Huvudvarianter av friktionssvetsning

Denna artikel lyfter fram de två huvudsakliga varianterna av friktionssvetsning. Varianterna är: 1. Tröghetssvetsning 2. Friction Stir Welding (FSW).

Variant # 1. Tröghetssvetsning:

I denna process är en av komponenterna som ska svetsas fastklämd i en roterande chuck med ett svänghjul fäst vid den medan den andra är fastklämd i ett fast läge. Chucken med svänghjulet höjs till en förutbestämd hastighet för att lagra den erforderliga mekaniska energin; det kan kopplas från drivmekanismen med hjälp av en koppling.

Arbetsstyckena sätts ihop och en axiell kraft appliceras. Den friktion som utvecklas vid fayingytorna ger en bromskraft som omvandlar den roterande massans kinetiska energi till värme vid gränssnittet. Vid en punkt i cykeln nås varvtalet där mindre värme genereras på grund av gnidning än det som släpps ut till de svalare delarna.

Vridmomentet stiger snabbt till ett toppvärde då den uppvärmda metallen stör under tryck strax innan rotationen slutar. Vid behov kan ett önskat smälttryck appliceras när vridmomentet når toppvärdet. Fig. 13.14 visar egenskaperna hos tröghetsfriktionssvetsning.

Huvudskillnaden mellan de två metoderna är att medan kontinuerlig drivfriktionssvetsning utförs med konstant spindelhastighet, startar inertionssvetsning med hög hastighet och fortsätter med en stadigt minskande hastighet. Det hävdas att tröghetssvetsning kan ge kortare svetstid, små krafter av extruderad metall och att den mekaniska styrkan hos svetsarna i båda fallen är liknande. Tröghetssvetsningsprocessen är emellertid mindre populär än den kontinuerliga drivfriktionssvetsningsprocessen.

Vid inertionssvetsning ökar hastigheten med tiden, tjockleken på den heta mjukade zonen ökar, den genererade värmen minskar och vridmomentet ökar. Det axiella trycket tvingar den heta metallen att koalesceras och en del av den extruderar för att bilda finen. Under sista scenen ökar hastigheten för axiell förkortning och stannar sedan när svetsen svalnar. Fig. 13.15 visar en schematisk bild av inställningen för tröghetssvetsning.

Svetsvariabler:

Det finns tre huvudsvetsvariabler associerade med friktionssvetsning. Dessa är svänghjulets svänghjul, svänghjulets hastighet vid tidpunkten för att svetscykeln initieras och det axiella trycket som utövas på komponenterna svetsas. De två första variablerna bestämmer den energi som är tillgänglig för svetsning och det axiella trycket som är baserat på materialet och kontaktområdet vid gränssnittet bestämmer mängden upprördhet. Axiell förkortning justeras vanligen genom att justera det ursprungliga svänghjulet.

Energi som är tillgänglig från svänghjulet vid något tillfälle ges av ekvationen:

var, E = energi, joules

I = tröghetsmoment (Mk ² ), newton-meter

M = massan av de roterande delarna, kgm

k = gyrationsradie, m

ω = vinkelhastighet, radianer / sek

N = snabbvridning av svänghjul, rpm

Den energi som är tillgänglig för svetsning beror på svänghjulets massa och dess rotationshastighet. Sålunda kan kapaciteten hos en tröghetssvetsmaskin ändras genom att svänghjulet ändras inom konstruktionsgränserna för maskinens förmåga.

Svetscykeltiden beror på hur snabbt energin från svänghjulet omvandlas till värme. Konfigurationen hos den uppvärmda zonen kan varieras genom att variera svänghjulets konfiguration, värmepress och rotationshastigheten. Värmeingången till arbetsstycket kan också justeras för att styra bredden på den värmebestämda zonen och svetsningens kylningshastighet. Fig. 13.16 visar de resulterande effekterna av svänghjulsenergi, uppvärmningstryck, tangentiell hastighet på värmemönstret och finbildningen av upprörda metall av tröghetssvetsar i stål.

