Pagrindiniai trinties suvirinimo variantai
Šiame straipsnyje apžvelgiami du pagrindiniai trinties suvirinimo variantai. Šie variantai yra: 1. Suvirinimas inercija 2. Suvirinimas trintimi (FSW).
Variantas # 1. Inercijos suvirinimas:
Šiame procese vienas iš suvirinamų sudedamųjų dalių yra pritvirtintas sukamajame laikiklyje, prie kurio pritvirtintas smagratis, o kitas tvirtinamas fiksuotoje padėtyje. Švaistiklis su smagračiu yra pakeltas iki nustatyto greičio, kad būtų išsaugota reikiama mechaninė energija; ji gali būti atjungta nuo pavaros mechanizmo su sankaba.
Apdoroti ruošiniai sujungiami ir taikoma ašinė jėga. Frikcija, sukurta ant paviršiaus paviršių, suteikia stabdymo jėgą, kuri sukimosi masės kinetinę energiją paverčia šiluma sąsajoje. Ciklo taške pasiekiamas greitis, kai dėl trinties susidaro mažiau šilumos, nei išsklaidoma į aušintuvo dalis.
Sukimo momentas greitai pakyla iki didžiausios vertės, nes šildomas metalas susilpnėja esant slėgiui prieš sustojant. Jei reikia, gali būti taikomas norimas kalimo slėgis, kai sukimo momentas pasiekia maksimalią vertę. 13.14 pav. Pavaizduotos inercijos trinties suvirinimo charakteristikos.
Pagrindinis skirtumas tarp dviejų metodų yra tas, kad nepertraukiamo pavaros trinties suvirinimas atliekamas pastoviu suklio greičiu, inercijos suvirinimas prasideda dideliu greičiu ir tęsiasi pastoviai mažėjančiu greičiu. Teigiama, kad inercijos suvirinimas gali užtikrinti trumpesnį suvirinimo laiką, mažus ekstruzinio metalo apykaklę ir kad abiem atvejais suvirinimo siūlių mechaninis stiprumas yra panašus. Tačiau inercijos suvirinimo procesas yra mažiau populiarus nei nuolatinio variklio trinties suvirinimo procesas.
Inercijos suvirinimo metu greitis mažėja su laiku, padidėja karšto plastifikuoto zonos storis, sumažėja susidariusi šiluma ir padidėja sukimo momentas. Ašinis slėgis verčia karštą metalą susilieti, o dalis jos išsiskiria, kad susidarytų pelekai. Baigiamojo etapo metu padidėja ašinio sutrumpinimo greitis, o tada sustoja, kai suvirinama. 13.15 pav. Pavaizduota inercijos suvirinimo nustatymo schema.
Suvirinimo kintamieji:
Su trintiniu suvirinimu susiję trys pagrindiniai suvirinimo kintamieji. Tai yra smagračio inercijos momentas, smagračio greitis pradinio suvirinimo ciklo metu ir suvirintų komponentų ašinis slėgis. Pirmieji du kintamieji lemia suvirinimo energiją, o ašies slėgis - pagal medžiagą ir kontaktinės srities sąsają - lemia nusiminimų dydį. Ašinis sutrumpinimas paprastai nustatomas reguliuojant pradinį smagračio greitį.
Energiją, gautą iš smagračio bet kuriuo metu, pateikia lygtis:
kur, E = energija, džauliai
I = inercijos momentas (Mk 2 ), newton metras
M = besisukančių dalių masė, kgm
k = sukimosi spindulys, m
ω = kampinis greitis, radianai / sek
N = momentinis smagračio greitis, aps./min
Suvirinimui naudojama energija priklauso nuo smagračio masės ir sukimosi greičio. Taigi inercijos suvirinimo aparato talpa gali būti pakeista keičiant smagratį pagal konstrukcijos ribas.
Suvirinimo ciklo trukmė priklausys nuo to, kaip greitai iš smagračio paverčia energiją. Šildomos zonos konfigūraciją galima keisti keičiant smagračio konfigūraciją, šildymo slėgį ir sukimosi greitį. Šilumos įvedimą į ruošinį taip pat galima reguliuoti, kad būtų galima reguliuoti šilumos paveiktos zonos plotį ir suvirinimo aušinimo greitį. 13.16 pav. Pavaizduoti sparčiojo rato energijos, šildymo slėgio, tangentinio greičio ir šilumos modelio tangentinio greičio ir inercijos suvirinimo siūlių iš plieno plieno susidarymo efektai.
Smagratės konfigūracija:
Smagračio inercijos momentas priklauso nuo jo formos, skersmens ir masės. Energiją, reikalingą konkrečiam suvirinimui ir iš anksto nustatytam pradiniam greičiui, galima keisti keičiant smagračio inercijos momentą. Mažai anglies suvirinimo suvirinimo fazė paprastai pradedama per 60 m / min.
