Предпочтительно, что в переходнике выполнено четыре канала, по два для каждой кольцевой полости, представляющие собой сквозные отверстия, выполненные перпендикулярно оси центрального несквозного отверстия переходника.It is preferable that the adapter has four channels, two for each annular cavity, representing through holes, made perpendicular to the axis of the central blind hole of the adapter.

Кроме того, инструмент представляет собой цельную цилиндрическую деталь, выполненную из жаропрочного сплава на основе никеля, предпочтительно ЖС6У либо ЖС32, состоящую из двух частей: хвостовика и рабочей части: выступающий стержень и опорный бурт.In addition, the tool is a one-piece cylindrical part made of a heat-resistant nickel-based alloy, preferably ZhS6U or ZhS32, consisting of two parts: a shank and a working part: a protruding rod and a support shoulder.

Хвостовик 29, устанавливаемый соосно в отверстие держателя инструмента, выполнен цилиндрической формы и имеет центральное несквозное отверстие для циркуляции в нем хладагента.The shank 29, installed coaxially in the hole of the tool holder, is cylindrical and has a central blind hole for circulating coolant therein.

Причем отверстие выполнено не сквозным таким образом, чтобы обеспечить максимальное приближение к рабочей части инструмента, при этом сохранив его прочность.Moreover, the hole is not made through in such a way as to ensure the maximum approximation to the working part of the tool, while maintaining its strength.

Кроме того, неподвижная часть устройства дополнительно содержит кожух с патрубком, через который обеспечивается подвод инертного газа, например, аргона, к инструменту и зоне сварки материала.In addition, the stationary part of the device additionally contains a casing with a pipe through which an inert gas, such as argon, is supplied to the tool and the material welding zone.

Кроме того, кожух закрывает подвижную часть устройства для сварки, выступающую за пределы корпуса, при этом оставляя открытой рабочую часть инструмента.In addition, the casing covers the movable part of the welding device protruding from the body, while leaving the working part of the tool open.

Устройство выполнено таким образом, чтобы было возможным осуществлять направленный обдув рабочей части инструмента (рабочего стержня и опорного бурта) и свариваемого материала в зоне сварки.The device is made in such a way that it was possible to carry out directed blowing of the working part of the tool (working rod and support shoulder) and the material to be welded in the welding zone.

Кроме того, кожух имеет коническую форму, и может быть жестко соединен или соединен съемным образом с упомянутым корпусом (неподвижной частью устройства).In addition, the casing has a conical shape, and can be rigidly connected or connected in a removable manner with the said casing (stationary part of the device).

При циркуляции хладагента в заявляемом устройстве, охлаждение сварочного инструмента достигается путем попадания в его отверстие хладагента с забором тепла, отводимого в инструмент из зоны сварки.With the circulation of the coolant in the claimed device, the cooling of the welding tool is achieved by entering the coolant into its hole with the intake of heat, which is removed to the tool from the welding zone.

Поставленная задача достигается также тем, что инструмент для сварки трением с перемешиванием листовых заготовок из титана и его сплавов изготовлен из жаропрочного сплава на основе никеля и представляет собой цельную деталь, состоящую из двух частей: хвостовика и рабочей части: рабочего стержня и опорного бурта, при этом в хвостовике, предназначенном для закрепления в держателе сварочного оборудования, выполнено несквозное отверстие, образующее полость, предназначенную для циркуляции в ней охлаждающей жидкости.The task is also achieved by the fact that the tool for friction stir welding of sheet blanks made of titanium and its alloys is made of a heat-resistant alloy based on nickel and is an integral part consisting of two parts: a shank and a working part: a working rod and a support shoulder, when In this case, a blind hole is made in the shank, intended for fixing in the holder of the welding equipment, which forms a cavity intended for circulation of the coolant in it.

Предлагаемое устройство для сварки трением с перемешиванием листовых заготовок из титана и его сплавов содержит инструмент, выполненный из жаропрочного сплава, предпочтительно ЖС6У либо ЖС32, а также оригинальную систему его охлаждения и систему обеспечения защиты материала в зоне сварки от окисления. Данные сплавы отличаются устойчивостью к высоким температурам и к высоким механическим напряжениям в процессе эксплуатации, а также не имеют химического взаимодействия с титаном в составе свариваемого материала.The proposed device for friction stir welding of sheet blanks made of titanium and its alloys contains a tool made of a heat-resistant alloy, preferably ZhS6U or ZhS32, as well as an original cooling system and a system for protecting the material in the welding zone from oxidation. These alloys are resistant to high temperatures and high mechanical stresses during operation, and also do not chemically interact with titanium in the composition of the welded material.

