[go: up one dir, main page]

RU2634402C1 - Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing - Google Patents

Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing Download PDF

Info

Publication number
RU2634402C1
RU2634402C1 RU2016126838A RU2016126838A RU2634402C1 RU 2634402 C1 RU2634402 C1 RU 2634402C1 RU 2016126838 A RU2016126838 A RU 2016126838A RU 2016126838 A RU2016126838 A RU 2016126838A RU 2634402 C1 RU2634402 C1 RU 2634402C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tool
parts
joint
speed
welding
Prior art date
Application number
RU2016126838A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Владимирович Карманов
Анна Львовна Каменева
Николай Владимирович Винокуров
Виталий Вадимович Карманов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"
Priority to RU2016126838A priority Critical patent/RU2634402C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2634402C1 publication Critical patent/RU2634402C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding

Landscapes

  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: welding tool with a pin with the length of 5.8…11.8 mm, cylindrical in shape, with left-hand thread and support collar with the diameter of 18…28 mm is used. Before welding, sheet parts with the thickness of 6…12 mm are fixed in the vice and the welded edges are milled along the plane. The rotary tool is immersed into the joint of the parts to be connected to the predetermined depth equal to 95-98% of the thickness of the welded parts. The tool is immersed into the joint of the parts to be connected with a minimum speed of vertical movement 10…16 mm/min and a high speed of rotation 300…500 rpm, while the tool angle is changed with respect to the vertical axis from 0° to -1.0°…-2.0°. The immersion depth of the tool is adjusted in accordance with the axial force values obtained from the machine feedback sensors. Then, while maintaining the angle and speed of rotation, the tool is moved along the joint line at a speed of 300…400 mm/min with constant axial force of 23…34 kN. On completion of the welding, the rotary tool is raised and removed from the joint.
EFFECT: method allows to increase the hardness of the welded seam.
9 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области технологии неразъемного соединения (сварки) и может быть использовано в авиастроении, ракетостроении, судостроении и других отраслях машиностроения для получения соединений панельных конструкций из алюминиевых сплавов.The invention relates to the field of technology of one-piece connection (welding) and can be used in aircraft, rocket, shipbuilding and other engineering industries to obtain compounds of panel structures made of aluminum alloys.

Специфическим дефектом соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием (СТП), называют "kissing bonds" ("несплавление" в корне шва). Дефект устраняется подбором режима сварки. Разрушение образцов в процессе испытаний происходит по данному дефекту, что является причиной снижения предела прочности сварного соединения.A specific defect in joints made by friction stir welding (STF) is called "kissing bonds" ("non-fusion" at the root of the seam). The defect is eliminated by selection of the welding mode. The destruction of the samples during the test takes place on this defect, which is the reason for reducing the tensile strength of the welded joint.

Известен способ сварки трением листовых соединений из алюминиевого сплава АА2024-Т4 (термообработанный и естественно состаренный) толщиной 4 мм со скоростью вращения 800 об/мин и скоростью подачи 87 мм/с, обеспечивающий средний размер зерна ядра сварного шва 4,9 мкм [Y.S. Sato, S. Kurihara and Н. Kokawa. Systematic examination of precipitation phenomena associated with hardness and corrosion properties in friction stir welded aluminium alloy 2024 // Welding in the world. 2011. Vol. 55. №12. pp. 39-47]. Используется инструмент с диаметром опорного бурта 15 мм, диаметром пина 5 мм и длиной 3,8 мм и углом наклона в 3°. Твердость основного материала (область А) колеблется между 130 HV и 140 HV и соизмерима с твердостью зоны термомеханического влияния (ЗТМВ) 140…145 HV. Твердость ядра сварного шва (область В) в процессе СТП снижается до 120 HV. В ЗТМВ (область С) твердость 115 HV в процессе СТП также снижается до величин ниже твердости основного материала.A known method of friction welding of sheet joints of aluminum alloy AA2024-T4 (heat-treated and naturally aged) with a thickness of 4 mm with a rotation speed of 800 rpm and a feed speed of 87 mm / s, providing an average grain size of the core of the weld 4.9 μm [Y.S. Sato, S. Kurihara and N. Kokawa. Systematic examination of precipitation phenomena associated with hardness and corrosion properties in friction stir welded aluminum alloy 2024 // Welding in the world. 2011. Vol. 55. No. 12. pp. 39-47]. A tool with a diameter of a support collar of 15 mm, a pin diameter of 5 mm and a length of 3.8 mm and an inclination angle of 3 ° is used. The hardness of the base material (region A) varies between 130 HV and 140 HV and is comparable with the hardness of the thermomechanical influence zone (ZTMV) 140 ... 145 HV. The hardness of the core of the weld (region B) in the STP process is reduced to 120 HV. In ZTMV (region C), the hardness of 115 HV in the STP process also decreases to values lower than the hardness of the base material.

Недостатком известного способа сварки трением с перемешиванием пластин толщиной 4 мм с минимальной подачей 87 мм/с и большой скоростью 800 об/мин вращения инструмента является повышенное тепловложение в сварной шов, приводящее к существенному уменьшению твердости в ЗТМВ (область С), вследствие увеличения размера зерна. Геометрия инструмента в совокупности с углом его наклона, равным 3°, приводит к утонению сварного шва по центру. Проведение сварки без контроля усилия приводит к изменению размера зерна по сечению и градиенту свойств сварного шва.A disadvantage of the known method of friction stir welding with 4 mm thick plates with a minimum feed of 87 mm / s and a high speed of 800 rpm of tool rotation is the increased heat input to the weld, which leads to a significant decrease in hardness in ZTMV (region C), due to an increase in grain size . The geometry of the tool in combination with an angle of inclination equal to 3 ° leads to a thinning of the weld in the center. Welding without control of effort leads to a change in grain size over the cross section and gradient of the properties of the weld.