Taigi dideli smagračiai gali prailginti kalimo arba trikdymo fazę. Kita vertus, nedideli smagračiai negali suteikti pakankamos energijos, kad pašalintų priemaišas ir pasiektų patikimą ar net patenkinamą suvirinimą. Smagračio masė ir pradinis greitis gali būti keičiami atvirkščiai per platų diapazoną norint gauti reikiamus energijos poreikius. Tai palengvina HAZ dydžio kontrolę ir pradinės šilumos, susidariusios suvirinimo sąsajoje, radialinės vietos parinkimą.
Esant pastoviam pradiniam greičiui ir šildymo slėgiui I, smagračio energija gali būti padidinta didinant jo dydį, o jo poveikis nusilpusiam ir ekstruziniam blykstei parodytas 13.16 pav. Per didelė energija smagračiu sukelia padidėjusį nusiminimą ir medžiagos švaistymą blykstės pavidalu.
Greitis:
Tangentinis greitis bet kurioje akimirkoje tiesiogiai priklauso nuo spindulio ir sukimosi greičio ir yra pateikiamas pagal šiuos santykius:
V t = r ω
= r. 2 π N
= 6, 286 rN
kur V t = tangentinis greitis, m / min
r = spindulys, m
ω = kampinis greitis, radianai / sek
N = momentinis greitis, aps./min
Periferinio greičio diapazonas geriausiems suvirinimo siūlams svyruoja nuo metalo iki metalo, o kieto plieno strypams - nuo 150 iki 450 m / min. tačiau plieno suvirinimas gali būti atliekamas 90 m / min greičiu. Jei greitis yra per mažas, šildymas centre bus nepakankamas ir suvirinimas negali būti pagamintas per visą sąsają, o blykstė bus šiurkšta, kaip pavaizduota 13.16 pav., Net jei energijos lygis atitinka reikalavimus . Vidutiniu 90–250 m / min greičiu plieno plastifikuota zona turi valandinio stiklo formą apatinio diapazono gale, kuri palaipsniui susilieja, kai didėja greitis. Taip pat plienui pradinis greitis virš 365 m / min. Sukelia suvirinimą, kuris centre yra storesnis nei periferijoje.
Šildymo slėgis:
Kintamo kaitinimo slėgio poveikis apskritai yra priešingas greičiui, kaip matyti iš 13.16 pav. Suvirinimo siūlai, pagaminti esant mažam kaitinimo slėgiui, yra panašūs į suvirinimo siūles, pasiektas dideliu pradiniu greičiu, atsižvelgiant į suvirinimo ir HAZ išvaizdą. Pernelyg didelis slėgis sukelia suvirinimą su prastu rišimu centre, turintį didelį suvirinimo tempą, kaip tai daroma suvirinant mažais greičiais. Optimalus šilumos slėgio diapazonas siūlėms, naudojamoms vidutinio anglies plieno kietuose strypuose, yra nuo 150 iki 205 N / mm 2 .
Variantas Nr. 2. Suvirinimas trintimi (FSW):
Trinties maišymo suvirinimas yra palyginti naujas suvirinimo procesas, kuris buvo sukurtas TWI * 1991 m. Ir patentuotas 1999 m. 13.17 pav. Pavaizduota dviejų plokščių sujungimo su kvadratine grioveliu schema. Šis procesas yra kietas, todėl jis remiasi lokaliu suvirinimo srities kalimu, kad sukurtų jungtį.
Jungiamosios plokštelės laikomos suspaudimu ir suvirinimo metu standžiai prispaustos prie mašinos sluoksnio. Trinties maišymo suvirinimas naudoja mažai trumpesnį nei suvirinimo gylį nenaudojamą besisukančio kūgio formos kūgio įrankį; vienas toks įrankis yra parodyta 13.18 pav., kuris įstumiamas į jungtį, kol įrankio petys kontaktuoja su darbiniu paviršiumi ir eina per jungtį. Svarbūs proceso parametrai yra įrankio apsisukimų dažnis ir važiavimo greitis, taip pat įrankio matmenys ir žemyn jėga ant įrankio.
Įrankio sukimosi greitis gali skirtis nuo kelių šimtų apsisukimų per minutę iki kelių tūkstančių aps./min. Ašinė jėga, reikalinga suvirinimo zonoje susidariusiam slėgiui neutralizuoti, gali svyruoti nuo 1 iki 15 KN. Mechaninė galios galia į sukamąjį įrankį paprastai yra nuo 2 iki 5 AG (1, 5–3, 7 KW).