Альтернативой материалам, описанным в известных технических решениях из которых может быть изготовлен инструмент для сварки трением с перемешиванием, могут выступать жаропрочные сплавы на никелевой основе, которые разрабатывались для работы в условиях высоких динамических нагрузок при высокой температуре. В частности, длительная прочность сплава ЖС6У при 1000°C, 100 ч составляет около 160 МПа. Сплава ЖС32 - 250 МПа. Большинство других жаропрочных материалов, к примеру, на основе титана и жаропрочные стали работают в статическом режиме и выдерживают меньшие нагрузки. Основными фазами никелевых жаропрочных сплавов являются Ni₃Al и NiAl, температура плавления которых составляет 1390°C и 1640°C, соответственно. Поэтому рабочие температуры, которые рекомендуются для сплавов ЖС6У и ЖС32 - 1000°C и 1100°C, соответственно. При температуре 1000°C прочность, например, сплава ОТ4-1 составляет около 20 МПа, что является достаточным для процесса сварки трением с перемешиванием. Однако распределение температуры по площади инструмента в процессе сварки крайне неравномерное в виду разности окружных скоростей на удалении от центра инструмента, а также особенностей теплообмена, поэтому неизбежны локальные превышения температуры. При превышении температуры, соответственно, ухудшаются эксплуатационные свойства инструмента - его прочность и долговечность. В ряде случаев, где создаются схожие условия работы, проблема разупрочнения элементов инструмента из никелевых сплавов решается жидкостным охлаждением по их внутренним каналам.An alternative to the materials described in the known technical solutions from which a tool for friction stir welding can be made can be nickel-based superalloys, which have been developed to work under high dynamic loads at high temperatures. In particular, the long-term strength of the ZhS6U alloy at 1000 ° C, 100 h is about 160 MPa. Alloy ZhS32 - 250 MPa. Most other refractory materials, such as titanium based and refractory steels, work in static mode and withstand less stress. The main phases of nickel heat-resistant alloys are Ni ₃ Al and NiAl, the melting points of which are 1390 ° C and 1640 ° C, respectively. Therefore, the operating temperatures recommended for the ZhS6U and ZhS32 alloys are 1000 ° C and 1100 ° C, respectively. At a temperature of 1000 ° C, the strength, for example, of the OT4-1 alloy is about 20 MPa, which is sufficient for the friction stir welding process. However, the temperature distribution over the tool area during welding is extremely uneven due to the difference in peripheral speeds at a distance from the center of the tool, as well as the peculiarities of heat transfer, therefore, local temperature rises are inevitable. When the temperature is exceeded, accordingly, the operational properties of the tool - its strength and durability - deteriorate. In a number of cases, where similar working conditions are created, the problem of softening of tool elements made of nickel alloys is solved by liquid cooling along their internal channels.

Таким образом, устройство для сварки трением с перемешиванием листовых заготовок из титана и материалов на его основе содержит инструмент из впервые применяемого жаропрочного сплава, на никелевой основе, систему его охлаждения и средства обеспечения защиты материала в зоне сварки от окисления. Указанные технические решения позволяют повысить стойкость инструмента в процессе сварки и обеспечить повышение прочностных свойств сварного соединения.Thus, the device for friction stir welding of sheet blanks made of titanium and materials based on it contains a tool made of a heat-resistant alloy, which is used for the first time, on a nickel basis, a system for cooling it, and means for protecting the material in the welding zone from oxidation. The indicated technical solutions allow increasing the tool life during welding and ensuring an increase in the strength properties of the welded joint.

ИЗОБРЕТЕНИЕ ПОЯСНЯЕТСЯ ГРАФИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИTHE INVENTION IS EXPLAINED BY THE DRAWINGS

На фиг. 1 приведен общий вид предлагаемого в настоящем изобретении устройства, показывающий его внешний вид и основные составляющие его части и элементы.FIG. 1 is a general view of the device according to the present invention, showing its appearance and its main constituent parts and elements.

На фиг. 2 приведено изображение устройства в сечении, показывающее внутреннюю часть его конструкции, с изображением составных частей устройства для сварки. FIG. 2 is a cross-sectional view of the device showing the inside of its structure, showing the components of the welding device.

