[1]Изобретение относится к области сварочного производства, а именно к вращающимся инструментам для сварки трением с перемешиванием.
[2]Изобретение может быть использовано в различных отраслях машиностроения для сварки различных металлов, типовых соединений и толщин в диапазоне от 2 мм до 75 мм при изготовлении конструкций типа тел вращения - обечаек, баков, каркасно-модульных конструкций.
[3]Наиболее близким к заявленному является инструмент для сварки трением с перемешиванием по патенту РФ №2126738, кл. В23К 20/12, от 27.02.1999, принимаемый в качестве прототипа. Известный инструмент состоит из цилиндрического корпуса, верхняя часть которого соединена с источником энергии для обеспечения его вращения, а на нижнем торце выполнен опорный бурт с вогнутой рабочей поверхностью, на которой закреплен палец с резьбообразной конфигурацией его рабочей поверхности.
[4]Недостатками прототипа являются:
[5]1. Ослабление конструкции инструмента в месте крепления пальца, а следовательно, и снижение рабочего ресурса инструмента в целом.
[6]2. Снижение рабочего ресурса сменного пальца за счет его утонения в месте крепления к телу инструмента.
[7]Техническим результатом изобретения является создание инструмента, конструкция которого обеспечит повышенный рабочий ресурс, получение сварных соединений, обладающих прочностью на уровне основного металла.
[8]Технический результат достигается тем, что выполненный в виде сплошного стержня, верхняя часть которого предназначена для закрепления в приводе вращения, а рабочая часть выполнена с опорным буртом, имеющим вогнутую рабочую поверхность, и снабжена рабочим стержнем в форме усеченного конуса, на боковой поверхности которого выполнены рельефные канавки, при этом вогнутая рабочая поверхность опорного бурта имеет форму усеченного конуса, кромки опорного бурта расположены в плоскости, отклоненной от нормали к оси вращения инструмента на угол α, зависящий от типа и толщины свариваемых деталей, рабочая поверхность опорного бурта наклонена относительно упомянутой плоскости опорного бурта на угол γ, а ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта наклонена к оси вращения инструмента на угол γ', при этом углы γ и γ' в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей составляют от 5 до 15 градусов.
[9]Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2, на которых изображены:
[10]фиг. 1 - инструмент для сварки трением с перемешиванием:
[11]1 - инструмент для сварки трением с перемешиванием;
[12]2 - рабочий стержень;
[13]3 - рабочая поверхность опорного бурта;
[14]с - ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта;
[15]α - угол наклона плоскости опорного бурта к нормали оси инструмента;
[16]γ - угол наклона рабочей поверхности опорного бурта к плоскости опорного бурта;
[17]γ' - угол наклона оси симметрии рабочей поверхности к оси вращения инструмента.
[18]фиг. 2 - схема процесса сварки:
[19]1 - инструмент для сварки трением с перемешиванием;
[20]2 - рабочий стержень;
[21]3 - рабочая поверхность опорного бурта;
[22]4 - зона избыточного давления вблизи рабочей поверхности опорного бурта;
[23]5 - свариваемые заготовки;
[25]α - угол наклона плоскости опорного бурта к нормали оси инструмента;
[26]β - угол наклона оси инструмента к свариваемым деталям;
[27]a, b - глубина внедрения кромок бурта в свариваемые детали;
[28]S - направление сварки;
[29]ω - направление вращения сварочного инструмента.
[30]Инструмент 1 (фиг. 1 представляет собой сплошной стержень постоянного поперечного сечения, выполненный из быстрорежущей стали и закрепленный верхним концом в приводе вращения. На рабочей части выполнен опорный бурт с вогнутой рабочей поверхностью 3 (фиг. 1) в форме усеченного конуса, расширяющегося в сторону рабочей части опорного бурта; рабочая поверхность опорного бурта наклонена на угол γ относительно плоскости опорного бурта, и рабочий стержень 2 (фиг. 1), выполненный в форме усеченного конуса, расширяющегося в сторону нерабочей части инструмента. На боковой поверхности рабочего стержня может быть выполнен различный рельеф, в том числе направляющие канавки, для улучшения перемешивания, течения пластифицированного материала и разрушения оксидных пленок. Опорный бурт находится в плоскости, лежащей под углом α к нормали оси вращения инструмента.
[31]Значение угла α находится в диапазоне от 1° до 15° в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей. Ось симметрии рабочей поверхности опорного бурта наклонена под углом γ' к оси вращения инструмента, а рабочая поверхность опорного бурта наклонена к плоскости опорного бурта под углом γ. Значения углов γ иγ' находятся в диапазоне от 5° до 15° в зависимости от типа и толщины свариваемых деталей. Благодаря тому, что инструмент изготовлен без сменных рабочих стержней и внутренних полостей (отсутствие резких изменений сечения инструмента и мест крепления сменных рабочих стержней, как концентраторов напряжений), геометрии опорного бурта и рабочего стержня (форма усеченного конуса рабочего стержня и наличие разности высот заглубления кромок a, b опорного бурта (фиг. 2)), даже при изменении размеров рабочей части инструмента вследствие износа будет сохраняться увеличенное значение проковочного усилия за счет наличия зоны избыточного давления 4 (фиг. 2), тем самым обеспечивая повышение качества сварного шва, улучшенное течение и перемешивание пластифицированного металла даже при изменении размеров рабочего стержня. Диапазон толщин свариваемых деталей лежит в пределах от 2 мм до 75 мм.
[32]Был изготовлен инструмент из быстрорежущей стали Р6М5 для сварки заготовок в стык соединения из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 4 мм. Параметры инструмента α=4°, β=2°, γ=7°, γ'=8°, параметры режимов сварки: вращение инструмента - 355 и 500 об/мин, подача инструмента - 40 и 56 мм/мин. По результатам прочностных испытаний было отмечено повышение твердости и прочности металла шва по сравнению с основным металлом на 10-15%. Для основного металла составили 60-68 единиц твердости, предел прочности σв=192 МПа-217 МПа и для металла сварного шва 70-78 единиц твердости, предел прочности σв=224 МПа-249 МПа соответственно. При испытании сварных образцов на изгиб при угле в 180° трещин в металле сварного шва обнаружено не было. По результатам испытаний сварных образцов можно сделать вывод о получении качественного сварного соединения, по своим свойствам, не уступающим основному металлу.
[33]Выполненный таким образом инструмент имеет повышенный рабочий ресурс, благодаря конструкции его рабочей части повышается качество шва за счет улучшения течения и перемешивания пластифицированного металла, создания дополнительного проковочного усилия.
