Friktionssvetsning: Drift, Maskiner och applikationer
Efter att ha läst denna artikel kommer du att lära dig om: - 1. Introduktion till friktionssvetsning 2. Teoretiska överväganden för friktionssvetsning 3. Processegenskaper 4. Maskiner och utrustning 5. Variabler 6. Svetsegenskaper 7. Gemensam design 8. Applikationer.
Introduktion till friktionssvetsning:
Vid friktionssvetsning roteras en stycke och den andra är gjord för att gnida mot den under en axiell belastning vilket resulterar i ökad friktion, värmegenerering och sammanfogning när bitarna bringas att vila under hållbar eller förstärkt axiell belastning, såsom visas i fig 13.1. Denna process har använts för att ansluta termoplastiska polymerer sedan 1945, men dess första framgångsrika applikation för svetsning av metaller rapporterades från Ryssland år 1956.
Fig. 13.1 Sekvens av friktionssvetsning
Fyllmedels-, fluss- eller avskärmningsgas krävs inte vid friktionssvetsning och foget är likartat i utseende till de som framställs av elektriska motståndsskottsvetsningsprocesser av blixt och upprörd svetsning.
Normalt svetsas cylindriska delar som stavar och rör genom denna process men dess tillämpning kan utvidgas till situationer där en av komponenterna är symmetrisk och kan roteras bekvämt. Olika sätt av processen, som det används för närvarande, visas i fig 13.2.
Metod A är det enklaste och gäller för de flesta stål i temperaturområdet 900 - 1300 ° C. Metod B används när höga relativa hastigheter krävs för att svetsa arbetsstycken med liten diameter. Metod C används för tvillingsvetsningar mellan två långa arbetsstycken som är svåra att rotera. Metod F visar vad som är känd som radiell svetsning, i vilken den applicerade kraften är vinkelrätt mot rotationsaxeln.
Den yttre ringen eller hylsan komprimeras när den upphettas och rörväggen stöds av en invändigt expanderande dorn som förhindrar penetrering av upprörd metall i rörets borrning. Denna metod kan också användas för svetsning av kravar till fasta axlar.
Metod H kan användas för svetsning av cylindriska komponenter till plattor, exempelvis en stång till en basplatta. Metod G visar friktionssvetsningen av icke-cirkulära komponenter; i så fall stämmer delarna snabbt efter att rörelsen upphör, så att sammansättningen påverkas när de två kanterna fortfarande är i plasttillståndet.
Teoretiska överväganden för friktionssvetsning:
Chudikov och Vill från Ryssland krediteras med framgångsrik applicering av friktionssvetsning till metaller. Grundläggande övervägande av processen är givetvis baserad på den välkända lagen att friktionskraften F är proportionell mot den applicerade normala belastningen, L.
Således,
F = μl ............ (13, 1)
Där μ är friktionskoefficienten som ökar med ökad belastning och är också beroende av hastigheten. Enligt Vill friktionskraft kan uttryckas med följande ekvation,
F - aA + βL ....... (13.2)
där A är kontaktområdet och a och p är konstanter. För höga tryckvärden är den första termen mycket liten och därmed F = βL där β är nästan lika med μ så att den grundläggande friktionslagen håller sig bra.
Från starten av operationen tills svetsen är klar efter bromsning varierar friktionskraften. För att studera dess effekter på processens olika faser är det lämpligt att göra det genom att analysera tidsmomentförhållandet som visas i figur 13.3. Den initiala toppen i vridmomentkurvan beror på torrfriktion men kort efter följer den andra fasen av processen där beslag och bristning äger rum vid kontaktens höga punkter.
Medeltemperaturen under andra fasen är endast 100-200 ° C. Den snabba uppgången och den fluktuerande naturen hos kurvan beror på förändringen från marginal- eller gränsskiktets friktion med μ. = 0, 1 till 0, 2 till ren friktion med μ> 0, 3.
Vridmomentet i US-anfallspunkterna ökar och slutligen smält metall kan uppträda vid dessa kontaktpunkter och fungera som ett smörjmedel och gränssnittets genomsnittliga temperatur kan stiga till 900-100 ° C.