На фиг. 3 приведена схема, иллюстрирующая подвод и отвод охлаждающей жидкости в устройстве.FIG. 3 is a diagram illustrating the supply and discharge of coolant in the device.

На фиг. 4 приведен вид в разрезе, показывающий взаимное расположение переходника и держателя инструмента (а), внешний вид переходника (б) и держателя инструмента (в).FIG. 4 is a sectional view showing the relative position of the adapter and the tool holder (a), the external view of the adapter (b) and the tool holder (c).

На фиг. 5 приведен общий вид и вид в разрезе предлагаемого в настоящем изобретении сварочного инструмента.FIG. 5 shows a general view and a sectional view of a welding tool according to the present invention.

Предлагаемое устройство (фиг. 1, фиг. 2) предназначено для установки на шпиндель 1 оборудования для сварки трением с перемешиванием. Устройство состоит из неподвижной 2 и подвижной 3 частей. Сначала устанавливается подвижная часть, затем неподвижная. Неподвижная часть содержит корпус 4, который жестко крепится к шпинделю оборудования через проушины 5. Кроме того, неподвижная часть содержит установленный с возможностью съёма на корпусе кожух 6 с патрубком 7, через который обеспечивается подвод инертного газа, например, аргона, к свариваемым заготовкам и рабочей части инструмента 8 в зоне сварки. Таким образом, обеспечивается газовая защита материала в зоне сварки от окисления при взаимодействии с кислородом, свойственного титану и материалам на его основе в процессе сварки при воздействии высоких температур. Корпус 4 содержит штуцер 9 для подвода охлаждающей жидкости в подвижную часть устройства и штуцер 10 для отвода охлаждающей жидкости. Полости 11 и 12 образуются при установке неподвижной части на подвижную. Подвод осуществляется при заполнении охлаждающей жидкостью полости 11, а отвод - при заполнении охлаждающей жидкостью полости 12. Для предотвращения нежелательного вытекания охлаждающей жидкости из указанных полостей предусмотрены манжетные уплотнения 13, 14. Уплотнения зафиксированы стопорными пружинными кольцами 15, 16, предотвращающими их смещение из заданного положения. Полости разделены между собой уплотнением 17, зафиксированным стопорными пружинными кольцами 18. Подвижная часть 3 содержит переходник 19, устанавливаемый с возможностью съёма в центральное отверстие вала шпинделя 1 оборудования с фиксацией для передачи крутящего момента. В переходнике со стороны его нижней части выполнено несквозное центральное отверстие, в которое устанавливается держатель 20 инструмента 8 также с фиксацией для передачи крутящего момента. Держатель 20 устанавливается в переходнике 19 таким образом, что между ними формируется полость 21. Полость 21 подвижной части совмещена с полостью 11, сформированной между подвижной и неподвижной частями устройства при помощи каналов 22, выполненных в переходнике 19. В переходнике 19 (фиг. 4) выполнено четыре канала, по два для каждой кольцевой полости, представляющие собой сквозные отверстия, выполненные перпендикулярно оси центрального несквозного отверстия переходника. В верхней части размещена гайка 23 с патрубком 24, устанавливаемые в центральном отверстии 25 держателя 21 инструмента 8.The proposed device (Fig. 1, Fig. 2) is intended for installation on the spindle 1 equipment for friction stir welding. The device consists of a fixed 2 and a movable 3 parts. First, the movable part is installed, then the stationary one. The stationary part contains a housing 4, which is rigidly attached to the spindle of the equipment through the lugs 5. In addition, the stationary part contains a casing 6 with a nozzle 7 installed with the possibility of removability on the housing, through which an inert gas, for example, argon, is supplied to the workpieces to be welded and the working parts of the tool 8 in the welding area. Thus, gas protection of the material in the welding zone from oxidation is provided when interacting with oxygen, which is characteristic of titanium and materials based on it during welding at high temperatures. The housing 4 contains a fitting 9 for supplying coolant to the movable part of the device and a fitting 10 for draining the coolant. Cavities 11 and 12 are formed when the stationary part is installed on the movable one. The supply is carried out when the cavity 11 is filled with coolant, and the outlet is carried out when the cavity 12 is filled with coolant. To prevent unwanted leakage of the coolant from the indicated cavities, lip seals 13, 14. The seals are fixed with retaining spring rings 15, 16, preventing their displacement from a given position ... The cavities are separated by a seal 17, fixed by retaining spring rings 18. The movable part 3 contains an adapter 19, which can be removably installed in the central hole of the spindle 1 shaft of the equipment with fixation for the transmission of torque. A blind central hole is made in the adapter from the side of its lower part, into which the holder 20 of the tool 8 is also installed with fixation for transmitting torque. The holder 20 is installed in the adapter 19 in such a way that a cavity 21 is formed between them. The cavity 21 of the movable part is aligned with the cavity 11 formed between the movable and stationary parts of the device by means of channels 22 made in the adapter 19. In the adapter 19 (Fig. 4) four channels are made, two for each annular cavity, representing through holes, made perpendicular to the axis of the central blind hole of the adapter. In the upper part there is a nut 23 with a branch pipe 24, installed in the central hole 25 of the holder 21 of the tool 8.