Наиболее близким того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ сварки трением с перемешиванием пластин толщиной 6 мм из АА2024-Т351 (термообработанный, охлажденный и естественно состаренный до существенно стабильного состояния) сплава, при котором используют инструмент с резьбовым пином диаметром 6 мм и длиной 5,5 мм и диаметром опорного бурта 16 мм. Вращающийся со скоростью 850 об/мин пин погружают в стык соединяемых деталей до достижения заданной глубины 95…98% толщины свариваемых деталей. Перемещают инструмент в направлении сварки со скоростью 120 мм/мин параллельно направлению прокатки. По окончании сварки поднимают вращающийся инструмент и выводят из стыка.The closest to the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of friction welding with stirring 6 mm thick plates of AA2024-T351 (heat-treated, cooled and naturally aged to a substantially stable state) alloy, in which a tool with a threaded pin with a diameter of 6 mm and 5.5 mm long and a diameter of a support collar of 16 mm. A pin rotating at a speed of 850 rpm is immersed in the joint of the parts to be joined until a predetermined depth of 95 ... 98% of the thickness of the parts to be welded is reached. The tool is moved in the welding direction at a speed of 120 mm / min parallel to the rolling direction. At the end of welding, a rotating tool is raised and removed from the joint.

Зона термического влияния (ЗТВ) испытывает пиковую температуру от 250 до 350°С, что приводит к резкому падению твердости на границе ЗТВ/ЗТМВ с 140-155 HV до 115-120 HV (фиг. 1). В этой зоне пластическая деформация отсутствует или недостаточна для изменения первоначально зернистой структуры. Твердость ЗТМВ минимальна 115-120 HV, где зернистая структура поворачивается и частично перекристаллизовывается вблизи ядра. Самая большая пластическая деформация происходит в ядре, где микроструктура полностью динамически перекристаллизована, в среднем размер зерна 4 мкм при твердости 130-140 HV (фиг. 2) [С. Genevois, А. Deschamps, A. Denquin, В. Doisneau-cottignies. Quantitative investigation of precipitation and mechanical behaviour for AA2024 friction stir welds // Acta Materialia 53 (2005) 2447-2458]. Твердость основного металла соответствует 145-160 HV. Данный способ принят за прототип.The heat affected zone (HAZ) experiences a peak temperature from 250 to 350 ° C, which leads to a sharp drop in hardness at the HAZ / ZTMV boundary from 140-155 HV to 115-120 HV (Fig. 1). In this zone, plastic deformation is absent or insufficient to change the initial granular structure. The hardness of ZTMV is minimum 115-120 HV, where the granular structure rotates and partially recrystallizes near the core. The largest plastic deformation occurs in the core, where the microstructure is completely dynamically recrystallized, an average grain size of 4 microns with a hardness of 130-140 HV (Fig. 2) [C. Genevois, A. Deschamps, A. Denquin, B. Doisneau-cottignies. Quantitative investigation of precipitation and mechanical behavior for AA2024 friction stir welds // Acta Materialia 53 (2005) 2447-2458]. The hardness of the base metal corresponds to 145-160 HV. This method is adopted as a prototype.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа - погружение вращающегося с высокой скоростью инструмента, состоящего из пина и опорного бурта, в стык соединяемых деталей до достижения заданной глубины, равной 95-98% толщины свариваемых деталей; перемещение инструмента вдоль линии соединения; подъем вращающегося инструмента и выведение его из стыка.Signs of the prototype, which coincides with the essential features of the proposed method is the immersion of a tool rotating at high speed, consisting of a pin and a support collar, in the joint of the parts to be joined until a predetermined depth of 95-98% of the thickness of the parts being welded is reached; tool movement along the connection line; lifting a rotating tool and removing it from the joint.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является повышенное тепловложение в сварной шов, приводящее к резкому снижению твердости в ЗТМВ, вследствие увеличения размера зерна, изменение его кристаллографической ориентировки и частичной перекристаллизации. Проведение сварки без контроля усилия приводит к изменению размера зерна по сечению и градиенту свойств сварного шва.The disadvantage of this method, adopted as a prototype, is the increased heat input in the weld, which leads to a sharp decrease in hardness in ZTMV, due to an increase in grain size, a change in its crystallographic orientation and partial recrystallization. Welding without control of effort leads to a change in grain size over the cross section and gradient of the properties of the weld.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - разработка способа сварки трением с перемешиванием стыковых соединений толщиной 6…12 мм из алюминиевых деформируемых сплавов, позволяющего повысить твердость сварного шва.The problem to which the invention is directed is the development of a method of friction welding with stirring of butt joints 6 ... 12 mm thick from aluminum deformable alloys, which allows to increase the hardness of the weld.