Endast 13% av den totala värmen produceras under de två första stegen (T 1 + T 2 ) medan resten produceras under tredje etappen (T 3 ). Ökad hastighet istället för att minska processens varaktighet ökar den, vilket framgår av fig 13.4. Detta beror på att ökad hastighet resulterar i minskad värmeintensitet.
Värmeenergi genererad per enhetarea av de fayingytor som ges är följande uttryck:
H ≈2 PK / nR 10 2 watt / mm 2 .................. (13.3)
var,
H = värme genererad, watt / mm 2
P = applicerat tryck, N / mm 2
R = arbetsradie, mm
n = rpm
K = en konstant = 8x10 7 mm 2 / min 2 för låg kolstål.
Den andra etappen kan täcka nästan 30-70% av den totala tiden; men denna fas är icke-produktiv, så den är avsedd att minska sin tidsperiod för att öka produktiviteten. Detta görs vanligen genom att öka klämtrycket maximalt.
Kraften som krävs beräknas vara proportionell mot det axiella trycket och varaktigheten av det tredje steget är omvänt proportionellt mot det axiella trycket. För optimala resultat bör således den axiella belastningen hållas låg under initialfasen och ökas gradvis eller kan appliceras i två steg.
Den maximala temperaturen som uppnås styrs av den pålagda axiella belastningen, eftersom metallen under en viss styrka kommer att pressas ut under en specifik belastning. När viskositeten eller styrkan hos plastmetallen är låg blir metallet kastat ut av centrifugalkraften under en låg axiell belastning, exempelvis vid svetsning av koppar.
Vid friktionssvetsning av olika metallkombinationer, såsom rostfritt stål till kolstål, kan planet för maximal temperatur flytta sig bort från gränssnittet; med hög hastighet rör det sig i rostfritt stål så att hälften av blixten är bimetallisk. I detta fall ger minskning av rotationshastigheten det önskade resultatet och vid en viss hastighet blir gränssnittet igen planet för maximal temperatur och därmed ett plan med maximal skjuvningshastighet.
Det applicerade trycket är kanske den viktigaste enskilda faktorn, eftersom det styr temperaturen och bestämmer vridmomentet som krävs. Värmeingångshastigheten är proportionell mot produkten av moment och rotationshastigheten. Rotationshastigheten måste vara sådan att viss minsta eller tröskelvärde överskrids. Om effekten är över tröskeln är processen självreglerande.
Om för mycket kraft appliceras, ökar bredden på den skjuvade zonen av metall. Om den applicerade effekten ligger strax över tröskeln tar det lång tid innan den önskade temperaturen uppnås och den värmebaserade zonen kommer att vara bred. Den viktigaste variabeln är det tryck som appliceras under rotationen och de rekommenderade värdena för några av metallerna anges i tabell 13.1.
Glidhastigheten varierar från noll i mitten av arbetsstycket till ett maximum vid den yttre ytan och radien vid ⅔rd arbetsstyckets diameter används för beräkningarna. Längre uppvärmningstider resulterar i mer material för smide och för optimala resultat bör det finnas tillräckligt med upphettat material tillgängligt för smide när rotationen är stoppad. Överdriven starttryck resulterar i alltför hög pressning av uppvärmd metall, vilket lämnar endast relativt kall metall som smiddas när smältpressen appliceras.
Processegenskaper hos friktionssvetsning:
Ett av de två arbetsstyckena roteras med konstant hastighet under hela operationen, utom när bromsarna appliceras i sista steget; processen kallas därför ofta som kontinuerlig drivfriktionssvetsning.
Arbetsstyckena gnider ihop under tryck för en förutbestämd uppvärmningstid eller tills en förutbestämd axiell förkortning sker. Driften avbryts sedan och arbetsrotationen stoppas genom att man använder bromsar. Det axiella trycket upprätthålls eller ökas, för att smälta metallen, tills svetsen svalnar. Fig. 13.5 visar hur processparametrarna förändras under svetsning när kraften i slutet ökar för att smida fogen. Svetsar i mjukt stål kan tillverkas genom att bara upprätthålla trycket konstant.
