УСТАНОВКА ДЛЯ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК B23K20/12 

Изобретение относится к сварке трением с перемешиванием и может быть использовано при сварке прессованных или катаных тонкостенных полуфабрикатов неограниченной длины из алюминиевых сплавов на опорной подложке без использования специализированной сборочно-сварочной оснастки.

Известен способ, при котором процесс сварки трением с перемешиванием осуществляется благодаря вращению сварочного инструмента, погруженного в стык свариваемых кромок при одновременном перемещении его вдоль оси сварного шва [заявка WO 93/10935 A1, 10.06.1993 г.]. Благодаря всестороннему сжатию пластифицированный за счет трения поверхности уступа о поверхность свариваемых кромок металл перемещается в область позади сварочного инструмента, образуя тем самым сварной шов.

Известно [Covington J.L. Experemental and numerical investigation of tool heating during friction stir welding. - Brigham Young University, 2005; Reginald Crawford, GeorgeE. Cook, AlvinM. Strauss. Modelling of friction stir welding for robotic implementation - Int. J. Modelling, Identification and Control, Vol.1, No.2, 2006], что в области сварки действуют существенные всесторонние распирающие усилия, которые при отсутствии надежной взаимной фиксации свариваемых кромок могут приводить к значительным угловым деформациям свариваемых кромок, появлению и последующему росту зазора между свариваемыми деталями, который делает процесс сварки невозможным.

Для надежной фиксации свариваемых кромок, как правило, используются различные механизмы и приспособления, например вакуумные столы, использование которых целесообразно при сварке больших полотнищ, имеющих значительные размеры как в продольном, так и в поперечном направлении. При сварке относительно узких полос, профилей или панелей использование вакуумных столов неэффективно.

Известны механические [US 2006/0208040 A1, 21.09.2006 г.] и гидравлические [US 6419142 B1, 16.07.2002 г.] прижимные устройства, используемые для фиксации свариваемых кромок, а также прижимные ролики, перемещающиеся одновременно со сварочным инструментом [WO 2005/042208 A2, 12.05.2005 г., US 7490750 B2, 17.02.2009 г., US 7699206 B2, 20.04.2010 г.].

Использование прижимных роликов позволяет исключить угловые деформации, возникающие в зоне сварки, однако их использование не является достаточным условием для исключения перемещений или смещений свариваемых деталей в поперечном направлении под воздействием распирающих усилий. При использовании подобной системы прижимов в процессе сварки неизбежно образуется зазор, который приводит к появлению дефектов в металле шва либо к полному отсутствию соединения. Для полного исключения поперечного смещения свариваемых заготовок применяются гидравлические или механические зажимные устройства, прижимные устройства которых - губки или башмаки располагаются в максимальной близости к сварочному инструменту, что обеспечивает необходимое сопротивление как угловым деформациям, так и поперечному смещению. Кроме того, общим недостатком известных устройств является высокая стоимость и металлоемкость (металлоемкость пропорциональна кубу длины сварного шва), и в связи с этим ограничения по возможной длине и конфигурации свариваемых полуфабрикатов.

Известна установка для сварки (WO 2008126459 A1, 23.10.2008 г. - прототип), перемещающаяся на роликах по направляющим рельсам, расположенным поверх свариваемых заготовок и ориентированных вдоль их стыка. Прижатие машины к рельсам предлагается осуществлять за счет нескольких пар вакуумных присосок, расположенных по бокам и спереди машины, и движущихся по направляющим вместе с машиной, либо дополнительными роликами, опирающимися на внутреннюю часть специального выступа направляющего рельса. Фиксацию рельсов относительно свариваемых заготовок и опорной подкладки предлагается реализовать за счет электромагнитных прижимов. Преимуществом этой установки является возможность сварки полуфабрикатов различных габаритных размеров, а также существенная компактность конструкции, возможность выполнения сварных швов, практически не ограниченных по длине.