Iš pradžių sukamasis įrankis įstumiamas į jungtį, kol petys susitraukia į ruošinio paviršių. Šiluma, sukurta derinant „trinties šildymą ir ruošinio plastinę deformaciją“, sušvelnina greta įrankio esančią medžiagą į temperatūrą, artinančią darbo medžiagos kietajam sluoksniui.
Kai smeigtukas įsiskverbia į jungtį, įrankis juda išilgai jungties, maišydamas sąsają ir gamindamas kietojo kūno siūles. Suvirinimo metu medžiaga išilgai minkštos būklės, perkeliama aplink įrankio periferiją, o po to susilieja atgal ant nugaros paviršiaus, kad susidarytų suvirinimas.
Daugelyje dabartinių „FSW“ taikymų suvirinimo pradžia ir pabaiga atsiranda paleidimo ir sustabdymo skirtukuose, kurie gali būti pašalinti vėliau. Tačiau toliau plėtojant FSW metodus gali būti tikimasi, kad kontroliuoja pradžią / sustabdymą bet kurioje tikrojo ruošinio padėtyje. Tai gali reikšti jėgos valdymą įrankio nusileidimo metu, kaip parodyta 13.19 pav.
Pranešama, kad šis skaičius buvo gautas eksperimentiniams rezultatams su kaiščiu, kuris buvo įmestas į metalo ruošinį 0, 1 mm / s (0, 25 colio / min.) Greičiu ir 400 apsisukimų per minutę (41, 9 rad / s). Galima pastebėti, kad nugaros jėga pasiekia ne daugiau kaip 13, 3 KN (3000 lb) prieš nukeliant į 4, 4 KN (1000 lb) į priekį.
Al-lydinių trinties mišinio suvirinimas yra gana gerai nustatytas ir sėkmingai naudojamas suvirinant 1XXX, 2XXX, 5XXX, 6XXX ir 7XXX lydinių serijas, taip pat Al-Cu-Li lydinius. Kadangi šis procesas neturi lydymosi, Al-lydinių FSW turi keletą privalumų, palyginti su tradiciniu trintiniu suvirinimu.
Tai apima tokių problemų kaip kietėjimo krekingo, skysčio krekingo, poringumo ir purškimo pašalinimą. Kiti privalumai, atsirandantys dėl kietojo proceso pobūdžio, yra pagerintos mechaninės savybės, suvirinimo garų pašalinimas, mažas susitraukimas ir sumažintas suvirinimo iškraipymas. Be to, procesas gali būti atliekamas viename ir visose suvirinimo padėtyse.
Al-lydinio trinties maišymo siūlai rodo kelis mikro struktūrinius skirtumus turinčius regionus, įskaitant maišymo zoną arba grynuolį (išilgai suvirinimo centro linijos), šilumos ir deformacijos paveiktą zoną (HDAZ) arba termomechaniškai paveiktą zoną (TMAZ) maišymo zona) ir tikra šilumos paveikta zona (HAZ), apimanti HDAZ. Mikrostruktūros, sukurtos skirtinguose suvirinimo zonos regionuose, yra glaudžiai susijusios su vietiniu termo-mechaniniu ciklu, kurį pats valdo visa įtampa, deformacijos greitis ir temperatūra, sukurta FSW veikimo metu.
Iki šiol didžioji dalis FSW efektų išsivystė jungiant Al lydinius, tačiau akivaizdu, kad ši technologija yra išplėsta, kad būtų galima sujungti kitas medžiagas, ypač plieną. Taip yra todėl, kad FSW siūlo keletą privalumų prieš plieno suvirinimą lanku.
Tikimasi, kad mažesnės FSW energijos sąnaudos sumažins grūdų augimą HAZ ir apribos iškraipymus bei liekamuosius įtempius plienuose. Didelio storio profilių suvirinimo medžiagose, pavyzdžiui, laivų statybos ir sunkiosios gamybos pramonėje, labai svarbu sumažinti iškraipymus ir likutinį įtempį. Lankinio suvirinimo keitimas FSW taip pat gali pašalinti arba bent jau sumažinti suvirinimo garus, ypač tuos, kuriuose yra šešiavalenčio chromo. Be to, pašalinamos vandenilio krekingo plieno problemos, nes FSW yra kietojo kūno suvirinimo procesas. Apskritai šie privalumai suteikia FSW patrauklią jungiamąją plieną daugeliui taikymų.
