Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием Российский патент 2024 года по МПК B23K20/12 B23K103/10 

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности к технологиям сварки трением с перемешиванием, и может быть использовано при сварке алюминиевых сплавов.

Известен способ сварки трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением его наконечника и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки контролируют суммарное усилие, действующее на сварочный инструмент [1].

Недостатком известного решения является отсутствие регулирования тепловложения, вносимого в свариваемые кромки сварочным инструментом.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) принят способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения [2].

Существенным недостатком прототипа является то, что в процессе сварки измеряют температуру уже готового сварного шва и только на его поверхности, а корректировку тепловложения осуществляют лишь на следующем участке свариваемых алюминиевых сплавов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка технологии, которая при низкой трудоемкости и широкой области применения позволяет корректировать тепловложение непосредственно на свариваемом участке алюминиевых сплавов в режиме реального времени.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в следующем:

- расширение области применения, поскольку требуемое значение температуры алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика можно получить при разных комбинациях значений других технологических параметров (например, скорости вращения и перемещения сварочного инструмента) и для осуществления способа не требуется специальное оборудование;

- обеспечение оптимальной величины тепловложения по всей длине сварного шва и как следствие более эффективное и равномерное перемешивание алюминиевых сплавов.

Поставленная задача решается тем, что способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения, отличается тем, что на начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500 °С, далее циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика, и этапа разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле:

, где

τ_нi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500 °С в рамках текущего цикла i;

ω - скорость вращения сварочного инструмента.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признак «на начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С» позволяет минимизировать вероятность возникновения непровара в начале сварного шва.

При этом уточнение, что наконечник сварочного инструмента погружают до тех пор, «пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С», описывает значение температуры сварки алюминиевых сплавов, которое:

- свидетельствует о том, что алюминиевые сплавы в зоне нагрева и смешения перешли в пластифицированное состояние (при температуре 450-500 °С для алюминиевого сплава типа АМг3), вследствие чего эффективно и равномерно перемешаны;

- информирует о том, что достигнута оптимальная величина тепловложения и его дальнейшая корректировка не требуется;

- сигнализирует о необходимости завершения начального этапа сварки.

Локализация измерения температуры обусловлена тем, что в зоне перед передней кромкой заплечика наблюдаются минимальная температура и наихудшие условия для получения пластифицированного состояния и перемешивания алюминиевых сплавов [3, 4].

Цикличность позволяет более эффективно управлять процессом сварки.

Признак «каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика» обеспечивает последовательное и относительно равномерное «перекрытие» зон нагрева и смешения при линейном перемещении сварочного инструмента и как следствие позволяет минимизировать вероятность возникновения непровара сварного шва по длине, причем величина шага подобрана таким образом, чтобы в конце каждого цикла наконечник сварочного инструмента находился у границы зоны, в которой алюминиевые сплавы находятся в пластифицированном состоянии.

Признак, указывающий что в каждом цикле после этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента следует «этап разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле:

, где

τ_нi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i;

ω - скорость вращения сварочного инструмента», позволяет определить время, необходимое для разогрева алюминиевых сплавов до температуры сварки путем догрева алюминиевых сплавов в области передней кромки заплечика.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи:

на фиг. 1 изображена схема процесса сварки трением с перемешиванием;

на фиг. 2 приведены циклограммы:

а - перемещения вращающегося сварочного инструмента;

б - температуры алюминиевых сплавов в области передней кромки заплечика;

на фиг. 3 приведены графики изменения температур под заплечиком на этапе разогрева алюминиевых сплавов:

а - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 70 с^-1;

б - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 88 с^-1.

на фиг. 4 показаны результаты расчета длительности τ цикла i для разных скоростей вращения ω сварочного инструмента:

а - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 52 с^-1;

б - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 70 с^-1;

в - при скорости вращения сварочного инструмента ω = 88 с^-1.

На чертежах показаны сварочный инструмент 1, его наконечник 2 и заплечик 3 с передней кромкой 4, соединяемые элементы 5 и стык 6 их свариваемых кромок, сформированный сварной шов 7, зона 8 нагрева и смешения алюминиевых сплавов.