Svänghjulskonfiguration:

Svänghjulets tröghetsmoment beror på dess form, diameter och massa. Den energi som krävs för att göra en viss svets och en förinställd initialhastighet kan manipuleras genom att svänghjulet ändras. Uppslamningsfasen för lågkolsvetsningar startas vanligen vid en perifer hastighet av ca 60 m / min.

Således kan stora svänghjul förlänga smides- eller störningsfasen. Små svänghjul kan å andra sidan inte ge tillräcklig energi för att förorena föroreningarna och uppnå en sund eller tillfredsställande svetsning. Svänghjulsmassan och starthastigheten kan varieras omvänt över ett brett område för att få de erforderliga energikraven. Detta underlättar kontrollen av HAZ-storlek och val av radiell plats för initialvärme genererad vid svetsgränssnittet.

För konstant inledningshastighet och uppvärmningstryck kan han energi av svänghjul ökas genom att öka sin storlek och dess effekt på upprörd och extruderad blixt visas i figur 13.16. Överdriven energi i svänghjul resulterar i ökad störning och slöseri med material i form av blixt.

Hastighet:

Tangenthastigheten vid något tillfälle varierar direkt med radie och rotationshastighet och ges av följande förhållande:

V _t = r ω

= r. 2 π N

= 6, 286 rN

var, _Vt = tangentiell hastighet, m / min

r = radie, m

ω = vinkelhastighet, radianer / sek

N = momentan hastighet, varv / min

Området av periferihastigheten för de bästa svetsarna varierar från metall till metall och för fasta stålstänger sträcker sig det för 150 till 450 m / min; men svetsar i stål kan tillverkas med en hastighet så låg som 90 m / min. Om hastigheten är för låg är uppvärmningen i mitten otillräcklig och svetsen får inte produceras över hela gränssnittet och blixten blir grov med en form som visas i figur 13.16, även om energinivån är enligt krav . Vid medelhastigheter 90 till 250 m / min har den mjukade zonen i stål en timglasform vid den nedre änden av intervallet som gradvis plattas ut när hastigheten stiger. Även för stål resulterar initialhastighet över 365 m / min i en svets som är tjockare i mitten än vid periferin.

Uppvärmningstryck:

Effekten av varierande upphettningstryck är i allmänhet motsatt hastigheten som framgår av fig 13.16. Svetsarna gjorda vid lågt upphettningstryck liknar svetsarna gjorda vid hög initialhastighet med avseende på utseendet av svetsstörning och HAZ. Överdriven tryck ger en svetsning med dålig bindning i mitten med stor svetsstörning, vilket är fallet för svetsar gjorda vid låga hastigheter. Det optimala värmepressområdet för svetsar i fasta stavar av medium kolstål är 150 till 205 N / mm ² .

Variant # 2. Friktionsrörsvetsning (FSW):

Friction Stir Welding är en relativt ny svetsprocess som utvecklades vid TWI * 1991 och patenterades 1999. Fig. 13.17 visar en schematisk bild av FSW-processen för sammanfogning av två plattor i en fyrkantig spårkonfiguration. Processen är solid-sate i naturen och bygger på lokaliserad smide av svetsområdet för att producera fogen.

Plattorna som ska fogas hålls i kompression och är fastklämda fast i maskinbädden under svetsning. Friktionsrörsvetsning använder ett icke-förbrukningsbart roterande frustum (stympat kon) stiftverktyg något kortare än svetsdjupet; Ett sådant verktyg visas i fig. 13.18 som dras in i foget tills verktygsskulden kommer i kontakt med arbetsytan och passerar längs ledningen. Viktiga processparametrar inkluderar verktygsvarvtalet och körhastigheten, liksom verktygsdimensionerna och nedåtriktad kraft på verktyget.

Verktygets rotationshastighet kan variera från några hundra rpm till flera tusen varv per minut. Den axiella kraft som krävs för att motverka trycket som bildas i svetszonen kan variera från 1 till 15 KN. Den mekaniska effektutgången till det roterande verktyget är typiskt 2 till 5 hk (1, 5 till 3, 7 kW).

Initialt dras det roterande verktyget i foget tills axeln träffar arbetsstyckets kappyta. Värme som genereras av en kombination av friktionsvärme och plastisk deformation av arbetsstycket mjukar materialet intill verktyget till en temperatur som närmar sig soliduset i arbetsmaterialet, medan ingen generaliserad smältning observeras.