Вид в разрезе предлагаемого сварочного инструмента 8 приведен на фиг. 5. Инструмент представляет собой цельную деталь, состоящую из двух частей: хвостовика 29 и рабочей части 30 (рабочего стержня 31 и опорного бурта 32). Инструмент изготавливают из жаропрочного сплава ЖС6У либо ЖС32, в основе которых лежит никель. Данные сплавы отличаются устойчивостью к высоким температурам и к высоким механическим напряжениям в процессе эксплуатации, а также не имеют химического взаимодействия с титаном в составе свариваемого материала. В хвостовике 29, предназначенном для закрепления в держателе сварочного оборудования, со стороны его верхней части выполнено несквозное отверстие 33, образующее полость предназначенную для циркуляции в ней охлаждающей жидкости.A sectional view of the proposed welding tool 8 is shown in FIG. 5. The tool is a one-piece part, consisting of two parts: the shank 29 and the working part 30 (the working rod 31 and the support shoulder 32). The tool is made of heat-resistant alloy ZhS6U or ZhS32, which are based on nickel. These alloys are resistant to high temperatures and high mechanical stresses during operation, and also do not chemically interact with titanium in the composition of the welded material. In the shank 29, intended for fixing in the holder of the welding equipment, from the side of its upper part, a blind hole 33 is made, which forms a cavity intended for circulation of coolant in it.

Сварочный инструмент удерживается в держателе инструмента 20 установочным винтом 34, а держатель инструмента удерживается в переходнике 19 установочными винтами 35.The welding tool is held in the tool holder 20 by a set screw 34, and the tool holder is held in the adapter 19 by set screws 35.

На фиг. 3 приведена схема, иллюстрирующая циркуляцию охлаждающей жидкости в предлагаемом устройстве и инструменте. Через патрубок 9 охлаждающая жидкость поступает в кольцевую полость 11 и совмещенную с ней полость 21. Через канал патрубка охлаждающая жидкость из полости 21 поступает в полость инструмента 8, затем через центральное отверстие 25 держателя инструмента попадает в каналы для отвода охлаждающей жидкости 26, а затем в полость 12 и штуцер 10. Для предотвращения нежелательных протечек охлаждающей жидкости держатель инструмента устанавливается в полость 20 через резиновые уплотнения 27, а инструмент - через уплотнения 28.FIG. 3 is a diagram illustrating the circulation of the coolant in the proposed device and tool. Through the nozzle 9, the coolant enters the annular cavity 11 and the cavity 21 combined with it. Through the channel of the nozzle, the coolant from the cavity 21 enters the cavity of the tool 8, then through the central hole 25 of the tool holder enters the channels for withdrawing the coolant 26, and then into cavity 12 and fitting 10. To prevent unwanted leaks of coolant, the tool holder is installed in cavity 20 through rubber seals 27, and the tool through seals 28.

Ниже в примере описан способ сварки трением с перемешиванием листовых заготовок из титанового сплава с использованием предлагаемого сварочного инструмента и устройства, в котором в процессе сварки осуществляют проточное охлаждение зоны сварки: подвод охлаждающей жидкости к внутренней части инструмента. Дополнительно осуществляют подвод инертного газа, например, аргона, к инструменту и зоне сварки заготовок.The example below describes a method of friction stir welding of titanium alloy sheet blanks using the proposed welding tool and a device in which in the welding process flow-through cooling of the welding zone is carried out: supply of coolant to the inside of the tool. Additionally, an inert gas, for example argon, is supplied to the tool and the welding zone of the workpieces.