Кроме того, на чертежах приведены следующие обозначения:

ω - скорость вращения сварочного инструмента;

V_св - скорость перемещения вращающегося сварочного инструмента;

АБ - направление перемещения вращающегося сварочного инструмента;

N - осевое усилие, прикладываемое в процессе сварки трением с перемешиванием;

τ₀ - время установки сварочного инструмента над свариваемыми кромками соединяемых элементов;

τ_н0 - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С перед первым перемещением вращающегося сварочного инструмента;

τ_нi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500 °С в рамках текущего цикла i;

τ_пi - время перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг в рамках текущего цикла i;

τ_i - длительность цикла;

t₁ - температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика после перемещения вращающегося сварочного инструмента на величину шага;

t₂ - температура сварки алюминиевых сплавов, измеряемая вдоль передней кромки заплечика и равная 450-500 °С.

Заявляемый способ осуществляют на стандартном оборудовании следующим образом.

На начальном этапе после включения сварочного инструмента 1 его наконечник 2 в течение периода длительностью τ₀ (см. фиг. 2) погружают со скоростью вращения ω и приложением осевого усилия N в поверхность соединяемых элементов 5 до тех пор, пока рабочая поверхность заплечика 3 не достигнет поверхности соединяемых элементов 5, выполненных из алюминиевых сплавов.

После соприкосновения рабочей поверхности заплечика 3 с поверхностью соединяемых элементов 5 начинается период нагрева τ_н0, который продолжается до тех пор, пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки 4 заплечика 3 не достигнет значения температуры сварки t₂ = 450-500°С (см. процесс I-II длительностью τ_н0 на фиг. 2).

После достижения температуры сварки циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из двух этапов:

1). вращающийся сварочный инструмент 1 перемещают со скоростью V_св в направлении от А к Б на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра d заплечика 3 (см. процессы II-III, IV-V, VI-VII длительностью τ_п1, τ_п2, τ_п3 соответственно и с температурой t₁ в конце каждого процесса на фиг. 2);

2). после перемещения вращающегося сварочного инструмента 1 на величину шага разогревают алюминиевые сплавы посредством вращающегося сварочного инструмента 1 с температуры t₁ до температуры сварки t₂ (см. процессы III-IV, V-VI длительностью τ_н1, τ_н2 соответственно и с температурой t₂ в конце каждого процесса и соответственно цикла на фиг. 2).

Так как в расчетных исследованиях установлено, что в области передней 4 и задней (на чертежах не обозначена) кромок заплечика 3 температуры отличаются на 200-250°С [3, 4], по результатам экспериментальных исследований (см. фиг. 3) авторами выведена формула для определения количества времени, необходимого для догрева алюминиевых сплавов в области передней кромки 4 заплечика 3 на 200 °С (для алюминиевого сплава типа АМг3 толщиной 4 мм), в результате чего значение температуры алюминиевых сплавов под заплечиком становится одинаковым и достигает значения температуры сварки:

, где

τ_нi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500 °С в рамках текущего цикла i;

ω - скорость вращения сварочного инструмента.

Длительность τ_i цикла i складывается из длительности входящих в него этапов (результаты расчета представлены на фиг. 4) и может быть описана следующей формулой:

, где

τ_пi - время перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг в рамках текущего цикла i;

τ_нi - время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i;

d - диаметр заплечика;

V_св - скорость перемещения вращающегося сварочного инструмента в направлении от А к Б;

ω - скорость вращения сварочного инструмента.

Авторы провели эксперимент с использованием четырех хромель-копелевых термопар (т/п № 1-4 на фиг.3) диаметром 0,2 мм каждой из проволок с целью выявления скорости разогрева металла пластины из алюминиевого сплава АМг3 толщиной 4 мм за счет трения при неподвижном положении вращающегося сварочного инструмента 1.

