СПОСОБ ЗАДЕЛКИ ПРИ ПОМОЩИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ ОТВЕРСТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДЕТАЛИ, ПРИМЕНЕНИЕ ОПОРНОЙ ДЕТАЛИ И УДЕРЖИВАЮЩЕЙ ДЕТАЛИ В УКАЗАННОМ СПОСОБЕ Российский патент 2009 года по МПК B23K20/12 

Настоящее изобретение относится к способу заделки отверстия в металлической детали при помощи сварки трением.

Способ заделки отверстий при помощи сварки трением, известной под английским названием «friction plug melding», используют для заделки отверстий в металлической детали, как правило, круглых отверстий, выходящих на обе стороны детали и имеющих форму усеченного конуса или цилиндра. Этот способ применяют, когда необходимо ограничить снижение механических свойств по отношению к механическим характеристикам исходной детали в зоне заделки отверстия.

Металлический стержень, как правило, выполненный из того же материала, что и деталь, приводят во вращение и вставляют с направленным усилием в заделываемое отверстие, при этом деталь, содержащая это отверстие, остается неподвижной.

В результате трения между стержнем и стенкой отверстия детали происходит нагревание обоих материалов, их пластификация и сварка в твердой фазе. По обе стороны детали образуются валики. Достаточно механически обработать стержень и валики с каждой стороны детали, чтобы получить деталь в ее первоначальном виде с заделанным отверстием.

При использовании быстро размягчающихся материалов, имеющих низкую температуру плавления, таких как алюминиевые сплавы, в частности при толщине менее 12 мм, на первых стадиях трения между стержнем и деталью резкое нагревание материала вызывает его быстрое размягчение. Это размягчение приводит к полной локальной потере твердости детали вокруг отверстия. Сила, действующая на стержень в направлении детали, не может уменьшиться достаточно быстро в момент потери твердости детали, поэтому стержень сохраняет тенденцию продолжать движение через деталь.

Тем не менее, сварка может происходить, но с избыточным прохождением стержня. Это приводит к образованию подрезов, трещин, пор или свищей в зоне сварки, к деформации детали и, как следствие, к потере механических характеристик детали в зоне сварки. Поэтому способ заделки отверстий при помощи сварки трением, как правило, не применяют для алюминиевых сплавов, в частности толщиной менее 12 мм.

Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков.

Для решения поставленной задачи предложен способ заделки при помощи сварки трением отверстия металлической детали, выходящего на лицевую сторону и на оборотную сторону детали, согласно которому вращающийся стержень вставляют в отверстие с лицевой стороны детали для соединения с ней при помощи сварки трением, отличающийся тем, что в процессе операции сварки трением с оборотной стороны детали устанавливают опорную деталь, содержащую полость.

Предпочтительно с лицевой стороны детали устанавливают удерживающую деталь.

В частности, настоящее изобретение относится к способу заделки при помощи сварки трением отверстия фланца из алюминиевого сплава турбореактивного двигателя, однако заявитель не ограничивает объем своих притязаний только этим вариантом.

Настоящее изобретение относится также к применению опорной детали и удерживающей детали для осуществления способа заделки при помощи сварки трением.

Изобретение поясняется в дальнейшем описанием предпочтительного варианта осуществления способа согласно изобретению со ссылкой на единственную фигуру, представляющую собой схематичный вид в разрезе основных элементов, применяемых при осуществлении способа согласно изобретению.

Способ в соответствии с настоящим изобретением осуществляют на металлической детали, в данном случае на фланце 1 турбореактивного двигателя из алюминиевого сплава, в котором необходимо заделать отверстие 2. В данном случае необходимо заделать отверстие фланца, которое стало овальным, сохраняя при этом механические свойства, близкие с механическими свойствами базового материала, чтобы после заделки иметь возможность произвести повторное сверление отверстия правильной формы. Для этой цели применяют способ заделки отверстия при помощи сварки трением.

Как правило, изношенное отверстие, в данном случае принявшее овальную форму, предварительно механически обрабатывают для придания ему круглой формы или формы усеченного конуса. Это новое отверстие, в данном случае отверстие 2, предназначенное для заделки, как правило, имеет ось, перпендикулярную поверхности детали, предпочтительно ту же ось, которую имело первоначальное отверстие. Всю изношенную поверхность отверстия удаляют для придания ему формы цилиндра или усеченного конуса, сводя при этом к минимуму объем удаляемого материала.

В данном случае отверстие 2 имеет форму усеченного конуса. Его участок максимального диаметра находится на стороне, которая будет считаться лицевой стороной 1' фланца 1, а ее участок минимального диаметра находится на оборотной стороне 1'' фланца 1.

При осуществлении способа заделки отверстия при помощи сварки трением металлический стержень 3 с осью 4, в данном случае выполненный также из алюминиевого сплава, приводят во вращение вокруг этой оси 4, и под действием направленного усилия он соединяется при помощи сварки трением в твердой фазе с фланцем 1. Металлический стержень 3 содержит концевой участок в виде усеченного конуса, конусность которого соответствует конусности отверстия 2. Этот способ может быть осуществлен в виде различных операционных вариантов, в частности согласно варианту, называемому «трением под нагрузкой», или варианту, называемому «инерционным трением».