Пример. Сварке трением с перемешиванием подвергали листы сплава ВТ1-0 толщиной 2,5 мм с частотой вращения инструмента 900-950 об/мин и скорости сварки 180 мм/мин с применением предлагаемого сварочного инструмента, выполненного из сплава ЖС6У и охлаждения по схеме, приведенной на фиг. 3, что увеличило стойкость инструмента в 2 раза по сравнению с известными, а в сочетании с газовой защитой (аргон) привело к повышению прочности полученного сварного соединения с 80% до 100% от прочности исходного свариваемого материала.Example. Friction stir welding was applied to sheets of VT1-0 alloy 2.5 mm thick with a tool rotation frequency of 900-950 rpm and a welding speed of 180 mm / min using the proposed welding tool made of ZhS6U alloy and cooling according to the scheme shown in Fig. ... 3, which increased the tool life by 2 times in comparison with the known ones, and in combination with gas shielding (argon) led to an increase in the strength of the resulting welded joint from 80% to 100% of the strength of the initial welded material.

Таким образом, авторы решают проблему обеспечения прочного сварного соединения из титанового сплава за счет выбора инструментального материала, который способен выдержать условия работы, присущие сварке титановых сплавов и при этом лишен недостатков широко применяемых в этих целях инструментальных материалов. А для того, чтобы повысить стойкость инструмента из данных сплавов, авторы предлагают устройство, позволяющее эффективно в процессе сварки трением с перемешиванием титановых сплавов проводить охлаждение инструмента.Thus, the authors solve the problem of ensuring a strong welded joint from a titanium alloy by choosing a tool material that is able to withstand the working conditions inherent in welding titanium alloys and, at the same time, is free from the disadvantages of tool materials widely used for these purposes. And in order to increase the tool life of these alloys, the authors propose a device that makes it possible to effectively cool the tool in the process of friction stir welding of titanium alloys.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Friction-stir welding and processing of Ti-6Al-4V titanium alloy: A review / Mironov, S., Sato, Y. S., & Kokawa, H. // Journal of Materials Science & Technology. - 2018. - Vol. 34, iss. 1. - P. 58-72. doi:10.1016/j.jmst.2017.10.018.1. Friction-stir welding and processing of Ti-6Al-4V titanium alloy: A review / Mironov, S., Sato, Y. S., & Kokawa, H. // Journal of Materials Science & Technology. - 2018. - Vol. 34, iss. 1. - P. 58-72. doi: 10.1016 / j.jmst.2017.10.018.

2. Stir zone microstructure of commercial purity titanium friction stir welded using pcBN tool / Zhang, Y., Sato, Y. S., Kokawa, H., Park, S. H. C., & Hirano, S. // Materials Science and Engineering A. - 2008. - Vol. 488, iss. 1-2. - P. 25-30. doi:10.1016/j.msea.2007.10.062.2. Stir zone microstructure of commercial purity titanium friction stir welded using pcBN tool / Zhang, Y., Sato, YS, Kokawa, H., Park, SHC, & Hirano, S. // Materials Science and Engineering A. - 2008. - Vol. 488, iss. 1-2. - P. 25-30. doi: 10.1016 / j.msea.2007.10.062.

3. Review: friction stir welding tools / Rai, R., De, A., Bhadeshia, H. K. D. H., & DebRoy, T. // Science and Technology of Welding and Joining. - 2011. - Vol. 16, iss. 4. - P. 325-342. doi: 10.1179/1362171811Y.0000000023.3. Review: friction stir welding tools / Rai, R., De, A., Bhadeshia, H. K. D. H., & DebRoy, T. // Science and Technology of Welding and Joining. - 2011. - Vol. 16, iss. 4. - P. 325-342. doi: 10.1179 / 1362171811Y.0000000023.

