Główne warianty spawania ciernego

Ten artykuł rzuca światło na dwa główne warianty spawania tarciowego. Warianty to: 1. Spawanie bezwładnościowe 2. Spawanie w procesie tarcia (FSW).

Wariant nr 1. Spawanie bezwładnościowe:

W tym procesie jeden z elementów do spawania jest zaciskany w uchwycie obrotowym z przymocowanym do niego kołem zamachowym, podczas gdy drugi jest zaciśnięty w ustalonym położeniu. Uchwyt z kołem zamachowym zostaje podniesiony do przewidzianej prędkości, aby pomieścić wymaganą energię mechaniczną; może być odłączony od mechanizmu napędowego za pomocą sprzęgła.

Elementy są łączone i przykładana jest siła osiowa. Tarcie powstające na powierzchniach nawierzchniowych zapewnia siłę hamowania, która zamienia energię kinetyczną wirującej masy na ciepło na styku. W punkcie cyklu osiąga się prędkość, w której z powodu tarcia powstaje mniej ciepła niż w przypadku chłodniejszych części.

Moment obrotowy gwałtownie wzrasta do wartości szczytowej, ponieważ podgrzany metal ulega rozerwaniu pod ciśnieniem tuż przed zatrzymaniem obrotów. Jeśli jest to wymagane, można zastosować pożądane ciśnienie kowania, gdy moment obrotowy osiąga wartość szczytową. Rys. 13.14 przedstawia charakterystykę zgrzewania tarciowego bezwładnościowego.

Główną różnicą między tymi dwoma metodami jest to, że podczas ciągłego spawania tarciowego napędu odbywa się ze stałą prędkością wrzeciona, spawanie inercyjne rozpoczyna się z dużą prędkością i kontynuuje ze stałą prędkością malejącą. Twierdzi się, że spawanie inercyjne może zapewniać krótszy czas spawania, małe kołnierze wytłaczanego metalu, oraz że wytrzymałość mechaniczna spoin w obu przypadkach jest podobna. Jednak proces spawania inercyjnego jest mniej popularny niż proces ciągłego spawania tarciowego.

Przy spawaniu inercyjnym prędkość maleje wraz z upływem czasu, grubość strefy uplastycznionej wzrasta, wytwarzane ciepło maleje, a moment obrotowy wzrasta. Ciśnienie osiowe zmusza gorący metal do koalescencji, a jego część wytłacza się, tworząc żebro. Podczas końcowego etapu zwiększa się szybkość osiowego skracania, a następnie zatrzymuje się w miarę ochładzania spoiny. Rys. 13.15 pokazuje schemat spawania inercyjnego.

Zmienne spawalnicze:

Istnieją trzy główne zmienne spawania związane z spawaniem ciernym. Są to moment bezwładności koła zamachowego, prędkość koła zamachowego w momencie rozpoczęcia cyklu spawania oraz nacisk osiowy na spawane elementy. Pierwsze dwie zmienne określają energię dostępną do spawania, a ciśnienie osiowe w oparciu o materiał i obszar kontaktu w interfejsie - decyduje o poziomie zakłócenia. Osiowe skracanie jest zwykle regulowane poprzez dostosowanie początkowej prędkości koła zamachowego.

Energia dostępna z koła zamachowego w dowolnym momencie wynika z równania:

gdzie, E = energia, dżule

I = moment bezwładności (Mk ² ), niutonometr

M = masa obracających się części, kgm

k = promień bezwładności, m

ω = prędkość kątowa, radian / s

N = chwilowa prędkość koła zamachowego, obr / min

Energia dostępna do spawania zależy od masy koła zamachowego i prędkości obrotowej. Tak więc wydajność spawarki bezwładnościowej można zmienić, zmieniając koło zamachowe w granicach konstrukcyjnych możliwości maszyny.

