2. Инструмент для пст
2.1. Общие положения
Инструменты состоят из опорного бурта и контактного наконечника, который может быть неразъемным с буртом или как отдельная вставка даже возможно из другого материала. Конструкция инструмента очень важна для качества сварки. Наконечник инструмента, вращаясь, благодаря трению вырабатывает тепло и перемешивает свариваемый материал, но опорный бурт также играет важную роль, обеспечивая дополнительную обработку, а так же как препятствует пластичному материалу выбежать из области сварки. Пластичный материал, вытесненный во время перемещения инструмента, улавливается опорным буртом, который проходит по сварному шву, чтобы сделать его поверхность гладкой. Очевидно, что различные материалы разной толщины нуждаются в разнообразных профилях наконечника, и сварка может быть произведена только с одной стороны на половину толщины сварки, тогда возникает необходимость закончить другую сторону.
Высокие циклические напряжения в инструменте при СТП (кручение со знакопеременным изгибом) обусловливают два основных направления его разработки:
— повышение эффективности термомеханического взаимодействия инструмента с материалом стыка;
— использование для инструмента более прочных и износостойких материалов.
При этом преследовались следующие практические цели:
- повышение ресурса инструмента;
- возможность увеличения толщины соединяемых деталей;
- расширение номенклатуры соединяемых СТП материалов (сплавов Ti, Cu, Mg, стали и дp.);
- повышение производительности (скорости сварки);
- решение проблемы устранения кратера в конце шва и дефектов в нем;
- возможность сварки деталей различной формы с соединениями разных типов и дp.
2.2. Виды инструмента
По возможностям сварки инструмент подразделяют на: фиксированный инструмент, простой регулируемый инструмент и сложный регулируемый инструмент.
Фиксируемый инструмент:
- монолитный;
- постоянная глубина проникновения;
- автоматизированное управление одной оси шпинделя;
- требуется специальный держатель инструмента – вставной штифт.
Простой регулируемый инструмент:
- переменная длина контакта;
- переменность проникновения;
- скоординированное движение двух осей шпинделя;
- требуется специальный держатель инструмента – вставной штифт.
Сложный регулируемый инструмент:
- переменное плечо;
- переменная длина контакта;
- переменная толщина полного проникновения;
- скоординированное движение двух осей шпинделя;
- вставной штифт не требуется.
В 90-х годах было запатентовано много предложений, касающихся конструкции инструмента. В одном из ранних патентов Института сварки Великобритании (TWI) предлагался инструмент для перемешивающей сварки трением с многочисленными вариантами формы контактного наконечника. Из заявленных вариантов можно выделить основные признаки: конусную форму наконечника; разную форму его поперечного сечения; наличие на конусной поверхности, по меньшей мере, одного среза, выступа, витка спиральной нарезки или каких-либо других фрагментов, интенсифицирующих процессы перемешивания и пластического течения материала. Длина наконечника зависит от длины соединяемых кромок, а отношение его диаметра в зоне опорного бурта к длине составляет примерно от 4:1 — при толщине кромок 3—6 мм и до 1:1 — при толщине кромок 15—25 мм.
Ниже представлены основные виды инструмента для ПСТ.
Таблица 3.
Таблица 4. Зависимость формы инструмента от материала [2]
Диаметр опорного бурта |
Диаметр цилиндрического наконечника |
Свариваемый материал |
Толщина инструмента |
мм |
мм |
мм |
|
13 |
5 |
6061-T6 Al |
3 |
20-30 |
8-12 |
7050, 2195, 5083, 2024, 7075 Al |
6,35 |
23 |
8,2 |
2024-T351 Al |
6,4 |
20,16 |
6 |
5083,6061 Al |
5,5 |
12 |
4 |
1050 Al и бескислородная медь |
1,8 |
25,4 |
7,87 |
7075-T7351 Al |
9,53 |
23 |
8,4 |
2524-T351 Al |
6,4 |
20 |
4 |
6064 Al до углеродистой стали |
4,5 |
23 |
8,2 |
2024-T351 Al |
7 |
10 |
3,8 |
2095 Al |
1,63 |
25 |
9 |
5251 Al |
5 |