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе сварки трением с перемешиванием стыковых соединений из алюминиевых деформируемых сплавов, включающем погружение вращающегося с высокой скоростью инструмента, состоящего из пина и опорного бурта, в стык соединяемых деталей до достижения заданной глубины, равной 95-98% толщины свариваемых деталей, перемещение инструмента вдоль линии соединения, подъем вращающегося инструмента и выведение его из стыка, согласно изобретению используют сварочный инструмент с пином, выполненным длиной 5,8…11,8 мм цилиндрической формы с левосторонней резьбой и опорным буртом диаметром 18…28 мм, до введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей толщиной 6…12 мм в тисках и фрезерование свариваемых кромок по плоскости, погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют с минимальной скоростью вертикального перемещения 10…16 мм/мин и высокой скоростью вращения 300…500 об/мин, при этом угол инструмента изменяют относительно вертикальной оси с 0° до -1,0°…-2,0°, глубину погружения инструмента регулируют в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка, затем, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 300…400 мм/мин при постоянном осевом усилии 23…34 кН.The problem was solved due to the fact that in the known method of friction welding with stirring of butt joints of aluminum deformable alloys, comprising immersing a tool rotating at a high speed, consisting of a pin and a support collar, in the joint of the parts to be joined until a predetermined depth of 95- 98% of the thickness of the parts to be welded, moving the tool along the connection line, lifting the rotating tool and removing it from the joint, according to the invention, use a welding tool with a pin, made With a length of 5.8 ... 11.8 mm of a cylindrical shape with left-hand thread and a support collar with a diameter of 18 ... 28 mm, before inserting a pin into the joint of parts, sheet parts with a thickness of 6 ... 12 mm are fixed in a vise and milling the welded edges in a plane, immersing the tool the joint of the connected parts is carried out with a minimum speed of vertical movement of 10 ... 16 mm / min and a high speed of rotation of 300 ... 500 rpm, while the angle of the tool is changed relative to the vertical axis from 0 ° to -1.0 ° ... -2.0 ° the depth of immersion of the instrument is adjusted according to the value of the axial force derived from the feedback sensors of the machine, then, keeping the angle and speed of rotation, the tool is moved along the joint line at 300 ... 400 mm / min at a constant axial force of 23 ... 34 kN.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - используют сварочный инструмент с пином, выполненным длиной 5,8…11,8 мм цилиндрической формы с левосторонней резьбой и опорным буртом диаметром 18…28 мм; до введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей толщиной 6…12 мм в тисках и фрезерование свариваемых кромок по плоскости; погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют с минимальной скоростью вертикального перемещения 10…16 мм/мин и высокой скоростью вращения 300…500 об/мин, при этом угол инструмента изменяют относительно вертикальной оси с 0° до -1,0°…-2,0°, глубину погружения инструмента регулируют в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка; сохраняя угол и скорость вращения, инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 300…400 мм/мин при постоянном осевом усилии 23…34 кН.Signs of the proposed technical solution, distinctive from the prototype, - use a welding tool with a pin made of a length of 5.8 ... 11.8 mm of a cylindrical shape with left-hand thread and a support collar with a diameter of 18 ... 28 mm; before the pin is inserted into the joint of parts, sheet parts with a thickness of 6 ... 12 mm are fixed in a vice and milling of the welded edges in a plane; immersion of the tool in the joint of the parts to be connected is carried out with a minimum vertical movement speed of 10 ... 16 mm / min and a high rotation speed of 300 ... 500 rpm, while the tool angle is changed relative to the vertical axis from 0 ° to -1.0 ° ... -2, 0 °, the immersion depth of the tool is adjusted in accordance with the values of the axial force obtained from the feedback sensors of the machine; keeping the angle and speed of rotation, the tool is moved along the line of the joint at a speed of 300 ... 400 mm / min with a constant axial force of 23 ... 34 kN.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволят устранить пористость в корне шва, предотвратить коагуляции зерен различных зон сварного шва и повысить прочность соединения до значений свыше 90% от предела прочности основного материала. Это обеспечит повышение твердости в зоне сварного стыка.Distinctive features, together with the known ones, will eliminate porosity in the root of the seam, prevent coagulation of grains of different zones of the weld and increase the strength of the joint to values above 90% of the tensile strength of the base material. This will provide an increase in hardness in the weld zone.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1- 9.The proposed method is illustrated by the drawings shown in FIG. 19.

На фиг. 1 показано распределение твердости в поперечном сечении сварного шва при сварке известным способом-прототипом.In FIG. 1 shows the distribution of hardness in the cross section of a weld during welding by a known prototype method.

На фиг. 2 - микроструктура сварного шва при сварке известным способом-прототипом.In FIG. 2 - the microstructure of the weld when welding in a known manner, the prototype.

На фиг. 3 - график изменения осевого усилия в зависимости от длины сварного шва.In FIG. 3 is a graph of the change in axial force depending on the length of the weld.

На фиг. 4 - график изменения заглубления в зависимости от длины сварного шва.In FIG. 4 is a graph of the change in depth depending on the length of the weld.

На фиг. 5 показана схема закрепления листовых заготовок перед сваркой трением с перемешиванием. На чертеже показаны:In FIG. 5 shows a diagram of fixing sheet blanks before friction stir welding. The drawing shows:

1 - опорный бурт инструмента для СТП;1 - supporting shoulder tool for STP;

2 - пин инструмента для СТП;2 - pin tool for STP;

3 - подложка;3 - substrate;

4 - сварной шов;4 - weld;

5 - свариваемые детали;5 - parts to be welded;

6 - пример установки станочных прижимов;6 - an example of the installation of machine clamps;

7 - линия стыка;7 - joint line;

8 - ось вращения инструмента;8 - axis of rotation of the tool;

9 - нормаль к поверхности деталей;9 - normal to the surface of the parts;

10 - оси установки боковых прижимов;10 - axis installation side clamps;

11 - направление сварки;11 - direction of welding;

12 - направление вращения инструмента;12 - direction of rotation of the tool;

13 - угол наклона инструмента.13 - the angle of the tool.