Med minskningen i hastigheten ökar tjockleken på det mycket heta mjukade bandet och vridmomentet sjunker till noll då rotationen stannar.
Förbindningsmekanism vid friktionssvetsning av olika metaller är mer komplex. På grund av mekanisk blandning och diffusion uppstår eventuellt legering i ett mycket smalt band vid gränssnittet. Egenskaperna hos detta smala band kan ha ett betydande inflytande på den övergripande gemensamma prestanda. Mekanisk blandning och sammankoppling kan också bidra till bindning. På grund av dessa komplexiteter är förutsägelse av svetsbarhet hos olika metaller väldigt svårt och det måste fastställas för en speciell tillämpning av en serie test som är speciellt utformade för ändamålet.
Maskiner och utrustning som krävs för friktionssvetsning:
Huvudkomponenterna i en friktionssvetsmaskin, som visas i figur 13.6.
Inkludera:
1. Driven huvud,
2. Klämarrangemang,
3. Roterande och upprörande mekanismer,
4. Kontroller,
5. Bromsmekanism.
Ett av de arbetsstycken som ska svetsas hålls fast i självcentrerande huvud och den andra hålls i en centreringschuck som är monterad på en roterbar spindel som drivs av en motor vanligtvis via en variabel hastighetsdrivenhet.
Roterande chuckar måste vara välbalanserade, ha hög hållfasthet och ge bra gripkraft. Colletchucks uppfyller dessa krav bra och används därför oftast.
Klippets gripmekanism måste vara styv och motstå det pålagda trycket. Serrerade gripkäftar rekommenderas för maximal fastspänning.
Försök att använda svarv för friktionssvetsning var inte mycket framgångsrik eftersom det saknade struktornas styvhet och effektiv gripning. En svarv är inte konstruerad för uthållighetsbehov för friktionssvetsning, eller den är försedd med snabb frigöring av processen. För att få problem med bromsning krävs ett lågt tröghetsmoment i de roterande delarna.
Friktionssvetsmaskiner krävs för att noggrant kontrollera tre variabler, axiell dragkraft, rotationshastighet och grad av upprördhet. Vanligt kol och låglegeringsstål kräver ett smidigt tryck på 15-30 N / mm2 medan volframstål kräver tryck i intervall av 225-400 N / mm2 . Dessa senare värden är jämförbara med trycket som används vid flashstötning. När trycksättningsgraden av ett hydrauliskt system befinner sig vara låg, ersätts det av ett pneumatiskt system.
Längden på svetsning på en diameter på 25 mm ska vara från 5 till 7 sekunder. Detta kan uppnås med en ythastighet på 75 - 600 m / min vilket motsvarar cirka 1000 rpm. Högre hastigheter kan ge bättre slaghållfasthet och är därför önskvärda för ihåliga sektioner och höga legeringslegeringar.
Kontroll av svetsoperationen kan vara efter tiden eller omfattningen av upprördhet. Den sistnämnda metoden tillämpas av gränssnittsomkopplare som är anordnade för att öka trycket för att orsaka störningar efter det att en vis mängd avkortning har inträffat. Långa tider tenderar att tillåta värmen att spridas tillbaka till regioner bakom gränssnittet och därför resultera i stora störningar som är kostsamma att ta bort efter operationen är över. Noggrannheten för upprördhet förväntas ligga inom 0, 1 mm.
Kontroller med tidsföljd är befogade för fall där konstant ytförhållande inte kan garanteras och svetsar är av sekundär betydelse. När tidsstyrning används, föredras höga rotationshastigheter.
Hastigheten för mjukt stål väljs utifrån lagerdiametern och ges av uttrycket:
Nd = (1, 2 till 6, 0) 10 4 ....... (13, 4)
där n är rpm och d är stamdiametern i mm.
De mindre värdena av konstanten hänvisar till svetsning med höga inmatningshastigheter och i sådana fall bör den övre gränsen för kolstål vara 2, 5 x 10 4 .
En typisk sektion av en friktionssvetsning mellan fasta stavar med upprördhet visas i figur 13.7. Den maximala omfattningen av upprördhet kallas den uppenbara upplösningen medan den största svetsade diametern bestämmer omfattningen av Real Upset.