В обоих вариантах на первом этапе под действием заранее определенного давления устанавливают контакт между стержнем 3 и стенкой отверстия 2 для определения точного контактного положения между ними, при этом фланец 1 остается неподвижным в течение всего процесса. Для этого стержень 3 перемещают вдоль его оси 4 перпендикулярно поверхности фланца 1 в зону отверстия 2 с лицевой стороны 1' фланца 1. Таким образом, участок меньшего диаметра стержня 3 вставляют в участок большего диаметра отверстия 2, после чего стержень 3 перемещают до установления контакта между поверхностями в виде усеченного конуса стержня 3 и отверстия 2. Сразу же после определения контактного положения стержень 3 приводят в исходное положение, то есть, не доходя нескольких миллиметров до стенки отверстия 2 фланца 1.

В случае варианта «трения под нагрузкой» вращаемый вокруг своей оси 4 стержень 3 и стенка отверстия 2 входят в обоюдный контакт и взаимно нагреваются от трения под одновременным действием усилия, прикладываемого к стержню 3 вдоль его оси 4 в направлении фланца 1. После некоторого времени нагревания, которое определяет специалист, прикладывают дополнительное осевое усилие, одновременно замедляя вращение. Снижение скорости вращения стержня 3 до остановки обычно происходит за 0,2-0,8 секунды и зависит от способности торможения машины, вращающей стержень 3. Происходит сварка трением, при этом действие осевого усилия не прекращают после остановки вращения стержня 3, чтобы обеспечить хорошее качество сварного соединения.

В случае варианта «инерционного трения» стержень точно так же устанавливают в исходное положение и приводят во вращение. Когда стержень приходит в контактное положение, приводной двигатель отключают, при этом энергия, накопившаяся за счет скорости вращения и инерции маховика двигателя во вращающей системе, имеющей заданные размеры и параметры, рассеивается в сварном соединении точно так же, как и в случае варианта «трения под нагрузкой».

Вышеупомянутые технологические приемы хорошо известны специалистам в данной области техники, поэтому их подробное описание опускается. Они указаны только в качестве примера для лучшего понимания изобретения и не являются ограничительными при выборе технологического приема для заделки отверстий при помощи сварки трением в соответствии с настоящим изобретением. Существуют также другие технологические приемы, которые можно применять для этой цели.

Независимо от выбранного технологического приема способ в соответствии с настоящим изобретением отличается от известных технических решений использованием опорной детали 5, которая входит в контакт с оборотной поверхностью 1'' фланца 1 перед операцией сварки и которую удерживают на ней в течение всей этой операции. Эта опорная деталь 5 выполнена в виде любой опоры, форма которой соответствует детали с предназначенным для заделки отверстием, то есть в данном случае фланцу 1. Она может быть прижата к фланцу 1 при помощи контактного удерживающего механизма, либо просто служить опорой для фланца 1, как в данном случае. Эта опорная деталь 5 является твердой, и ее температура плавления превышает температуру плавления материалов стержня 3 и/или фланца 1; в данном случае она выполнена в виде стальной пластины 5.

Само собой разумеется, что опорную деталь 5 можно устанавливать на оборотную сторону фланца 1 непосредственно перед началом операции сварки или во время этой операции в соответствующий момент. Кроме того, она может и не входить в контакт, если это не предусмотрено специалистом. Однако в любом случае предполагается, что наиболее предпочтительным является контактирование опорной детали 5 с оборотной поверхностью фланца 1 перед началом операции сварки и ее удержание на этой поверхности в течение всей операции.

Опорная деталь 5 содержит цилиндрическую полость 6, которую устанавливают напротив отверстия 2 фланца 1. Поверхность 6' дна этой полости служит осевым упором для стержня 3. Таким образом, когда стержень 3 под усилием вставляют во фланец 1, нагревание от трения приводит к пластификации материалов и с учетом прикладываемого осевого усилия - к поступательному продвижению стержня 3 в отверстие 2; это поступательное перемещение прекращается при достижении положения упора стержня 3 в дно 6' полости 6. Кроме того, пространство, ограниченное полостью 6, удерживает сварочную смесь, то есть смесь нагретых материалов стержня 3 и фланца 1. Образующийся при операции сварки валик 7 удерживается и охлаждается внутри полости 6.

Вращение стержня 3 в отверстии 2 в сочетании с ковкостью материалов сварного соединения и с опорной функцией, выполняемой опорной деталью 5 с оборотной стороны фланца 1, как на уровне отверстия 2 в полости 6, так и на участке поверхности фланца 1, окружающем отверстие 2 и контактирующем с опорной деталью 5, может вызвать винтовой эффект, приводящий к подъему ковких материалов сварного соединения вдоль стержня 3 к лицевой стороне фланца 1. Чтобы избежать этого явления, к лицевой стороне фланца 1 прижимают удерживающую деталь 8. Эту удерживающую деталь 8 выполняют в виде пластины 8, содержащей в центре сквозное отверстие 9 для прохождения стержня 3. Специалист выбирает точные размеры этого отверстия 9 в зависимости от рабочих параметров и от размеров, которые он хочет придать валикам 10, образующимся с лицевой стороны фланца 1. В данном случае пластину 8 выполняют из стали.