На фиг. 6 - поперечное сечение сварного шва.In FIG. 6 is a cross section of a weld.

На фиг. 7 - перевернутый относительно Х-направления образца полюсной рисунок для набегающей стороны (EDX анализ).In FIG. 7 - pole pattern inverted relative to the X-direction of the sample for the free side (EDX analysis).

На фиг. 8 - перевернутый относительно Х-направления образца полюсной рисунок для сбегающей стороны (EDX анализ).In FIG. 8 is a pole drawing inverted relative to the X-direction of the sample for the runaway side (EDX analysis).

На фиг. 9 - усредненное распределение микротвердости по высоте сварного шва. На фиг. 9 показано:In FIG. 9 - averaged distribution of microhardness along the height of the weld. In FIG. 9 shown:

Figure 00000001
- верх шва;
Figure 00000001
- top of the seam;

Figure 00000002
- середина шва;
Figure 00000002
- the middle of the seam;

Figure 00000003
- дно шва;
Figure 00000003
- bottom of the seam;

НС - набегающая сторона;NANOSECOND - the free side;

СС - сбегающая сторона;SS - runaway side;

ОМ - основной материал.OM is the main material.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Перед процессом сварки трением с перемешиванием подготавливают кромки свариваемых деталей 5. Для этого детали 5 зажимаются в тисках свариваемыми кромками вверх и фрезеруются по плоскости без скоса кромок. В процессе сварки инструменту придается вращение 300…500 об/мин, заглубление в материал деталей производится со скоростью 10…16 мм/мин, при этом меняется угол инструмента относительно вертикальной оси с 0° до -1,0°…-2,0°, при достижении заданной глубины 95…98% от толщины материала, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент начинает перемещаться вдоль линии стыка со скоростью 300…400 мм/мин, сварка осуществляется при постоянном осевом усилии равном 23…34 кН. При таком режиме заглубление инструмента непостоянно и регулируется в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка.Before the welding process by friction with stirring, the edges of the parts to be welded are prepared 5. For this, the parts 5 are clamped in a vice with the edges to be welded up and milled in a plane without bevel edges. During welding, the tool is rotated 300 ... 500 rpm, the parts are deepened into the material at a speed of 10 ... 16 mm / min, while the angle of the tool relative to the vertical axis changes from 0 ° to -1.0 ° ... -2.0 ° , upon reaching the specified depth of 95 ... 98% of the thickness of the material, while maintaining the angle and speed of rotation, the tool begins to move along the joint line at a speed of 300 ... 400 mm / min, welding is carried out with a constant axial force of 23 ... 34 kN. In this mode, the depth of the tool is inconsistent and is regulated in accordance with the values of the axial force received from the feedback sensors of the machine.

При постоянных скоростях и осевом усилии в первую очередь меняется координата (заглубление инструмента), а также крутящий момент двигателя станка. Все параметры изменяются в определенном интервале, зависящем от обратной связи установки. Например, в процессе сварки от датчика силы поступает сигнал о том, что усилие стало больше заданного и приводы установки незначительно поднимают инструмент из зоны сварки. В случае меньшего усилия заданной величины приводы установки увеличивают глубину погружения инструмента. Данное регулирование происходит с большой частотой и график изменения осевого усилия очень быстро меняет направление вверх-вниз, поэтому выглядит очень плотным при сохранении изменений в определенных пределах (фиг. 3). Нелинейный график координаты при прочих постоянных условиях также меняется дискретно (фиг. 4).At constant speeds and axial force, first of all, the coordinate (tool deepening) changes, as well as the torque of the machine engine. All parameters change in a certain interval, depending on the feedback of the installation. For example, during the welding process, a signal is received from the force sensor that the force has become greater than the set one and the installation drives slightly raise the tool from the welding zone. In case of lesser force of a given value, the unit drives increase the immersion depth of the tool. This regulation occurs with a high frequency and the graph of the axial force changes very quickly changes direction up and down, therefore, it looks very dense while maintaining changes within certain limits (Fig. 3). The non-linear graph of the coordinate, under other constant conditions, also changes discretely (Fig. 4).