Med hänvisning till ovanstående figur kan dessa värden uttryckas av följande förhållanden:
Snabb bromsning är möjlig för att stoppa rotationen snabbt vid slutet av angiven upphettningstid eller efter en konstruerad mängd axiell förkortning av svetsningen. Detta ger önskad kontroll över den totala svetslängden och breddar det acceptabla området svetsvariabler för kritiska tillämpningar. Med små diametrar, där varvtalet är högt, krävs mycket snabb bromsning, vilket kan uppnås genom elektriska kopplingar, motorbroms eller friktionsbromsning. Också kan arrangemang göras för att frigöra det ursprungligen stationära provet mot slutet av uppvärmningscykeln.
Det finns huvudsakligen två typer av maskiner:
(i) Lågkraftmaskiner med effektvärden av storleksordningen 12 W / mm 2 och
ii) Hög effektmaskiner med 35 till 115 W / mm 2 av det svetsade materialet.
Om tillräckligt tryck finns tillgängligt, är det möjligt att öka kapaciteten hos en maskin med hjälp av en fasningsteknik, såsom visas i figur 13.8.
Problem:
Hitta maskinens effektvärde för friktionssvetsning av ett högt dragstål (0, 2% C, 1% Cr, 0, 4% Ni) med en smältningstemperatur på 900 ° C och en styrka vid den temperaturen på 125 N / mm 2 . Med en rotationshastighet på 3000 varv per minut är en upprörd samling av 2, 8 mm i 10 mm diameter material tillåtet. Antag att friktionskoefficienten, μ = 1, och den under kontinuerlig skjuvning, är skjuvhållfastheten hos materialet lika med tryckhållfastheten och att vridmomentet verkar vid ⅔rd arbetsstyckets radie.
Lösning:
Variabler av friktionssvetsning :
Tre huvudvariabler i kontinuerlig drivfriktionssvetsning är:
(i) Rotationshastighet,
(ii) Axialt tryck, och
(iii) Uppvärmningstid.
(i) Rotationshastighet:
Rotationshastigheten ger den nödvändiga relativa hastigheten vid fayingytorna. Dess storlek beror på att metallen är svetsad och för stål bör den tangentiella hastigheten för både fasta och rörliga arbetsstycken ligga i intervallet 75-110 m / min. Tangentiella s ds lägre än 75 min resulterar i överdrivet vridmoment med följande spännproblem, ojämn uppställning och rivning av metall vid fogen. Friktionssvetsmaskiner för produktionsändamål, hantering av arbetsstycken 50 till 100 mm diameter, brukar vanligtvis vid hastigheter som varierar mellan 90 och 200 m / min.
Höga rotationshastigheter är användbara för svetsning, men axiellt tryck och uppvärmningstid måste kontrolleras noggrant för att undvika överhettning av svetszonen, särskilt för svetsning av svällningsstål för att styra kylhastigheten och eventuellt sprickbildning.
I olika metallsvetsar kan låga rotationshastigheter minimera bildandet av sköra intermetalliska föreningar; dock i allmänhet för att kontrollera svetskvaliteten anses rotationshastigheten inte som en kritisk parameter.
(ii) axialt tryck:
Det applicerade axiella trycket reglerar temperaturgradienten i svetszonen, den kraft som krävs för maskinen och den axiella förkortningen av arbetsstycket. Det specifika trycket beror på den metall som svetsas och fogkonfigurationen. Den kan användas för att kompensera värmeförlusten till en stor kropp som vid rör-till-rörplåtsvetsar.
Applicerat tryck måste vara tillräckligt högt under uppvärmningsfasen för att hålla fayingytorna i nära kontakt för att undvika oxidation. Gemensamma egenskaper kan ofta förbättras om det applicerade trycket ökar vid slutet av uppvärmningsfasen.