Однако предлагаемая схема размещения вакуумных прижимов и опорных роликовых колес на одной линии направляющего рельса не обеспечивает надежности прижима из-за различных условий работы вакуумных прижимов и опорных роликовых колес и требований к их рабочей поверхности. Таким образом, для сохранения работоспособности и стабильности работы вакуумных прижимов и обеспечения толкающего усилия, необходимо разнести вакуумные прижимы и роликовые колеса, что существенно увеличивает ширину направляющего рельса, что, в свою очередь, является ограничением при сварке заготовок с вертикальным набором (профили и панели). Недостатком прототипа также является отсутствие фиксирующих устройств в зоне интенсивных разогревов основного металла - в непосредственной близости к сварочному инструменту, в результате чего могут возникать значительные угловые деформации свариваемых кромок.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание передвижной установки для сварки трением с перемешиванием, обеспечивающей надежную фиксацию свариваемых кромок в процессе сварки, а также исключение угловых деформаций и поперечных смещений свариваемых кромок.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке для сварки трением с перемешиванием, выполненной с возможностью поступательного перемещения по поверхности свариваемых элементов вдоль линии сварки и содержащей корпус, на котором закреплен с возможностью вращения сварочный инструмент, а также механизм позиционирования свариваемых элементов и корпуса относительно них, в соответствии с изобретением механизм позиционирования свариваемых элементов и корпуса выполнен в виде, по крайней мере, одной вертикально/наклонно ориентированной роликовой пары, шарнирно закрепленной на корпусе симметрично относительно линии сварки и возможностью совместного с корпусом перемещения по направляющим, и, по крайней мере, двух горизонтально ориентированных роликовых пар, каждая из которых жестко закреплена на корпусе симметрично относительно линии сварки с опорой посредством роликов на поверхность свариваемых элементов, причем одна из пар расположена перед сварочным инструментом и под углом в сторону направления движения установки.

В качестве направляющих используют внешние торцы свариваемых элементов, ребра жесткости свариваемых элементов или ребра жесткости и прилегающую к ним поверхность свариваемых элементов.

Кроме того, опорная поверхность роликов вертикально/наклонно ориентированной пары имеет форму поверхности направляющих.

Установка для сварки трением с перемешиванием, выполненная в соответствии с изобретением, перемещается вместе с вращающимся сварочным инструментом вдоль линии стыка свариваемых деталей посредством тягового усилия, передаваемого механическим (цепным или ременным) приводом.

Позиционирование установки относительно поверхности свариваемых кромок обеспечивается в вертикальном направлении уравновешиванием веса всей установки реакциями сварочного инструмента и двух или более горизонтальных роликовых пар, жестко связанных с корпусом сварочной установки, опирающихся на полотно свариваемых полуфабрикатов и обеспечивающих прижатие свариваемых кромок к опорной пластине, т.е. в предлагаемой конструкции горизонтальные роликовые пары выполняют одновременно опорную и прижимную функцию. При этом с целью компенсации опрокидывающего момента в процессе сварки, по крайней мере, одна из горизонтальных роликовых пар должна находиться впереди сварочного инструмента и под углом в сторону направления сварки, в этом случае гарантируется стабильность процесса сварки при перемещении сварочной установки и надежное прижатие свариваемых кромок к опорной пластине без угловых деформаций.

Для позиционирования установки вместе с вращающимся сварочным инструментом в поперечном направлении (относительно оси шва) используется пара симметрично расположенных относительно оси сварного шва и шарнирно связанных с корпусом сварочной установки вертикально/наклонно ориентированных роликовых пар, опирающихся на внешние торцы/ребра жесткости и прилегающую к ним поверхность свариваемых элементов, и служащих одновременно для прижатия свариваемых элементов друг к другу, что исключает появление и рост величины зазора между свариваемыми кромками в процессе сварки и обеспечивает формирование качественного шва.

С целью обеспечения лучшей поперечной устойчивости сварочной установки и исключения «раскачки» в случае необходимости вертикально ориентированная роликовая пара может быть смещена вперед относительно сварочного инструмента.

Опорная поверхность роликов вертикальной пары установки, выполненной в соответствии с изобретением, имеет форму поверхности направляющих для повышения продольной устойчивости установки в процессе сварки и дополнительных связей в вертикальной плоскости.

Краткое описание чертежей:

Фиг.1 - общий вид установки в процессе сварки полуфабрикатов;

фиг.2 - схема действия сил в поперечной плоскости;

фиг.3 - использование внешних торцов свариваемых элементов в качестве направляющих для роликов;

фиг.4 - использование ребер жесткости свариваемых элементов в качестве направляющих для роликов (фиг.4а - угловая опорная поверхность ролика, фиг.4б - цилиндрическая опорная поверхность ролика).