Листовые заготовки (детали) 5 обрабатываются в паре, чтобы не допустить появления зазора между ними. Прижим боковых поверхностей деталей 5 осуществляется в плоскости станины перпендикулярно стыку 7 для обеспечения максимально полного контакта сварочных кромок. Прижим деталей 5 в вертикальной плоскости станочными прижимами 6 предотвращает движение деталей 5 относительно станины во время процесса сварки и возникновение высоких циклических нагрузок и изгиба инструмента (фиг. 5), а также обеспечивает плотный контакт деталей 5 с подложкой 3. Подложка 3 используется в виде пластины из нержавеющей стали без внешних дефектов и отполированной до зеркального блеска для предотвращения проникновения расплава алюминия в материал подложки 3 и, как следствие, прилипания к ней свариваемых деталей 5. Подложка 3 должна быть таких размеров, чтобы полностью перекрывать сварной шов 4 и места установки прижимов 6.Sheet blanks (parts) 5 are processed in pairs to prevent the appearance of a gap between them. The press of the side surfaces of the parts 5 is carried out in the plane of the bed perpendicular to the joint 7 to ensure the most complete contact of the welding edges. The clamping of parts 5 in a vertical plane by machine clamps 6 prevents the movement of parts 5 relative to the bed during the welding process and the occurrence of high cyclic loads and bending of the tool (Fig. 5), and also provides tight contact of parts 5 with the substrate 3. The substrate 3 is used in the form of a plate stainless steel without external defects and polished to a mirror finish to prevent the penetration of aluminum melt into the substrate material 3 and, as a result, adhesion of the welded parts to it 5. Substrate 3 to It is necessary to be of such a size as to completely overlap the weld 4 and the installation location of the clamps 6.

На формирование соединения и его качество помимо подготовки кромок и закрепления существенное влияние оказывает форма и длина пина 2 и диаметр опорного бурта 1 (фиг. 5). Использование пина 2 длиной 5,8…11,8 мм цилиндрической формы с двухзаходной левосторонней резьбой и опорного бурта диаметром 18…28 мм с двумя спиральными «левыми» канавками позволяют при положительном вращении инструмента направлять пластифицированный металл к центру и вниз к корню сварного шва, что обеспечит повышение твердости сварного шва (фиг. 6).In addition to edge preparation and fastening, the formation of the joint and its quality are significantly affected by the shape and length of pin 2 and the diameter of the support collar 1 (Fig. 5). The use of pin 2 with a length of 5.8 ... 11.8 mm of a cylindrical shape with two-way left-handed threads and a support collar with a diameter of 18 ... 28 mm with two spiral "left" grooves allows for positive rotation of the tool to direct the plasticized metal to the center and down to the root of the weld, which will increase the hardness of the weld (Fig. 6).

Оптимальное постоянное осевое усилие на инструмент 23-34 кН, скорость вращения 300…500 об/мин, минимальная скорость заглубления 10…16 мм/мин и сообщение инструменту скорости продольной подачи 300…400 мм/мин приводит к росту температуры в ядре сварного шва, повышению степени перемешивания его материала, измельчению зерна до 2 мкм (фиг. 7-8), формированию симметричного сварного шва, образованию на начальном этапе старения наноразмерных зон Гинье - Престона - Багаряцкого (ГПБ) и, в конечном итоге, к повышению твердости сварного шва и минимальному снижению твердости к его донной части (фиг. 9).The optimal constant axial force on the tool is 23-34 kN, the rotation speed is 300 ... 500 rpm, the minimum penetration speed is 10 ... 16 mm / min and the tool is informed by the longitudinal feed rate of 300 ... 400 mm / min, which leads to an increase in temperature in the core of the weld, increasing the degree of mixing of its material, grinding grain to 2 μm (Fig. 7-8), the formation of a symmetrical weld, the formation at the initial stage of aging of nanoscale Guinier – Preston – Bagaryatsky zones (GPB), and, ultimately, to increasing the hardness of the weld and minimized w hardness to its bottom (Fig. 9).

Твердость ядра сварного шва 110-150 HV уменьшается до 130 HV в ЗТМВ на набегающей стороне и до 80 HV в ЗТМВ на сбегающей стороне. Твердость ЗТВ резко падает до твердости основного не термообработанного сплава АА2024 - 60 HV (фиг. 9). Преимуществом заявляемого изобретения является термообработка при использованных технологических параметрах СТП материала ядра сварного шва.The hardness of the weld core 110-150 HV is reduced to 130 HV in ZTMV on the upstream side and to 80 HV in ZTMV on the downstream side. The HAZ hardness drops sharply to the hardness of the main non-heat-treated alloy AA2024 - 60 HV (Fig. 9). An advantage of the claimed invention is heat treatment with the used technological parameters of the STP of the material of the core of the weld.

Для качественного формирования соединения без дефектов в виде пор в корневой части шва (фиг. 6) необходимо обеспечить пребывание металла соединяемых деталей в этой зоне в пластичном состоянии некоторый промежуток времени. В этом случае обеспечивается перемешивание металла деталей в корне шва.For high-quality formation of joints without defects in the form of pores in the root part of the seam (Fig. 6), it is necessary to ensure that the metal of the joined parts in this zone is in a plastic state for a certain period of time. In this case, mixing of the metal parts in the root of the seam is ensured.

Вращение инструмента на стадии заглубления пина в материал детали со скоростью 300…500 об/мин способствует прогреву материала деталей до пластифицированного состояния и позволяет избежать крайних состояний: фрезерования канавки, либо плавления материала деталей.The rotation of the tool at the stage of deepening the pin into the material of the part at a speed of 300 ... 500 rpm promotes heating of the material of the parts to a plasticized state and avoids extreme conditions: milling of the groove, or melting of the material of the parts.

