Vigtigste varianter af friktionssvejsning

Denne artikel kaster lys på de to vigtigste varianter af friktionssvejsning. Varianterne er: 1. Træghedssvejsning 2. Friction Stir Welding (FSW).

Variant # 1. Træghedssvejsning:

I denne proces er en af ​​komponenterne, der skal svejses, fastspændt i en roterende chuck med et svinghjul fastgjort til den, mens den anden er fastspændt i en fast position. Chucken med svinghjulet hæves til en foruddesignet hastighed for at opbevare den krævede mekaniske energi; den kan frigøres fra drivmekanismen ved hjælp af en kobling.

Arbejdstykkerne bringes sammen og en aksial kraft påføres. Den friktion, der er udviklet ved faying overfladerne, tilvejebringer en bremsekraft, som omdanner den roterende masses kinetiske energi til at opvarme ved grænsefladen. På et tidspunkt i cyklussen nås hastigheden, hvor der opstår mindre varme på grund af gnidning, end det afgives til de køligere dele.

Drejningsmomentet stiger hurtigt til en topværdi, da det opvarmede metal opstår under tryk lige før rotationen stopper. Om ønsket kan et ønsket smedningstryk påføres, når drejningsmomentet når topværdien. Fig. 13.14 viser egenskaberne ved inerti friktion svejsning.

Hovedforskellen mellem de to metoder er, at mens den kontinuerlige drivfriktionssvejsning udføres med konstant spindelhastighed, starter inertisvejsning med høj hastighed og fortsætter med en stadigt faldende hastighed. Det hævdes, at inertisvejsning kan give kortere svejsetid, små kraver af ekstruderet metal, og at svejsernes mekaniske styrke i begge tilfælde er ens. Imidlertid er inertia svejseprocessen mindre populær end den kontinuerlige drivfriktions svejseproces.

Ved inertionssvejsning øges hastigheden med tiden, tykkelsen af ​​den varme blødgjorte zone øges, den dannede varme falder, og drejningsmomentet stiger. Det aksiale tryk tvinger det varme metal til at koalesere, og en del af det ekstruderes for at danne finen. I sidste fase øges hastigheden for aksial forkortelse og stopper derefter, når svejsningen afkøles. Figur 13.15 viser skematisk opsætningen for inertisvejsning.

Svejsevariabler:

Der er tre hoved svejsevariabler forbundet med friktionssvejsning. Disse er svinghjulets svinghjul, svinghjulets hastighed ved begyndelsen af ​​svejsecyklen, og det aksiale tryk udøves på komponenterne, der svejses. De to første variabler bestemmer den energi, der er til rådighed til svejsning, og det aksiale tryk baseret på materialet og kontaktområdet ved grænsefladen bestemmer mængden af ​​forstyrrelse. Aksial forkortelse justeres normalt ved at justere den oprindelige svinghjulshastighed.

Energi tilgængelig fra svinghjulet til enhver tid er givet af ligningen:

hvor, E = energi, joules

I = inertimoment (Mk ² ), newton-meter

M = massen af ​​de roterende dele, kgm

k = gyrationsradius, m

ω = vinkelhastighed, radianer / sek

N = svinghjulets øjeblikkelige hastighed, omdr./min

Energien til svejsning afhænger af svinghjulets masse og dens omdrejningshastighed. Således kan kapaciteten af ​​en inertia svejsemaskine ændres ved at ændre svinghjulet inden for konstruktionsgrænserne for maskinens kapacitet.

Svejsningstiden afhænger af, hvor hurtigt energien fra svinghjulet omdannes til varme. Konfigurationen af ​​den opvarmede zone kan varieres ved at variere svinghjulskonfigurationen, varmetrykket og omdrejningshastigheden. Varmetilførsel til emne kan også indstilles til at styre bredden af ​​den varmetabte zone og svejsningens svejsningshastighed. Figur 13.16 viser de resulterende virkninger af svinghjulsenergi, opvarmningstryk, tangentialhastigheden på varmemønsteret og findannelsen af ​​forstyrret metal af inertisvejsninger i stål.

Svinghjulskonfiguration:

Trækhjulets træthed afhænger af dens form, diameter og masse. Den energi, der kræves for at lave en bestemt svejsning og en forudindstillet starthastighed, kan manipuleres ved at ændre svinghjulets træthed. Udjævningsfasen for lavt kulstofsvejsning startes normalt ved en perifer hastighed på ca. 60 m / min.