В данном случае полость 6 является цилиндрической и имеет глубину h и диаметр d. Под глубиной понимают высоту цилиндра, форму которого принимает полость 6. Размеры полости 6 выбирают в зависимости от толщины фланца 1 и от размеров его отверстия 2, а также от выбранного вида сварки, и специалист определяет их опытным путем. Например, заявитель обнаружил, что можно получить хорошее сварное соединение для отверстия диаметром 10 мм и толщиной 5 мм и при использовании полости диаметром 14 мм и глубиной от 4 до 5 мм.

В целом, желательно, чтобы полость имела диаметр, по меньшей мере, равный 1,3 диаметра заделываемого отверстия с оборотной стороны, и глубину от 60% до 110% толщины отверстия.

Таким образом, способ в соответствии с настоящим изобретением, осуществляемый с использованием опорной детали 5 и удерживающей детали 8, позволяет обеспечить силу реакции по отношению к силе прижатия стержня 3 к заделываемой детали 1, которая может быть постоянной, избежать преждевременного прохождения стержня 3 через отверстие 2, сдерживать вытекание валиков 7, 10 сварного соединения, локализовать энергию сварки на уровне сварного соединения и, следовательно, ограничивать деформации заделываемой детали и избежать появления пор, подрезов, трещин или свищей.

По завершении операции сварки можно произвести термическую обработку для обеспечения сохранения механических свойств заделанной детали, которую можно подвергнуть механической обработке вместе с заделанным отверстием для придания ей первоначальной формы.

Способ в соответствии с настоящим изобретением был описан для заделываемой детали из алюминиевого сплава, но он также применим для любого вида сплава, в частности для сплавов никеля, титана или железа. Кроме того, он был описан для стержня, выполненного из того же материала, что и заделываемая деталь, но можно также использовать стержень из другого материала. Наконец, опорная деталь и удерживающая деталь могут быть выполнены из стали или из любого другого материала, инертного по отношению к материалу заделываемой детали, в рамках осуществления способа.

Изобретение может быть использовано при ремонте сквозных отверстий, выполненных в металлических деталях, в частности при ремонте фланца из алюминиевого сплава турбореактивного двигателя. Металлический стержень приводят во вращение и вставляют в отверстие детали с ее лицевой стороны для соединения его с деталью. С оборотной стороны заделываемой детали устанавливают опорную деталь, имеющую полость. На лицевой стороне заделываемой детали устанавливают удерживающую деталь. Стержень может быть выполнен из материала заделываемой детали или из другого материала. Опорная и удерживающая детали могут быть выполнены из любого материала, инертного по отношению к материалу заделываемой детали. Способ обеспечивает сохранение механических свойств заделанной детали и позволяет подвергнуть ее последующей механической обработке. 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заделки при помощи сварки трением отверстия металлической детали, выходящего на лицевую сторону и на оборотную сторону детали, согласно которому металлический стержень приводят во вращение и вставляют в отверстие детали с ее лицевой стороны для соединения его с деталью, отличающийся тем, что с оборотной стороны заделываемой детали устанавливают опорную деталь, имеющую полость, а на лицевой стороне заделываемой детали устанавливают удерживающую деталь.

2. Способ по п.1, в котором опорную деталь устанавливают в контакте с поверхностью оборотной стороны заделываемой детали.

3. Способ по п.1, в котором полость опорной детали размещают напротив отверстия в заделываемой детали.

4. Способ по п.1, в котором используют опорную деталь, полость которой имеет цилиндрическую форму.

5. Способ по п.4, в котором цилиндрическая полость имеет диаметр, по меньшей мере, равный 1,3 диаметра отверстия с оборотной стороны заделываемой детали, и глубину, составляющую от 60 до 110% толщины отверстия заделываемой детали.

6. Способ по п.1, в котором используют опорную деталь, содержащую пластину из стали или из другого материала, инертного по отношению к материалу заделываемой детали.

7. Способ по п.1, в котором удерживающую деталь устанавливают в контакте с поверхностью лицевой стороны заделываемой детали.

8. Способ по п.1, в котором используют удерживающую деталь, выполненную с отверстием для прохождения металлического стержня.

9. Способ по п.7, в котором используют удерживающую деталь, содержащую пластину из стали или из другого материала, инертного по отношению к материалу заделываемой детали.

10. Способ по п.1, в котором заделываемая деталь содержит сплав алюминия, никеля, титана или железа.

11. Опорная деталь, предназначенная для осуществления способа по п.1, содержащая пластину, имеющую цилиндрическую полость.

12. Опорная деталь по п.11, в которой пластина выполнена из стали или из другого материала, инертного по отношению к материалу заделываемой детали.

13. Удерживающая деталь, предназначенная для осуществления способа по п.1, содержащая пластину, имеющую сквозное отверстие.

14. Удерживающая деталь по п.13, в которой пластина выполнена из стали или из другого материала, инертного по отношению к материалу заделываемой детали.