Заглубление пина 2 (фиг. 5) в материал деталей со скоростью 10…16 мм/мин при скорости вращения инструмента 300…500 об/мин и достижение заданной глубины пина, обеспечивающее полный контакт поверхности деталей с опорным буртом 1 инструмента, позволяет прогреть материал деталей в месте контакта с пином и предотвратить появление стружки или излишнего облоя, прогреть корневую зону сварного соединения и сохранить некоторый промежуток времени ее материал в пластичном состоянии. Это обеспечивает повышение твердости сварного шва.The penetration of pin 2 (Fig. 5) into the material of parts at a speed of 10 ... 16 mm / min at a tool rotation speed of 300 ... 500 rpm and reaching a predetermined pin depth, providing full contact of the surface of the parts with the support collar 1 of the tool, allows you to warm the material of the parts in the place of contact with the pin and to prevent the appearance of chips or excessive flaking, warm the root zone of the welded joint and keep its material in a plastic state for a certain period of time. This provides increased hardness of the weld.

Отклонение инструмента относительно вертикальной оси с 0° до -1,0°…-2,0° необходимо для уплотнения сварного шва позади инструмента и снижения вероятности возникновения дефектов сварного шва.The deviation of the tool relative to the vertical axis from 0 ° to -1.0 ° ... -2.0 ° is necessary to seal the weld behind the tool and reduce the likelihood of defects in the weld.

Скорость вращения инструмента 300…500 об/мин в процессе сварки трением с перемешиванием остается постоянной для поддержания твердофазного процесса сварки. Сохранение угла и скорости вращения инструмента в процессе его перемещения вдоль линии стыка позволяет получать плотную мелкозернистую структура сварного шва и достигать прочности сварного соединения свыше 90% от прочности основного материала.The tool rotation speed of 300 ... 500 rpm during the friction stir welding process remains constant to maintain the solid-phase welding process. Saving the angle and speed of rotation of the tool during its movement along the line of the junction allows you to get a dense fine-grained structure of the weld and achieve a weld strength of more than 90% of the strength of the base material.

Поддержание скорости сварки или продольной подачи инструмента 300…400 мм/мин позволяет при прочих заданных параметрах осуществлять процесс сварки деталей без внешних и внутренних дефектов, а также без значительного роста зерен различных зон сварного шва.Maintaining the welding speed or longitudinal feed of the tool 300 ... 400 mm / min allows for other specified parameters to carry out the welding process of parts without external and internal defects, as well as without significant grain growth in various zones of the weld.

Сварка при постоянном осевом усилии, равном 23…34 кН, позволяет обеспечить равномерную структуру сварного шва без дефектов и пористости в корне шва. При этом сварка с постоянным усилием и управлением по обратной связи, в отличие от сварки с постоянным уровнем заглубления, позволяет ликвидировать дефекты, возникающие при отклонении от плоскостности подложки, станины станка и самих деталей. При уменьшении усилия возникает риск непровара в корне шва и возникновения дефектов в виде «червоточины» (тоннельный дефект). При увеличении усилия инструмент будет сильнее заглубляться в материал деталей, тем самым приводя к утонению сварного шва, появлению концентраторов напряжений на границах перемещения опорного бурта, а также подмешиванию материала подложки в сварочной шов, деформации подложки и риску разрушения инструмента.Welding with a constant axial force of 23 ... 34 kN allows you to ensure a uniform structure of the weld without defects and porosity in the root of the weld. In this case, welding with constant effort and feedback control, in contrast to welding with a constant level of penetration, eliminates defects that occur when the substrate, the machine bed, and the parts themselves deviate from the flatness. With a decrease in force, there is a risk of lack of penetration at the root of the seam and the occurrence of defects in the form of a “wormhole” (tunnel defect). As the force increases, the tool will penetrate deeper into the material of the parts, thereby leading to a thinning of the weld, the appearance of stress concentrators at the boundaries of the movement of the support collar, as well as mixing of the substrate material into the weld, deformation of the substrate and the risk of tool destruction.

По предлагаемому способу выполняли опытную сварку образцов толщиной 12 мм из деформируемого алюминиевого сплава АА2024. Для сварки использовался инструмент с пином в форме цилиндра с левосторонней двухзаходной резьбой с шагом 2,8 мм, длиной 11,8 мм и опорным буртом диаметром 25,4 мм со спиральной канавкой. Материал пина - хромо-никель-кобальтовый сплав MP 159 (США), опорного бурта - инструментальная сталь Н13 (США). При сварке инструменту придается вращение 300 об/мин, заглубление в материал заготовок производится со скоростью 12 мм/мин, при этом меняется угол инструмента относительно вертикальной оси с 0° до -1,5°, по достижении заданной глубины 11,8 мм, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент начинает перемещаться вдоль линии стыка со скоростью 300 мм/мин, сварка осуществляется при постоянном осевом усилии, равном 34 кН. При таком режиме заглубление инструмента непостоянно и регулируется в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка.The proposed method performed experimental welding of samples with a thickness of 12 mm from a deformable aluminum alloy AA2024. For welding, a tool with a pin in the form of a cylinder with a left-side double-thread was used with a pitch of 2.8 mm, a length of 11.8 mm and a support collar with a diameter of 25.4 mm with a spiral groove. The pin material is chromium-nickel-cobalt alloy MP 159 (USA), the supporting collar is tool steel H13 (USA). When welding the tool, a rotation of 300 rpm is imparted, deepening into the workpiece material is carried out at a speed of 12 mm / min, while the angle of the tool relative to the vertical axis changes from 0 ° to -1.5 °, upon reaching the specified depth of 11.8 mm, while maintaining the angle and speed of rotation, the tool begins to move along the line of the joint at a speed of 300 mm / min, welding is carried out with a constant axial force of 34 kN. In this mode, the depth of the tool is inconsistent and is regulated in accordance with the values of the axial force received from the feedback sensors of the machine.