Установка сварки трением с перемешиванием представляет собой перемещающийся в продольном направлении жесткий корпус 1 с закрепленными на нем механизмами позиционирования и фиксации свариваемых элементов - горизонтально ориентированных 2 и вертикально ориентированных 3 роликовых пар. Установка снабжена механизмом продольного перемещения, который состоит из привода 4 и ременной или цепной передачи 5. Кроме того, установка содержит блок управления сварочным инструментом, включающий привод главного вращения 6, выдвижную гильзу с патроном 7 и сварочным инструментом 8.

Процесс сварки осуществляется за счет совмещения вращательного движения сварочного инструмента, погруженного в стык свариваемых заготовок на всю их толщину, и поступательного движения установки, позиционирование которой относительно поверхности свариваемых кромок обеспечивается в вертикальном направлении - уравновешиванием веса всей установки реакциями сварочного инструмента 8 и горизонтально ориентированных роликовых пар 2; позиционирование в поперечном направлении (относительно оси шва) - симметрично приложенными реакциями вертикально ориентированных роликовых пар 3 (фиг.2). Совместное воздействие вертикально ориентированных и горизонтально ориентированных роликовых пар полностью решает задачу позиционирования корпуса установки относительно свариваемых заготовок и фиксации свариваемых заготовок относительно друг друга, исключая появление зазора между свариваемыми кромками и угловых деформаций в процессе сварки.

Установка отличается компактностью и простотой реализации, позволяет получать сварные соединения прессованных и катаных полуфабрикатов без ограничения их длины габаритами сборочно-сварочной оснастки.

Изобретение обеспечивает получение качественных сварных соединений за счет надежной фиксации свариваемых полуфабрикатов.

Установка может быть использована при сварке трением прессованных или катаных тонкостенных полуфабрикатов неограниченной длины из алюминиевых сплавов. Сварочный инструмент закреплен на корпусе, имеющем привод его поступательного перемещения вдоль линии сварки по горизонтальной поверхности свариваемых элементов. Механизм позиционирования корпуса относительно свариваемых элементов и их фиксации выполнен в виде вертикально или наклонно ориентированной роликовой пары, шарнирно закрепленной на корпусе с возможностью совместного с ним перемещения по вертикально расположенным поверхностям свариваемых элементов, образующим направляющие, и горизонтально ориентированных роликовых пар, жестко закрепленных на корпусе с возможностью их опоры на горизонтальную поверхность свариваемых элементов. Одна из упомянутых роликовых пар расположена перед сварочным инструментом под углом в сторону направления его движения. В качестве направляющих могут быть использованы внешние торцы свариваемых элементов, ребра жесткости и прилегающая к ним поверхность свариваемых элементов. Изобретение обеспечивает надежную фиксацию свариваемых кромок в процессе сварки, а также исключение угловых деформаций и их поперечных смещений. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка для сварки трением с перемешиванием элементов, имеющих горизонтально и вертикально расположенные поверхности, содержащая корпус с приводом его поступательного перемещения вдоль линии сварки по горизонтальной поверхности свариваемых элементов, на котором закреплен сварочный инструмент с возможностью его вращения, а также механизм позиционирования корпуса относительно свариваемых элементов и их фиксации, который выполнен в виде, по крайней мере, одной вертикально или наклонно ориентированной роликовой пары, шарнирно закрепленной на корпусе симметрично относительно линии сварки, с возможностью совместного с корпусом перемещения по вертикально расположенным поверхностям свариваемых элементов, образующих направляющие, и, по крайней мере, двух горизонтально ориентированных роликовых пар, каждая из которых жестко закреплена на корпусе с симметричным относительно линии сварки размещением роликов и возможностью их опоры на горизонтальную поверхность свариваемых элементов, причем одна из горизонтально ориентированных роликовых пар расположена перед сварочным инструментом под углом в сторону направления его движения.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве направляющих для вертикально ориентированной роликовой пары используют внешние торцы свариваемых элементов.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве направляющих для вертикально или наклонно ориентированной роликовой пары используют ребра жесткости, закрепленные на свариваемых элементах.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве направляющих для вертикально или наклонно ориентированной роликовой пары используют ребра жесткости, закрепленные на свариваемых элементах, и прилегающую к ним горизонтальную поверхность свариваемых элементов.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что опорная поверхность роликов вертикально или наклонно ориентированной пары имеет форму поверхности направляющих.