Czas cyklu spawania będzie zależeć od tego, jak szybko energia z koła zamachowego zostanie przekształcona w ciepło. Konfiguracja ogrzewanej strefy może być zmieniana poprzez zmianę konfiguracji koła zamachowego, ciśnienia ogrzewania i prędkości obrotowej. Ciepło wprowadzane do przedmiotu obrabianego można również regulować, aby kontrolować szerokość strefy wpływu ciepła i szybkość chłodzenia spawanego elementu. Na rys. 13.16 pokazano wynikowy wpływ energii koła zamachowego, ciśnienia ogrzewania, prędkości stycznej na charakterystykę cieplną i powstawanie płetw spęczonego metalu ze spawów inercyjnych w stali.

Konfiguracja koła zamachowego:

Moment bezwładności koła zamachowego zależy od kształtu, średnicy i masy. Energia potrzebna do wykonania określonego spoiny i zadanej prędkości początkowej może zostać zmanipulowana poprzez zmianę momentu bezwładności koła zamachowego. Faza spęczania spoin niskoemisyjnych rozpoczyna się zwykle od prędkości obwodowej około 60 m / min.

Zatem duże koła zamachowe mogą przedłużyć fazę kucia lub spęczania. Z drugiej strony, małe koła zamachowe mogą nie dostarczać energii wystarczającej do usunięcia zanieczyszczeń i osiągnięcia dobrego, a nawet zadawalającego spawu. Masa koła zamachowego i prędkość początkowa mogą różnić się odwrotnie w szerokim zakresie, aby uzyskać wymagane zapotrzebowanie na energię. Ułatwia to kontrolę wielkości HAZ i wybór promieniowej lokalizacji początkowego ciepła wytworzonego na interfejsie zgrzewu.

Dla stałej prędkości początkowej i ciśnienia ogrzewania energię koła zamachowego można zwiększyć zwiększając jego rozmiar, a jego wpływ na zderzenie i wytłoczony błysk pokazano na rys. 13.16. Nadmierna energia w kole zamachowym powoduje zwiększony spęczenie i marnotrawstwo materiału w postaci błysku.

Prędkość:

Prędkość styczna w dowolnym momencie zmienia się bezpośrednio wraz z promieniem i prędkością obrotową i wynika z następującej zależności:

V _t = r ω

= r. 2 π N

= 6.286 rN

gdzie, V _t = prędkość styczna, m / min

r = promień, m

ω = prędkość kątowa, radian / s

N = chwilowa prędkość, obr / min

Zakres prędkości obwodowej dla najlepszych spawów jest różny w zależności od metalu, a dla prętów ze stali litej wynosi od 150 do 450 m / min; jednakże spoiny ze stali mogą być wytwarzane z prędkością tak niską, jak 90 m / min. Jeśli prędkość jest zbyt niska, nagrzewanie w środku będzie niewystarczające i spoina może nie być wytwarzana na całym interfejsie, a lampa błyskowa będzie szorstka w kształcie pokazanym na fig. 13.16, nawet jeśli poziom energii jest zgodny z wymaganiami . Przy średnich prędkościach od 90 do 250 m / min strefa plastyfikowana w stali ma kształt klepsydry na dolnym końcu zakresu, który stopniowo spłaszcza się wraz ze wzrostem prędkości. Również dla stali prędkość początkowa powyżej 365 m / min powoduje, że zgrzeina jest grubsza w środku niż na obwodzie.

Ciśnienie ogrzewania:

Wpływ zmieniającego się ciśnienia ogrzewania jest zasadniczo odwrotny do wpływu prędkości, co widać na rys. 13.16. Spoiny wykonane przy niskim ciśnieniu podgrzewania są podobne do spoin wykonanych przy wysokiej prędkości początkowej w odniesieniu do wyglądu spawy i HAZ. Nadmierne ciśnienie wytwarza spoinę ze słabym wiązaniem w środku mającym dużą ilość spoiny, jak ma to miejsce w przypadku spoin wykonanych przy niskich prędkościach. Optymalny zakres ciśnienia ogrzewania dla spoin w pełnych prętach ze stali o średniej zawartości węgla wynosi od 150 do 205 N / mm ² .