Результаты исследований и испытаний приведены на фиг. 6-9. Металлографическое исследование структуры сварного шва в его поперечном сечении (фиг. 6), оценка размера зерен и их преимущественного направления во всех зонах сварного шва на набегающей (фиг. 7) и сбегающей сторонах (фиг. 8) с использованием EDX анализа и исследование усредненного распределения микротвердости по высоте сварного шва (фиг. 9) в результате механических испытаний позволяют заключить, что разработанный способ способствует росту температуры в ядре сварного шва, повышению степени перемешивания его материала, измельчению зерен до 2…10 мкм, формированию симметричного сварного шва, образованию на начальном этапе старения наноразмерных зон Гинье - Престона - Багаряцкого и, в конечном итоге, повышению твердости ядра и ЗТМВ сварного шва и минимальному снижению твердости к его донной части.The results of research and testing are shown in FIG. 6-9. A metallographic study of the structure of the weld in its cross section (Fig. 6), estimation of grain size and their preferred direction in all zones of the weld on the upstream (Fig. 7) and recession sides (Fig. 8) using EDX analysis and the study of the averaged distribution microhardness along the height of the weld (Fig. 9) as a result of mechanical tests suggest that the developed method contributes to an increase in temperature in the core of the weld, increase the degree of mixing of its material, and grind the grains to 2 10 .mu.m, forming a symmetrical weld formation in the initial stage of aging nanoscale zones Guinier - Preston - Bagaryatskogo and, ultimately, increasing core firmness and ZTMV weld hardness and the minimum reduction in its bottom part.

Анализ результатов испытаний, приведенных на фиг. 9, показывает, что в предлагаемом способе твердость ядра сварного шва на 50…90 HV выше твердости основного материала (АА2024-0). В прототипе твердость ядра и ЗТМВ сварного шва ниже твердости основного материала (АА2024-351) на 15…20 HV и 30…40 HV соответственно, что свидетельствует о меньшей прочности сварного шва.Analysis of the test results shown in FIG. 9 shows that in the proposed method, the hardness of the core of the weld is 50 ... 90 HV higher than the hardness of the base material (AA2024-0). In the prototype, the hardness of the core and the HAZ of the weld is lower than the hardness of the base material (AA2024-351) by 15 ... 20 HV and 30 ... 40 HV, respectively, which indicates a lower strength of the weld.

Figure 00000004
Figure 00000004

Claims (1)

Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений из алюминиевых деформируемых сплавов, включающий погружение вращающегося инструмента, состоящего из пина и опорного бурта, в стык соединяемых деталей до достижения заданной глубины, равной 95-98% толщины свариваемых деталей, перемещение инструмента вдоль линии соединения, подъем вращающегося инструмента и выведение его из стыка, отличающийся тем, что используют сварочный инструмент с пином, выполненным длиной 5,8…11,8 мм цилиндрической формы с левосторонней резьбой и опорным буртом диаметром 18…28 мм, до введения пина в стык деталей осуществляют закрепление листовых деталей толщиной 6…12 мм в тисках и фрезерование свариваемых кромок по плоскости, погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют со скоростью вертикального перемещения 10…16 мм/мин и скоростью вращения 300…500 об/мин, при этом угол инструмента изменяют относительно вертикальной оси с 0° до -1,0°…-2,0°, глубину погружения инструмента регулируют в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка, затем инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 300…400 мм/мин при постоянных угле, скорости вращения и осевом усилии 23…34 кН.A method of friction welding with stirring of butt joints of aluminum deformable alloys, comprising immersing a rotating tool consisting of a pin and a support collar in the joint of the parts to be joined until a predetermined depth of 95-98% of the thickness of the parts to be welded is reached, moving the tool along the connection line, raising the rotating tool and removing it from the joint, characterized in that they use a welding tool with a pin made of a length of 5.8 ... 11.8 mm of a cylindrical shape with left-hand thread and a support collar m with a diameter of 18 ... 28 mm, before introducing a pin into the joint of parts, sheet metal parts with a thickness of 6 ... 12 mm are fixed in a vise and milling the edges to be welded along the plane, the tool is immersed in the joint of the joined parts at a speed of vertical movement of 10 ... 16 mm / min and a speed rotation 300 ... 500 rpm, while the angle of the tool is changed relative to the vertical axis from 0 ° to -1.0 ° ... -2.0 °, the immersion depth of the tool is adjusted in accordance with the values of the axial force received from the feedback sensors of the machine, then ins the pipe is moved along the joint line at a speed of 300 ... 400 mm / min with constant angle, rotation speed and axial force of 23 ... 34 kN.
RU2016126838A 2016-07-04 2016-07-04 Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing RU2634402C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126838A RU2634402C1 (en) 2016-07-04 2016-07-04 Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016126838A RU2634402C1 (en) 2016-07-04 2016-07-04 Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2634402C1 true RU2634402C1 (en) 2017-10-26

Family

ID=60154060

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016126838A RU2634402C1 (en) 2016-07-04 2016-07-04 Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2634402C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2686494C1 (en) * 2018-10-12 2019-04-29 Закрытое акционерное общество "Чебоксарское предприятие "Сеспель" Method of friction welding with mixing of joints of aluminium alloys
RU2709908C1 (en) * 2019-05-29 2019-12-23 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method of obtaining welded joints of thermo-reinforced aluminum alloys with high endurance limit
RU2780760C1 (en) * 2021-12-29 2022-09-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" Method for fabrication by friction stir welding of structures from sheets of aluminum or copper alloys
CN116673591A (en) * 2023-07-24 2023-09-01 宁波齐云新材料技术有限公司 A friction welding robot equipment with alignment detection structure