Claims

1. Устройство для сварки трением с перемешиванием преимущественно листовых заготовок из титана и его сплавов, содержащее сварочный инструмент c держателем, шпиндельный узел и систему жидкостного охлаждения для циркуляции в устройстве охлаждающей жидкости, отличающееся тем, что оно снабжено полым цилиндрическим корпусом со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, который жестко закреплен на корпусной неподвижной части шпиндельного узла, и переходником для закрепления держателя сварочного инструмента во вращающийся вал шпиндельного узла, расположенным внутри упомянутого корпуса, при этом переходник выполнен в виде ступенчатого цилиндра с центральным несквозным отверстием, в котором установлен держатель инструмента, имеющий сквозное центральное отверстие, в котором размещен инструмент, имеющий несквозное отверстие, образующее полость внутри инструмента для подвода и отвода охлаждающей жидкости, а система жидкостного охлаждения включает систему каналов и полостей, при этом держатель инструмента установлен в переходнике с образованием полости в верхней части его центрального несквозного отверстия, которая соединена с упомянутой полостью инструмента посредством патрубка, закрепленного с помощью гайки, с возможностью подвода через его центральный канал охлаждающей жидкости, причем патрубок проходит через центральное отверстие держателя с образованием в нем канала для отвода охлаждающей жидкости и входит в несквозное отверстие инструмента, а между внутренней поверхностью неподвижного корпуса и наружной поверхностью переходника сформированы две кольцевые полости, расположенные друг над другом, причем верхняя полость соединена с полостью в верхней части переходника посредством выполненных в нем каналов, обеспечивающих подвод охлаждающей жидкости через центральный канал патрубка, а нижняя полость соединена посредством каналов, выполненных в переходнике и держателе инструмента, с центральным отверстием держателя для отвода охлаждающей жидкости из полости внутри инструмента.1. A device for friction stir welding of predominantly sheet blanks of titanium and its alloys, comprising a welding tool with a holder, a spindle assembly and a liquid cooling system for circulating a coolant in the device, characterized in that it is provided with a hollow cylindrical body with fittings for supplying and coolant outlet, which is rigidly fixed to the fixed housing part of the spindle assembly, and an adapter for fixing the welding tool holder to the rotating shaft of the spindle assembly, located inside the said housing, while the adapter is made in the form of a stepped cylinder with a central blind hole in which the tool holder is installed having a through central hole in which the tool is located, having a blind hole that forms a cavity inside the tool for supplying and removing coolant, and the liquid cooling system includes a system of channels and cavities, while holding The tool holder is installed in the adapter with the formation of a cavity in the upper part of its central blind hole, which is connected to the said cavity of the tool by means of a branch pipe fixed with a nut, with the possibility of supplying a coolant through its central channel, and the branch pipe passes through the central hole of the holder to form a the channel for draining the coolant and enters the blind hole of the tool, and between the inner surface of the stationary body and the outer surface of the adapter, two annular cavities are formed, located one above the other, and the upper cavity is connected to the cavity in the upper part of the adapter by means of channels made in it, providing coolant supply through the central channel of the branch pipe, and the lower cavity is connected by means of channels made in the adapter and the tool holder, with the central hole of the holder for draining coolant from the cavity inside the tool trument.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в переходнике выполнено четыре канала по два для каждой кольцевой полости, представляющих собой сквозные отверстия, расположенные перпендикулярно оси центрального несквозного отверстия переходника.2. The device according to claim 1, characterized in that the adapter has four channels, two for each annular cavity, which are through holes located perpendicular to the axis of the central blind hole of the adapter.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сварочный инструмент представляет собой цельную цилиндрическую деталь, выполненную из жаропрочного сплава на основе никеля, предпочтительно марки ЖС6У либо ЖС32, состоящую из хвостовика c несквозным отверстием, образующим внутри его полость, и рабочей части, содержащей выступающий стержень и опорный бурт.3. The device according to claim 1, characterized in that the welding tool is an integral cylindrical part made of a heat-resistant nickel-based alloy, preferably ZhS6U or ZhS32, consisting of a shank with a blind hole forming a cavity inside it, and a working part, containing a protruding rod and a support shoulder.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено кожухом, соединенным с полым цилиндрическим корпусом и имеющим патрубок для подвода инертного газа, например аргона, к инструменту и зоне сварки.4. The device according to claim 1, characterized in that it is additionally provided with a casing connected to the hollow cylindrical body and having a pipe for supplying an inert gas, such as argon, to the tool and the welding zone.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что кожух установлен таким образом, что закрывает выступающий за пределы упомянутого корпуса держатель с инструментом, оставляя при этом открытой рабочую часть инструмента.5. The device according to claim 4, characterized in that the casing is installed in such a way that it covers the holder with the tool protruding beyond the said casing, while leaving the working part of the tool open.

6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что кожух имеет коническую форму и соединен с упомянутым корпусом жестко или съемным образом.6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the casing has a conical shape and is connected to said casing in a rigid or removable manner.