При этом три термопары (т/п № 1-3) были зачеканены в пластину на расстоянии 6 мм друг от друга, 4-я термопара (т/п № 4) - на расстоянии 10 мм от средней (т/п № 2), т.е. практически в области кромки заплечика 3 сварочного инструмента 1. Вращающийся сварочный инструмент 1 диаметром 22 мм устанавливался над средней (т/п № 2) термопарой.

ТермоЭДС от термопар измерялась с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и выводилась на ноутбук.

Скорости вращения ω сварочного инструмента 1 задавались в диапазоне 50-88 с^-1, результаты изменения температур под заплечиком 3 при скоростях вращения инструмента ω =70 и 88 с^-1 представлены на фиг. 3.

В результате проведенных исследований было выявлено, что время разогрева зависит от скорости вращения ω сварочного инструмента 1. С увеличением скорости вращения ω с 70 до 88 с^-1 время разогрева от температур 60-100°С до 450-500°С уменьшается со 110 с до 30 с. Кроме того выявлено, что при этом нагреве температура алюминиевых сплавов под заплечиком 3 сварочного инструмента 1 имеет одинаковые значения на всей его площади (см. фиг. 3).

В моменты остановок тепловложение от сварочного инструмента 1 за счет трения происходит равномерно вокруг заплечика 3, и максимальная температура развивается вокруг наконечника 2, а не в области задней кромки инструмента [3, 4]. Это доказывается экспериментальными данными, представленными на фиг. 3, из которых следует, что в разное время разогрева алюминиевых сплавов соединяемых пластин под вращающимся заплечиком 3 (в период остановки) температуры под ним имеют одинаковые значения.

Соответственно при использовании заявляемого способа можно получить более качественное перемешивание свариваемых алюминиевых сплавов и как следствие более прочное сварное соединение.

Источники информации

1. Патент США № 5718366, МПК B23K20/12, дата публикации 17.02.1998 г.

2. Патент РФ № 2677559, МПК B23K 20/12, B23K 103/10, дата публикации 17.01.2019 г.

3. Стаценко В.Н., Негода Е.Н., Суханов М.А. Моделирование температурных полей в процессе сварки трением с перемешиванием // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2021. № 3(48). С. 66-73. https://www.dvfu.ru/upload/medialibrary/444/a4g49yq51xzoygx79f9571qqvziway9v/2021-3-8.pdf.

4. Стаценко В.Н. Тепловые процессы при сварке трением с перемешиванием. Монография; ДВФУ, Политехнический институт. - Владивосток: Изд-во Дальневост. федерал. ун-та, 2022. - 120 с.: ил. - (Лучшее научное издание ДВФУ-2021). DOI https://doi.org/10.24866/7444-5191-2).

Изобретение относится к области сварочного производства, в частности, к технологиям сварки трением с перемешиванием, и может быть использовано при сварке алюминиевых сплавов. Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием заключается в том, что сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения. На начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С. Далее циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика, и этапа разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле: τ_нi = 246 - 2,6ω, где τ_нi – время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i; ω – скорость вращения сварочного инструмента. Обеспечивается оптимальное тепловложение по всей длине сварного шва и, как следствие, более эффективное и равномерное перемешивание алюминиевых сплавов. 4 ил.

Способ сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием, при котором сварочный инструмент перемещают с вращением и приложением осевого усилия, причем в процессе сварки осуществляют корректировку тепловложения, отличающийся тем, что на начальном этапе наконечник сварочного инструмента погружают с вращением и приложением осевого усилия в поверхность соединяемых элементов пока температура алюминиевых сплавов вдоль передней кромки заплечика не достигнет 450-500°С, далее циклично организуют процесс сварки, причем каждый цикл состоит из этапа перемещения вращающегося сварочного инструмента на шаг, равный 0,4-0,5 диаметра заплечика, и этапа разогрева алюминиевых сплавов посредством вращающегося сварочного инструмента, длительность которого определяют по формуле:

τ_нi = 246 - 2,6ω, где

τ_нi – время разогрева алюминиевых сплавов до температуры вдоль передней кромки заплечика, равной 450-500°С в рамках текущего цикла i;

ω – скорость вращения сварочного инструмента.