För att göra ljudsvetsar i mjuka stål är det vanliga värmepresset vanligen 30 till 60 N / mm 2 medan smältrycket kan ligga i intervallet 75 till 150 N / mm 2 och de vanliga värdena är 55 till 135 N / mm 2 . Emellertid krävs högre smide tryck för höga varmhållfasthetslegeringar som rostfria stål och nickelbaslegeringar. Om en förvärmningseffekt behövs än det axiella trycket på 20 N / mm 2 appliceras initialt under en kort period som sedan höjs till det normala värmepresset.
(iii) Uppvärmningstid:
Uppvärmningstiden styrs beroende på huruvida en fast förinställd tid är tillåten för läkning eller graden av axiell störning ska ligga inom de angivna gränserna.
Överdriven tidsbegränsning produktivitet och resulterar i slöseri med material; medan otillräcklig tid kan leda till ojämn uppvärmning såväl som infångad oxid och obundna områden vid gränssnittet. Längden på svetsning för en diameter på 25 mm bör vara från 5 till 7 sekunder vid en varvtal på 1000 rpm.
Svetsegenskaper för friktionssvetsning:
En av de attraktiva egenskaperna hos friktionssvetsning är svetsarnas metallurgiska kvalitet; snabbheten i värmeproduktion ger en nästan försumbar värmeberörd zon. På grund av god kontroll över temperaturen och då plastmetallen utsätts för varm bearbetning under uppvärmningsfasen och för kall bearbetning under smidesfasen resulterar detta i en svetsning med extremt fin kornstruktur.
Metallurgisk undersökning visar ingen smältfaktor eftersom de uppmätta temperaturerna för stål vanligen ligger inom intervallet 1260-1330 ° C. Snabb svetsning leder dock till höga kylningshastigheter vilket resulterar i högre hårdhet i svetszonen. Friktionssvetsar i hårdställande stål måste därför oftast glättas efter svetsning.
Många gånger är friktionssvetsning anställd för att ansluta olika metaller med sikte på ekonomi vid användning av dyra legeringsstål och högtemperaturlegeringar. Det har visat sig att 18/8 (Cr / Ni) rostfritt stål faktiskt är härdad från 200 till 250 VHN på rostfritt stål på grund av diffusion av kol i den.
I en svetsning mellan 18/8 rostfritt stål och 20% Cr-Mo stål ökar hårdheten hos Cr-Mo stål från 175 till 405 VHN men det kan reduceras till 250 VHN genom glödgning. Den ökade hårdheten i rostfritt stål förblir dock opåverkad av glödgning.
Tillfredsställande svetsar mellan aluminium och rostfritt stål kan framställas utan bildning av skört intermetallisk föreningskikt. Svetsar mellan aluminium och mjukt stål och aluminium och koppar kan emellertid resultera i bildning av intermetalliska föreningar vid gränssnittet som kan reduceras i det senare fallet genom att öka smidningstrycket till omkring 200 N / mm2 .
Gemensam design för friktionssvetsning:
Grundläggande fogdesign för friktionssvetsning är densamma som för flitsbottningssvetsning, så långt som möjligt, som områden ska svetsas enligt fig 13.9. Svårigheten att svetsa två ojämna sektioner uppstår på grund av olika värmesänkor på vardera sidan av leden vilket leder till ojämn uppvärmning och störningar. I fallet med en fog mellan en stång och en platta av samma material bör plåttjockleken vara en fjärdedel av stångdiametern.
Fig. 13.9 Typiska gemensamma konstruktioner och vissa industriella tillämpningar friktionssvetsning.
Det är inte möjligt att stryka två kvadratiska stavar i samma sektion till varandra eftersom det resulterar i exponering för hetmetall och därmed oxidation. emellertid kan en stor sexkantig stång svetsas till en mindre cirkulär stång eftersom det inte föreligger någon exponering för hetmetall i sådant fall.
För framgångsrik friktionssvetsning bör arbetsstyckets ytterdiameter inte överstiga den andra med mer än 1, 33 gånger. Längden som sticker ut från chucken ska vara 20-25 mm. Klämmans längd på komponenten ska inte vara mindre än svetsdiametern.
När räkningen eller rören är svetsade på plattor kommer det mesta av det material som bildar blixten från baren eller smörjmedel; Detta beror på att det finns mindre massa i den mindre sektionen och därför tränger värmen in i den.