Wariant nr 2. Spawanie w procesie tarcia (FSW):

Friction Stir Welding to stosunkowo nowy proces spawania, który został opracowany na TWI * w 1991 roku i opatentowany w 1999 roku. Na rys. 13.17 przedstawiono schemat procesu FSW do łączenia dwóch płyt w konfiguracji z kwadratowym rowkiem. Proces ten ma charakter stały i polega na miejscowym kucie obszaru spoiny w celu wytworzenia połączenia.

Łączone płyty są ściskane i sztywno mocowane do łoża maszyny podczas spawania. Zgrzewanie tarciowe używa nieobjętego zużyciem obrotowego trzpienia ściętego stożka (nieco ściętego) nieco krótszego niż głębokość spoiny; jedno takie narzędzie pokazano na rys. 13.18, które jest zanurzone w złączu, do momentu, gdy ramię narzędzia zetknie się z powierzchnią roboczą i przejedzie wzdłuż linii złącza. Ważne parametry procesu obejmują obroty narzędzia i prędkość jazdy, a także wymiary narzędzia i siłę skierowaną w dół na narzędzie.

Prędkość obrotowa narzędzia może zmieniać się od kilkuset obrotów na minutę do kilku tysięcy obrotów na minutę. Siła osiowa wymagana do przeciwdziałania ciśnieniu uformowanemu w strefie spawania może wynosić od 1 do 15 KN. Mechaniczna moc wyjściowa do obracającego się narzędzia wynosi zwykle 2 do 5 HP (1, 5 do 3, 7 kW).

Początkowo narzędzie obrotowe jest zanurzone w złączu, dopóki ramię nie zwęża się na powierzchni gwintowanej przedmiotu obrabianego. Ciepło wytwarzane przez kombinację "ogrzewania tarciowego i plastycznego odkształcania przedmiotu obrabianego zmiękcza materiał sąsiadujący z narzędziem do temperatury zbliżonej do stałej materiału roboczego, podczas gdy nie obserwuje się uogólnionego topienia.

Po wsunięciu sworznia w złącze narzędzie przesuwa się wzdłuż złącza, mieszając interfejs i tworząc spoinę w stanie stałym. Podczas spawania materiał wzdłuż złącza jest podgrzewany do stanu zmiękczenia, przenoszony wokół obrzeża narzędzia, a następnie ponownie łączony wzdłuż tylnej powierzchni w celu wytworzenia spoiny.

W wielu obecnych aplikacjach FSW początek i koniec spawu występują na zakładkach start i stop, które mogą być później usunięte. Jednak przy dalszym rozwoju technik FSW można oczekiwać, że kontroluje start / stop w dowolnej pozycji na samym przedmiocie obrabianym. Może to wymagać sterowania siłą podczas zanurzania narzędzia, jak pokazano na rys. 13.19.

Liczba ta została podobno wyprodukowana dla wyników eksperymentalnych za pomocą narzędzia trzpieniowego, które zostało zanurzone w przedmiocie metalowym z prędkością 0, 1 mm / s (0, 25 cala / min) i prędkością obrotową 400 obrotów na minutę (41, 9 rad / sek). Można zauważyć, że siła zanurzenia osiąga maksimum 13, 3 KN (3000 funtów), po czym spada z powrotem do 4, 4 KN (1000 funtów) podczas jazdy do przodu.

Zgrzewanie tarciowe stopów Al jest stosunkowo dobrze ustalone i zostało z powodzeniem zastosowane do spawania serii stopów 1XXX, 2XXX, 5XXX, 6XXX i 7XXX, a także stopów Al-Cu-Li. Ponieważ proces ten nie wymaga topienia, FSW stopów Al ma kilka zalet w stosunku do konwencjonalnego zgrzewania ciernego.

Obejmuje to eliminację problemów, takich jak pękanie zestalania, pękanie w wyniku pocierania, porowatość i rozpryski. Inne zalety wynikające z własności półprzewodnikowych procesu obejmują ulepszone właściwości mechaniczne, eliminację oparów spawalniczych, niski skurcz i zmniejszone zniekształcenia spoiny. Proces można również przeprowadzić w jednym przejściu i we wszystkich pozycjach spawania.