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993010935A1 (en) * 1991-12-06 1993-06-10 The Welding Institute Improvements relating to friction welding
GB2306366A (en) * 1995-10-20 1997-05-07 Welding Inst Friction stir welding
RU2126738C1 (en) * 1994-03-28 1999-02-27 Дзе Велдинг Институт Method of friction welding with mixing and permanent probe for use in friction welding
RU2247639C1 (en) * 2003-05-27 2005-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российская самолетостроительная корпорация "МиГ" Method for friction welding of aluminum alloy butt joints
RU2277465C1 (en) * 2004-09-29 2006-06-10 Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО "НИАТ") Friction welding method and tool for its implementing

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993010935A1 (en) * 1991-12-06 1993-06-10 The Welding Institute Improvements relating to friction welding
RU2126738C1 (en) * 1994-03-28 1999-02-27 Дзе Велдинг Институт Method of friction welding with mixing and permanent probe for use in friction welding
GB2306366A (en) * 1995-10-20 1997-05-07 Welding Inst Friction stir welding
RU2247639C1 (en) * 2003-05-27 2005-03-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российская самолетостроительная корпорация "МиГ" Method for friction welding of aluminum alloy butt joints
RU2277465C1 (en) * 2004-09-29 2006-06-10 Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО "НИАТ") Friction welding method and tool for its implementing

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
С. GENEVOIS et al. Doisneau-cottignies. Quantitative investigation of precipitation and mechanical behaviour for AA2024 friction stir welds // Acta Materialia 53 (2005). *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2686494C1 (en) * 2018-10-12 2019-04-29 Закрытое акционерное общество "Чебоксарское предприятие "Сеспель" Method of friction welding with mixing of joints of aluminium alloys
RU2709908C1 (en) * 2019-05-29 2019-12-23 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method of obtaining welded joints of thermo-reinforced aluminum alloys with high endurance limit
RU2780760C1 (en) * 2021-12-29 2022-09-30 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" Method for fabrication by friction stir welding of structures from sheets of aluminum or copper alloys
CN116673591A (en) * 2023-07-24 2023-09-01 宁波齐云新材料技术有限公司 A friction welding robot equipment with alignment detection structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Raturi et al. Joint strength and failure studies of dissimilar AA6061-AA7075 friction stir welds: Effects of tool pin, process parameters and preheating
He et al. Effect of tool rotational speed on residual stress, microstructure, and tensile properties of friction stir welded 6061-T6 aluminum alloy thick plate
Rajendran et al. Effect of tool tilt angle on strength and microstructural characteristics of friction stir welded lap joints of AA2014-T6 aluminum alloy
Zhang et al. Effect of welding parameters on microstructure and mechanical properties of friction stir welded 2219Al-T6 joints
Khodir et al. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded AA2024-T3 aluminum alloy
Li et al. Microstructure and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded ZK60 magnesium alloy
Cui et al. Process parameter influence on defects and tensile properties of friction stir welded T-joints on AA6061-T4 sheets
Besel et al. Fatigue behavior of friction stir welded Al–Mg–Sc alloy
Li et al. Characteristics of the reverse dual-rotation friction stir welding conducted on 2219-T6 aluminum alloy
Hou et al. Influences of rotation speed on microstructures and mechanical properties of 6061-T6 aluminum alloy joints fabricated by self-reacting friction stir welding tool
Hou et al. Influences of joint geometry on defects and mechanical properties of friction stir welded AA6061-T4 T-joints
Chandran et al. Submerged friction stir welding of 6061-T6 aluminium alloy under different water heads
Fall et al. Effect of process parameters on microstructure and mechanical properties of friction stir-welded Ti–6Al–4V joints
Imani et al. Improving friction stir welding between copper and 304L stainless steel
Shinde et al. Low cost friction stir welding: a review
RU2634402C1 (en) Friction welding method with aluminium wrought alloys mixing
Jamshidi Aval et al. A study on natural aging behavior and mechanical properties of friction stir-welded AA6061-T6 plates
Mahto et al. Mechanism of microstructure evolution and grain growth in friction stir welding of AA6061-T6 and AISI304 in air and water media
Han et al. Effect of post-weld heat treatment on mechanical properties of local weld-affected zones in friction stir welded AZ31 plates
Li et al. Effects of welding speed on microstructures and mechanical properties of AA2219-T6 welded by the reverse dual-rotation friction stir welding
Reyaz et al. Effect of pulsed TIG welding parameters on the microstructural evolution and mechanical properties of dissimilar AA6061-T6 and AA7075-T6 weldments
Xie et al. Influence mechanism of pin thread in friction stir welding of magnesium alloys based on the relationship between microstructure and mechanical properties
Chowdhury et al. Effect of pin tool thread orientation on fatigue strength of friction stir welded AZ31B-H24 Mg butt joints
Xiao et al. Effect of heat input on microstructure and mechanical properties of friction stir welded AA2024 and AA7075 dissimilar alloys
Xu et al. Microstructure evolution along thickness in double-side friction stir welded 7085 Al alloy