För koniska fogar är ansikten fasade så att de har en vinkel av 45 ° till 60 ° mot rotationsaxeln, större vinklar är föredragna för låghållfasta metaller för att understödja den axiella kraften som krävs för att åstadkomma adekvat uppvärmningstryck.
Svetsning av olika metaller kan lindras genom att båda delar deformeras på samma sätt. Liknande grad av deformation kan underlättas genom förvärmning av den hårdare komponenten genom friktionsuppvärmning mot en hjälpplatta som avlägsnas vid det lämpliga tillfället. Gasbrännare eller högfrekvent induktionsuppvärmning kan också användas för ändamålet. Ännu en annan metod är att använda en krage eller en hållare med en inre infångning som placeras runt den mjuka stationära komponenten för att innehålla och rikta den mot det hårdare materialet som visas i fig 13.10.
Friktionssvetsning av olika metaller med mycket olika mekaniska eller termiska egenskaper kan underlättas genom att ha större ytarea för metaller med lägre styrka eller lägre värmeledningsförmåga. När blixten inte kan avlägsnas är det enkelt att klara det i en eller båda komponenterna.
Tillämpningar av friktionssvetsning:
Friktionssvetsning används ofta istället för blixt eller svetsning för applikationer där en av komponenterna som ska anslutas har axiell symmetri. Jämfört med blixtsvetsning med blixtsvetsning har fördelen med renhet och balanserad stabil belastning på elnätet. det kan också installeras tillsammans med andra verktygsmaskiner och kan enkelt automatiseras för höghastighetsproduktion.
Nästan alla metall som kan vara smidda och olämpliga för torrlagring kan vara friktionssvetsade. emellertid kan vissa metaller kräva värmebehandling efter svetsning för att avlägsna effekten av släckhärdning vid svetsgränssnittet. Fritt bearbetningslegeringar är svåra att friktion svetsa eftersom de ofta resulterar i svetsar med svaghetsplan i svetszonen på grund av omfördelningen av inklusioner. Sådana svetsar uppvisar ofta lägre värden av styrka, duktilitet och hakhårdhet.
Friktionssvetsning kan användas för att svetsa fast material från 5 mm till 100 mm diameter eller motsvarande områden i rör och rör. På grund av solid-state anslutning friktionssvetsar har högkvalitativ prestanda både i liknande och olika kombinationer.
Kolstål upp till 1, 1% C kan lätt svetsas med undantag av fria skärvaror. Ni-Cr stål upp till 18% Ni och 8% Cr och olika stål kan lätt svetsas; Sortimentet kan innefatta svetsning av 18/8 rostfritt stål till 2 1 / 4 % Cr-Mo stål.
Svetsning av stål, på grund av dess låga konduktivitet och större plastintervall, är relativt mycket enklare än svetsningen av icke-järnmetaller och deras kombinationer.
Den största enskilda användaren av friktionssvetsning är bilindustrin för volymproduktion av komponenter som tillverkning av axelhöljen för bilar och tunga fordon. den sammansatta framställningen visas i figur 13.11. En annan viktig användning är tillverkningen av vridborrningar där tungstenhöga ståländar svetsas till kolstålshållare.
En av de viktiga tillämpningarna av friktionssvetsning är svetsning av tappar till plåtar av vilken tjocklek som helst; En annan tillämpning av processen är produktionen av marina motorventiler, de sålunda producerade ventilerna är lika bra som eller överlägsen de som produceras genom smide. Pumphjul för turboladdare av en dieselmotor kan tillverkas genom friktionssvetsning av en kolstålaxel till en investering gjuten värmebeständigt austenitiskt stål.
Avslutande tätning av rör, såsom visas i fig 13.12, kan också uppnås genom friktionssvetsning. Olika svetsade kombinationer kan innefatta anslutning av rostfritt stål till zirkonium. Fig. 13.13 visar kantförberedelsen för anslutning av rostfritt stålrör till en zirkoniumstång. För framgångsrik anslutning av olika metallkombinationer är det viktigt att använda höga rotationshastigheter (mer än 3200 varv / min) för att minska tjockleken på den intermetalliska zonen till ett minimum.