Således kan store svinghjul forlænge smedningsfasen. Små flyhjul kan derimod ikke tilvejebringe tilstrækkelig energi til at udvise urenhederne og opnå en sund eller tilfredsstillende svejsning. Svinghjulsmassen og starthastigheden kan varieres omvendt over et bredt område for at opnå de krævede energibehov. Dette muliggør kontrol af HAZ-størrelse og valg af radial placering af startvarme genereret ved svejseprinteren.

Ved konstant indledende hastighed og opvarmningstryk kan jeg svingehjulets energi forøges ved at øge dens størrelse, og dens virkning på den forstyrrede og ekstruderede flash er vist i figur 13.16. Overdreven energi i svinghjul resulterer i øget forstyrrelse og spild af materiale i form af flash.

Hastighed:

Den tangentielle hastighed til enhver tid varierer direkte med radius og rotationshastighed og er givet ved følgende forhold:

V _t = rω

= r. 2 π N

= 6, 286 rN

hvor, V _t = tangential hastighed, m / min

r = radius, m

ω = vinkelhastighed, radianer / sek

N = øjeblikkelig hastighed, omdr./min

Omfanget af periferihastigheden for de bedste svejsninger varierer fra metal til metal og for faste stålstænger varierer det fra 150 til 450 m / min. Svejsninger i stål kan dog laves ved en hastighed så lav som 90 m / min. Hvis hastigheden er for lav, vil opvarmningen i midten være utilstrækkelig, og svejsningen må muligvis ikke produceres over hele grænsefladen, og flashen vil være ru med en form som vist i figur 13.16, selv om energiniveauet er i henhold til krav . Ved mellemhastigheder på 90 til 250 m / min har den plastificerede zone i stål en timeglasform ved den nedre ende af området, der gradvist flader som hastigheden stiger. Også for stål resulterer indledende hastighed over 365 m / min i en svejsning, som er tykkere i midten end ved periferien.

Varmetryk:

Effekten af ​​varierende varmetryk er generelt modsat det hastighedsniveau, som det fremgår af figur 13.16. Svejsningerne lavet ved lavt opvarmningstryk svarer til svejsningerne lavet ved høj indledende hastighed med hensyn til udseendet af svejsestop og HAZ. For højt tryk giver en svejsning med dårlig limning i midten med en stor mængde svejsningsproblemer, som det er tilfældet med svejsninger lavet ved lave hastigheder. Det optimale opvarmningstrykområde for svejsninger i massive stænger af medium carbonstål er 150 til 205 N / mm2.

Variant # 2. Friktionsrørsvetsning (FSW):

Friction Stir Welding er en relativt ny svejseproces, der blev udviklet til TWI * i 1991 og patenteret i 1999. Figur 13.17 viser en skematisk af FSW-processen for sammenføjning af to plader i en firkantet rillekonfiguration. Processen er solid-sate i naturen og afhænger af lokaliseret smedning af svejsegruppen til fremstilling af leddet.

Pladerne, der skal tilsluttes, holdes i kompression og strammes fast i maskinens seng under svejsningen. Friktionsrørssvejsning bruger et ikke-forbrugeligt roterende frustum (trunkeret kegle) pin værktøj lidt kortere end svejsedybden; Et sådant værktøj er vist i figur 13.18, som er kastet ind i samlingen, indtil værktøjsskulderen kommer i kontakt med arbejdsfladen og krydses langs ledningen. Vigtige procesparametre indbefatter værktøjets omdrejningstal og kørehastighed, ligesom værktøjsmålene og nedadgående kraft på værktøjet.

Værktøjets rotationshastighed kan variere fra et par hundrede omdr./min. Til flere tusinde omdr./min. Den aksiale kraft, som kræves for at modvirke trykket dannet i svejsesonen, kan variere fra 1 til 15 KN. Den mekaniske effektudgang til det roterende værktøj er typisk 2 til 5 hk (1, 5 til 3, 7 kW).

Indledningsvis dannes det roterende værktøj i samlingen, indtil skulderen kontrakterer arbejdsfladens trykflade. Varme genereret ved en kombination af friktionsopvarmning og plastisk deformation af emnet blødgør materialet ved siden af ​​værktøjet til en temperatur, der nærmer sig solidus af arbejdsmateriale, uden at der observeres nogen generaliseret smeltning.