Zgrzewy z mieszaniem ciernym w stopie Al przedstawiają różne mikrostrukturalnie odrębne regiony, w tym strefę mieszania lub bryłek (wzdłuż linii środkowej zgrzeiny), strefę wpływu ciepła i odkształcenia (HDAZ) lub strefę wpływu termomechanicznego (TMAZ) (otaczającą strefa mieszania) i prawdziwa strefa wpływu ciepła (HAZ) obejmująca HDAZ. Mikrostruktury opracowane w różnych rejonach strefy spawania są ściśle powiązane z lokalnym cyklem termomechanicznym, który sam w sobie jest sterowany przez całkowite odkształcenie, szybkość odkształcania i temperaturę rozwiniętą podczas operacji FSW.

Do tej pory większość efektów FSW ewoluowały w związku z Al Aloys, jednak istnieje oczywiście zainteresowanie rozszerzeniem tej technologii na łączenie innych materiałów, w szczególności stali. Jest tak dlatego, że FSW wydaje się oferować kilka zalet w porównaniu do spawania łukowego stali.

Oczekuje się, że dolne wejścia energii pozornej FSW będą minimalizować wzrost ziaren w strefie wpływu ciepła i ograniczać odkształcenia i naprężenia szczątkowe w stalach. Minimalizacja zniekształceń i naprężeń szczątkowych jest niezwykle ważna w materiałach spawalniczych o grubych przekrojach, takich jak w przemyśle stoczniowym i przemyśle ciężkim. Wymiana spawania łukowego z FSW prawdopodobnie wyeliminuje lub przynajmniej zmniejszy opary spawalnicze, szczególnie te zawierające sześciowartościowy chrom. Dodatkowo, problemy z krakowaniem wodorowym w stalach są wyeliminowane, ponieważ FSW jest procesem spawania w stanie stałym. Wszystkie te zalety sprawiają, że FSW jest atrakcyjne do łączenia stali w wielu zastosowaniach.

Zalety i ograniczenia FSW:

Główne zalety FSW obejmują przepływ:

1. Nie ma potrzeby wypełniacza ani materiałów eksploatacyjnych,

2 Minimalne przygotowanie krawędzi złącza,

3. Wbudowane usuwanie tlenków ze spojonych powierzchni,

4. Gotowa automatyzacja,

5. Wysokie spoiny o wysokiej wytrzymałości i wysokiej jakości niż spawy zespolone,

6. Możliwość spawania stopów, które nie mogą być spawane za pomocą procesów spawania z powodu podatności na pękanie, oraz

7. Kosztowne szkolenie operatorów nie jest konieczne.

Ograniczenia:

Głównymi wadami tego procesu są wymagane ciśnienie mocowania złącza i wynikająca z tego większa moc potrzebna do przemieszczania narzędzia obrotowego wzdłuż złącza.

(a) Spawanie mieszadłem hybrydowym metodą tarcia:

Aby przezwyciężyć wady FSW, zastosowano multimodowy laser Nd: YAG o mocy 700 W, aby wstępnie ogrzać obrabiany przedmiot przed poruszającym się narzędziem obrotowym, jak pokazano schematycznie na fig. 13.20. Poprzez podgrzanie i zmiękczenie materiału przed obracającym się narzędziem, potrzebna jest znacznie mniejsza siła zaciskania, aby uzyskać wystarczające ogrzewanie cierne, aby spowodować takie zmiękczenie, a do przemieszczenia narzędzia spawalniczego potrzebna jest znacznie mniejsza siła. Te dwa procesy łączą się, aby znacznie zmniejszyć zużycie narzędzia i jego uszkodzenie.

Mechanizm operacyjny jest prosty, tzn. Wstępne podgrzewanie w celu obniżenia naprężenia przepływu tworzywa sztucznego w przypadku FSW.