När stiftet har dungits in i fogen går verktyget längs fogen, rörer gränssnittet och producerar en solid-state-svets. Under svetsning upphettas materialet längs fogen till ett mjukat tillstånd, överförs runt verktygets periferi och därefter återförsamlas längs bakytan för att framställa svetsen.

I många dagens applikationer av FSW uppträder början och slutet på svetsen vid start och stopp av flikar som kan tas bort senare. Men med vidareutveckling av FSW-tekniker kan det förväntas styra start / stopp vid vilken position som helst på själva arbetsstycket. Detta kan kräva kraftstyrning under verktygsdunkningen, vilket visas i figur 13.19.

Denna siffra producerades enligt uppgift för experimentella resultat med ett stiftverktyg som drevs in i metall-arbetsstycket med en hastighet av 0, 1 mm / sek (0, 25 tum / min) och rotationshastighet 400 rpm (41, 9 rad / s). Man kan se att dämpkraften når högst 13, 3 KN (3000 lb) innan den går tillbaka till 4, 4 KN under framflyttning.

Friktionsrörsvetsning av Al-legeringar är relativt väl etablerad och har använts framgångsrikt för svetsning av legeringar av 1XXX, 2XXX, 5XXX, 6XXX och 7XXX legeringar, liksom även Al-Cu-Li-legeringar. Eftersom denna process inte innebär någon smältning, så har FSW av Al-legeringar flera fördelar jämfört med konventionell friktionssvetsning.

Detta innefattar eliminering av problem såsom solidifieringskrackning, sprickbildning, porositet och sprutning. Andra fördelar som uppkommer på grund av processen i fast tillstånd är förbättrade mekaniska egenskaper, eliminering av svetsdämpningar, låg krympning och minskad svetsförvrängning. Processen kan också utföras i ett enda pass och i alla svetspositioner.

Friktionsrörsvetsar i Al-legering visar flera mikrostrukturellt distinkta områden, inklusive omrörningszonen eller nugget (längs svetscentrumlinjen), den värme- och deformationspåverkade zonen (HDAZ) eller termomekaniskt påverkad zon (TMAZ) omrörningszon) och en äkta värmepåverkad zon (HAZ) som omfattar HDAZ. Mikrostrukturer som utvecklats i olika områden i svetszonen är nära kopplade till den lokala termomekaniska cykeln som i sig styrs av den totala spänningen, belastningsgraden och temperaturen som utvecklats under FSW-driften.

Hittills har de flesta av FSW-effekterna utvecklats vid anslutningen av Alloy, men det finns uppenbarligen intresse för att utvidga denna teknik för att ansluta andra material, särskilt stål. Detta beror på att FSW verkar erbjuda flera fördelar framför bågsvetsning av stål.

Den lägre synliga energianvändningen hos FSW förväntas minimera korntillväxten i HAZ och gränsförvrängning och restspänningar i stål. Minimering av snedvridning och restspänning är extremt viktigt vid svetsmaterial i tjock sektion, t.ex. inom skeppsbyggnad och tung tillverkningsindustri. Byte av bågsvetsning med FSW kommer sannolikt att eliminera eller åtminstone minska svetsdammar, särskilt de som innehåller hexavalent krom. Dessutom elimineras problem med vätekrackning i stål eftersom FSW är en solid-state svetsprocess. Tillsammans ger dessa fördelar FSW attraktivt för anslutning av stål för många applikationer.

Fördelar och begränsningar av FSW:

Viktiga fördelar med FSW inkluderar flödet:

1. Inget behov av fyllmedel eller förbrukningsmaterial,

2 Minimal gemensam kantförberedelse,

3. Inbäddad oxidavlägsnande från gemensamma fayingytor,

4. Klar automatisering,

5. Hög gemensam styrka, högkvalitativa svetsar än fusionssvetsar,

6. Möjlighet att svetsa legeringar som inte kan svetsas genom fusionssvetsningsprocesser på grund av sprickbildning, och

7. Dyrt operatörsträning är inte nödvändigt.

begränsningar:

Stora nackdelar med processen är det nödvändiga gemensamma klämtrycket och den följdrika högre effekt som behövs för att flytta det roterande verktyget längs leden.