Når stiften er kastet ind i samlingen, krydser værktøjet langs samlingen, omrører grænsefladen og producerer en solid-state svejsning. Under svejsningen opvarmes materialet langs leddet til en blødgjort tilstand, overføres rundt om værktøjets periferi og efterfølges igen sammen på bagsiden for at fremstille svejsningen.

I mange nutidige applikationer af FSW forekommer begyndelsen og slutningen af ​​svejsningen på start og stop faner, der muligvis fjernes senere. Men med videreudvikling af FSW-teknikker kan det forventes at styre start / stop ved enhver position på selve emnet. Dette kan kræve kraftstyring under værktøjsspringet, som det er vist i figur 13.19.

Denne figur blev angiveligt produceret til eksperimentelle resultater med et stiftværktøj, der blev støbt ind i metalstykket med en hastighed på 0, 1 mm / sek (0, 25 tommer / min) og rotationshastighed på 400 omdrejninger pr. Minut (41, 9 rad / sek). Det kan ses, at stødkraften når op til 13, 3 KN (3000 lb) før den går tilbage til 4, 4 KN under fremadgående rejse.

Friktionsrør svejsning af Al-legeringer er forholdsvis veletableret og har været anvendt succesfuldt til svejsning af legeringerne 1XXX, 2XXX, 5XXX, 6XXX og 7XXX, såvel som Al-Cu-Li legeringer. Da denne proces ikke indebærer nogen smeltning, har FSW af Al-legeringer flere fordele i forhold til konventionel friktionssvejsning.

Dette indbefatter eliminering af problemer såsom størkningsspredning, væskekreftning, porøsitet og spatter. Andre fordele, der skyldes processen i fast tilstand af processen, omfatter forbedrede mekaniske egenskaber, eliminering af svejsegasser, lav krympning og reduceret svejsestørrelse. Processen kan også udføres i et enkelt pass og i alle svejsepositioner.

Friktionsrørssvejsninger i Al-legering viser flere mikrostrukturelt forskellige regioner, herunder omrøringszonen eller nugget (langs svejsningens centerlinie), den varme og deformation-berørte zone (HDAZ) eller den termomekanisk berørte zone (TMAZ) omrøringszone) og en ægte varmepåvirket zone (HAZ), der omfatter HDAZ. Mikrostrukturer udviklet i forskellige områder af svejsesonen er tæt forbundet med den lokale termomekaniske cyklus, som i sig selv styres af den samlede belastning, belastningshastigheden og temperaturen udviklet under FSW-drift.

Indtil videre har de fleste FSW-effekter udviklet sig i forbindelse med Alloy, men der er selvfølgelig interesse i at udvide denne teknologi til sammenføjning af andre materialer, især stål. Dette skyldes, at FSW synes at tilbyde flere fordele i forhold til buesvejsning af stål.

De lavere tilsyneladende energitilførsler af FSW forventes at minimere kornvækst i HAZ og begrænse forvrængning og restspændinger i stål. Minimering af forvrængning og restspænding er yderst vigtig i svejsematerialer af tykt sektion, såsom i skibsbygning og tung fremstillingsindustri. Udskiftning af buesvejsning med FSW vil også eliminere eller i det mindste reducere svejsningsdampene, især dem, der indeholder hexavalent krom. Derudover elimineres problemer med hydrogenkrakning i stål, fordi FSW er en solid-state svejseproces. Tværtimod gør disse fordele FSW attraktivt for tilslutning af stål til mange anvendelser.

Fordele og begrænsninger af FSW:

Større fordele ved FSW inkluderer strømmen:

1. Intet behov for fyldstof eller forbrugsstoffer,

2 Minimal fælles kantpræparation,

3. Embedded oxid fjernelse fra fælles faying overflader,

4. Klar automatisering,

5. Høj fælles styrke, højkvalitets svejsninger end fusion svejsninger,

6. Mulighed for svejsningsløsninger, som ikke kan svejses ved fusionsvejseprocesser på grund af sprængfølsomhed, og

7. Dyrt erhvervsuddannelse er ikke nødvendig.

Begrænsninger:

Større ulemper ved processen er det nødvendige fælles klemtryk og den følgelig højere effekt, der er nødvendig for at bevæge det roterende værktøj langs leddet.