(b) Spawanie punktowe metodą zgrzewania tarciowego:

Jest to niewielki wariant normalnego procesu FSW i jest stosowany do drzwi zgrzewania punktowego i okapu samochodów sportowych.

Ze względu na wyższą przewodność cieplną aluminium jest trudniejsze do zgrzewania punktowego w konwencjonalnych procesach spawania łukowego lub odpornościowego. W tym celu stwierdzono, że zgrzewanie tarciowe jest bardziej wydajne i ekonomiczne.

Do łączenia paneli aluminiowych stosuje się sterowany robotem pistolet z mieszadłem tarciowym. Pistolet chwyta obie części z obu stron i wbija spinning, który wytwarza ciepło tarcia, zmiękczając metal i tworząc złącze zgrzewane w panelu aluminiowym, jak pokazano na rys. 13.21.

Produkcja samochodów zgłosiła 99-procentowe zmniejszenie zużycia energii elektrycznej przy użyciu metody Friction Stir Spot Welding zamiast tradycyjnego zgrzewania punktowego. Ponadto, w przeciwieństwie do konwencjonalnego zgrzewania punktowego, zgrzewanie tarciowe nie wymaga chłodziwa, sprężonego powietrza ani ciężkiego prądu elektrycznego. Ponadto sprzęt do zgrzewania tarciowego z mieszadłem punktowym wiąże się z 40% mniejszym nakładem kapitałowym w porównaniu z urządzeniem do zgrzewania punktowego oporowego dla aluminium.

Proces ten nie wymaga wstępnego czyszczenia przedmiotów i nie generuje oparów ani rozprysków.

(c) Friction Stir Surfacing:

Proces zgrzewania tarciowego można również stosować do napawania metalu, którego podstawową zasadę przedstawiono na rys. 13.22.

W celu uzyskania utwardzania tarciowego, elektroda ulegająca zużyciu zostaje obrócona i dociśnięta, podczas gdy płyta, która ma być napawana, zostaje przesunięta pod bokiem.

Materiał do nałożenia musi mieć dobrą przyczepność do materiału płyty tak, aby uzyskać całkowitą koalescencję pomiędzy tymi dwoma materiałami.

Mimo, że proces został pomyślnie zakończony, jednak jego praktyczne zastosowanie w skali przemysłowej może zająć trochę czasu.

(d) Różne osiągnięcia:

Jednym z bardziej aktywnie rozważanych wariantów standardowego procesu FSW jest proces znany jako samoutrzymujący się proces FSW.

Samo-reakcyjny proces FSW, przedstawiony schematycznie na ryc. 13.23, obejmuje użycie samozatrzaskowego narzędzia szpilkowego, które ma dwa ramiona; jeden znajduje się na górnej powierzchni przedmiotów obrabianych, a drugi na dolnej stronie. Gwintowany trzpień, umieszczony pomiędzy dwoma ramionami, przechodzi przez grubość materiału. Podczas spawania, dwa ramiona są ściśle przylegające do korony i powierzchni korzeniowych złącza spawanego, tym samym ściskając je, aby zastosować wymagane obciążenia kucia. Podwójny zestaw ramię / trzpień obraca się jako pojedyncza jednostka podczas ruchu wzdłuż linii spawania.

Podstawowa zaleta przemysłu. Rurowe połączenia przejściowe można również wykonać między aluminium i przy użyciu samozatrzaskowego narzędzia kołkowego, zamiast standardowego jednoczęściowego narzędzia trzpieniowego, eliminuje się konieczność stosowania kosztownych narzędzi potrzebnych do powstrzymania mechanicznych sił kucia generowanych podczas procesu FSW.

Kolejnym badanym postępem FSW jest spawanie bardzo grubych materiałów. Zaprojektowano nowe, chowane narzędzie w kształcie szpilki do spajania i zamykania basenu z dziurkami od klucza w materiałach o grubości 50 mm lub większej. Badany jest również FSW małych spawów w liniach i kanałach dla pojazdów kosmicznych z orbitalną głowicą spawalniczą, a także spoiny w systemach rur o większej średnicy stosowanych w przemyśle naftowym.