(a) hybridfriktionsstrålesvetsning:

För att övervinna nackdelarna med FSW har en 700 W multimod Nd: YAG laser använts för förvärmning av arbetsstycket framför det framåtriktade roterande verktyget, såsom visas schematiskt i fig 13.20. Genom uppvärmning och mjukgörande material före rotationsverktyget krävs mycket mindre spännkraft för att utveckla tillräcklig friktionsuppvärmning för att orsaka sådan mjukning och mycket mindre kraft behövs för att förflytta svetsverktyget. Dessa två processer kombinerar för att dramatiskt minska verktygsslitage och brott.

Den operativa mekanismen är enkel, dvs förvärmning till lägre plastflödesbelastning hos FSW.

(b) Friction Stir Spot Svetsning:

Detta är en liten variant av normal FSW-process och används för spotsvetsdörrar och huva på sportbilar.

På grund av sin högre värmeledningsförmåga är aluminium svårare att upptäcka svetsning med konventionella båg- eller motståndssvetsprocesser. Friktionsrörsvetsning har visat sig vara mer effektiv och ekonomisk för detta ändamål.

För att ansluta aluminiumpaneler används robotstyrd friktionsrörpistol. Pistolen griper delarna från båda sidor och dunkar en spinnstift som skapar friktionsvärme, mjukgör metall och bildar en svetsfog i aluminiumpanelen, som visas i figur 13.21.

En biltillverkning har rapporterat 99% minskning av elförbrukningen genom att använda Friction Stir Spot Welding istället för den konventionella motståndssvetsningen. Också i motsats till konventionell motståndsspetssvetsning behöver friktionsrörelsessvetsning inte kylvätska, tryckluft eller tung elektrisk ström. Vidare inbegriper friktionsrörsplåtsvetsutrustning 40 procent mindre kapitalinvesteringar jämfört med resistanspunktsvetsapparat för aluminium.

Denna process kräver inte för rengöring av arbetsstyckena, och genererar inte rök eller sprut.

(c) friktionsstrålning:

Friktionsrörsvetsningsprocessen kan också användas för metallbeläggning, vars grundprincip är illustrerad i fig 13.22.

För friktionsomrörning upptas den förbrukade elektroden roteras och pressas ner, medan plattan som skall beläggas flyttas under sidledes.

Materialet att deponera måste ha god vidhäftning till plattmaterialet för att ha fullständig koalescens mellan de två materialen.

Även om processen har testats framgångsrikt kan dess praktiska tillämpning på industriell skala ta en gång.

(d) Diverse utvecklingar:

En av de mer aktivt övervägande varianten av standard FSW-processen är den som är känd som självreagerande FSW-process.

Den självreaktiva FSW-processen, som visas schematiskt i fig 13.23, innefattar användning av ett självreaktivt stiftverktyg som har två axlar; en placerad på arbetsstyckets övre yta och den andra på undersidan. En gängad stift, som är placerad mellan de två axlarna, går genom materialtjockleken. Under svetsningen är de två axlarna placerade tätt mot kronan och svetsfogens rotytor komprimerar sålunda för att applicera de nödvändiga smidesbelastningarna. Dubbel axel / stiftaggregat roterar som en enhet medan den går längs svetslinjen.

Den främsta fördelen med industrin. Rörformiga övergångsledningar kan också tillverkas mellan aluminium och med hjälp av det självreaktiva stiftverktyget, istället för standardverktyget för enstaka stift, är det att det eliminerar behovet av dyr verktyg som behövs för att innehålla de mekaniska smidskrafter som genereras under FSW-processen.

En annan FSW-framsteg som undersöks är svetsningen av mycket tjocka material. Ett nytt infällbart stiftverktyg har utformats för att svetsa och stänga nyckelhålsvetspoolen i material 50 mm eller ännu mer i tjocklek. Också under undersökning är FSW av småstora svetsar i linjer och kanaler för rymdfordon som använder ett orbitalsvetshuvud, liksom svetsar i rörsystem med större diameter som används i oljeindustrin.