(a) Hybrid friktion Stir Welding:

For at overvinde ulemperne ved FSW er en 700 W multimode Nd: YAG laser blevet anvendt til at forvarme arbejdsemnet foran det fremadrettende roterende værktøj, som vist skematisk i figur 13.20. Ved opvarmning og blødgøringsmateriale foran det roterende værktøj kræves der langt mindre klemkraft for at udvikle tilstrækkelig friktionsopvarmning til at forårsage en sådan blødgøring, og langt mindre kraft er nødvendig for at bevæge svejseværktøjet. Disse to processer kombinerer for dramatisk at reducere slid og brud på værktøjet.

Den operative mekanisme er enkel, dvs. forvarmning til lavere plaststrømspænding af FSW.

(b) Friktion Stir Spot Svejsning:

Dette er en lille variant af normal FSW-proces og bruges til spot svejsedøre og hætte i sportsvogne.

På grund af sin højere varmeledningsevne er aluminium vanskeligere at se svejsning med konventionelle bue- eller modstandssvejseprocesser. Friktionsrørssvejsning har vist sig at være mere effektiv og økonomisk til dette formål.

Til sammenføjning af aluminiumspaneler anvendes robotstyret friktionsrørpistol. Pistolen greb delene fra begge sider og smider en spindel, der skaber friktionsvarme, blødgør metalet og danner en svejsesamling i aluminiumpanelet som vist i figur 13.21.

En bilproduktion har rapporteret om 99% reduktion i elforbruget ved at anvende Friction Stir Spot Welding i stedet for den konventionelle modstandssvejsning. I modsætning til konventionel modstandsstudssvejsning behøver ikke svejsning af friktionsrørstedpletter ikke kølevæske, trykluft eller tung elektrisk strøm. Desuden involverer friktionsrør punktsvetsningsudstyr 40% mindre kapitalinvesteringer sammenlignet med resistens spot svejsning apparat til aluminium.

Denne proces kræver ikke forrensning af emnerne, og genererer ikke damp eller sprøjt.

(c) friktionsrør overfladebehandling

Friktionsrørsvetsningsprocessen kan også anvendes til metaloverfladebehandling, hvis grundprincip er illustreret i figur 13.22.

For friktionsrøroverfladen roteres forbrugselektroden og presses ned, mens pladen, der skal overfladebehandles, bevæges under lateralt.

Materialet til deponering skal have god adhærens til pladematerialet for at have fuldstændig sammenblanding mellem de to materialer.

Selv om processen er blevet forsøgt succesfuldt, kan dens praktiske anvendelse på industriel skala imidlertid tage engang.

d) Diverse udviklinger:

En af de mere aktivt betragtede variant af standard FSW-proces er den, der er kendt som selvreagerende FSW-proces.

Den selvreagerende FSW-proces, vist skematisk i figur 13.23, involverer brugen af ​​et selvreagerende pinværktøj, der har to skuldre; en placeret på arbejdsstykkernes overflade og den anden på undersiden. En gevindstift, der er placeret mellem de to skuldre, går gennem materialetykkelsen. Under svejsningen er de to skuldre anbragt tæt mod kronen og rodfladerne på svejsearmen og komprimerer den således for at påføre de krævede smedbelastninger. Den dobbelte skulder / pin-enhed roterer som en enkelt enhed, mens den går gennem svejselinjen.

Den primære fordel ved industrien. Rørformede overgangsledninger kan også laves mellem aluminium og ved hjælp af det selvreaktive stiftværktøj, i stedet for standardværktøjet til enkeltværktøj, er det, at det eliminerer kravet om dyrt værktøj, der er nødvendigt for at indeholde de mekaniske smedekræfter, der genereres under FSW-processen.

En anden FSW-fremskridt under undersøgelse er svejsningen af ​​meget tykke materialer. Et nyt indtrækningsværktøj er designet til at svejse og lukke nøglehullets svejsepool i materialer 50 mm eller endnu mere i tykkelse. Også under undersøgelse er FSW af små svejser i ledninger og kanaler til rumfartøjer, der anvender et orbital svejsehoved, samt svejsninger i rørsystemer med større diameter anvendt i olieindustrien.