FSW privalumai ir apribojimai:
Pagrindiniai FSW privalumai yra:
1. Nereikia užpildo ar eksploatacinių medžiagų,
2 Minimalus jungiamojo krašto paruošimas,
3. Įterptųjų oksidų pašalinimas iš jungiamųjų paviršių,
4. Paruošta automatika,
5. Aukštos jungtys, aukštos kokybės suvirinimo siūlės, nei suvirinimo siūlės,
6. Galimybė suvirinti lydinius, kurie negali būti suvirinti sintezės suvirinimo procesais dėl jautrumo krekingui, ir
7. Brangus operatoriaus mokymas nebūtinas.
Apribojimai:
Pagrindiniai šio proceso trūkumai yra reikalingas jungtinis prispaudimo slėgis ir iš to kylanti didesnė galia, reikalinga pasukti sukamąjį įrankį palei jungtį.
a) Hibridinis trinties mišinys:
Siekiant įveikti FSW trūkumus, 700 W daugiamodis Nd: YAG lazeris buvo panaudotas ruošti ruošinį prieš priekinį besisukantį įrankį, kaip parodyta schematiškai 13.20 pav. Šildant ir minkštinant medžiagą prieš besisukantį įrankį reikia daug mažiau įtempimo jėgos, kad būtų sukurtas pakankamas trinties šildymas, kad sukeltų tokį minkštinimą, ir norint perkelti suvirinimo įrankį reikia daug mažiau jėgos. Šie du procesai labai padeda sumažinti įrankių nusidėvėjimą ir lūžimą.
Veikimo mechanizmas yra paprastas, ty išankstinis pašildymas iki mažesnio FSW plastinio srauto streso.
b) suvirinimas trintimi:
Tai nedidelis įprastų FSW procesų variantas ir yra naudojamas sportinių automobilių sienos suvirinimo durims ir gaubtui.
Dėl didesnio šilumos laidumo aliuminio suvirinimas yra sunkesnis, naudojant įprastinius lanko ar atsparumo suvirinimo procesus. Nustatyta, kad šiam tikslui trinties suvirinimas yra efektyvesnis ir ekonomiškesnis.
Aliuminio plokščių sujungimui naudojamas robotas valdomas trinties maišymo pistoletas. Šautuvas sukabina dalis iš abiejų pusių ir plunka verpimo kaištį, kuris sukuria trinties šilumą, minkština metalą ir formuoja suvirinimo jungtį aliuminio skydelyje, kaip parodyta 13.21 pav.
Automobilio gamyba pranešė apie 99% sumažėjusį elektros energijos suvartojimą, naudojant suvirinimą pagal trinties mišinio taškus, o ne įprastą atsparumo taškinį suvirinimą. Be to, skirtingai nuo įprastinio atsparumo taškinio suvirinimo, trinties maišymo taškinio suvirinimo nereikia aušinimo skysčio, suspausto oro ar sunkiosios elektros srovės. Be to, trinties maišymo vietoje suvirinimo įranga apima 40% mažiau kapitalo investicijų, palyginti su atsparumo taškiniu suvirinimo aparatu aliuminio.
Šis procesas nereikalauja paruošiamųjų ruošinių valymo ir nesukelia dūmų ar purslų.
c) Trinties mišinys:
Trinties maišymo suvirinimo procesas taip pat gali būti naudojamas metalo dengimui, kurio pagrindinis principas pavaizduotas 13.22 pav.
Dėl trinties maišymo paviršių, vartojamas elektrodas pasukamas ir nuspaustas, o plokštė, kuri bus padengta, judinama po šoniniu būdu.
Panaudota medžiaga turi būti gerai prilipusi prie plokštelės medžiagos, kad būtų galima visiškai sutapti tarp dviejų medžiagų.
Nors procesas buvo sėkmingai išbandytas, tačiau jo praktinis taikymas pramoniniu mastu gali užtrukti.
d) Įvairūs pokyčiai:
Vienas aktyviau vertinamo standartinio FSW proceso variantas yra tas, kuris vadinamas savarankiškai reaguojančiu FSW procesu.
Savarankiškai reaguojantis FSW procesas, parodytas schematiškai 13.23 pav., Apima savaime reaguojančią kaiščio įrankį, turintį du pečius; vienas yra ant viršutinio ruošinių paviršiaus, o kitas - apatinėje pusėje. Srieginis kaištis, pastatytas tarp dviejų pečių, kerta medžiagos storį. Suvirinimo metu abu pečiai yra tvirtai pritvirtinti prie karūnos ir suvirinimo jungties šaknų paviršių, taip suspausdami, kad būtų naudojamos reikalingos kalimo apkrovos. Dviguba pečių / smeigių sąranka sukasi kaip vienas vienetas, kai važiuojama išilgai suvirinimo linijos.
Pagrindinis pramonės privalumas. Vamzdžių perėjimų sąnarius taip pat galima gaminti tarp aliuminio ir naudojant savaime reaguojančią kaiščio įrankį, vietoj standartinio vienpusio kaiščio įrankio, jis pašalina reikalavimą, kad brangūs įrankiai, reikalingi FSW proceso metu susidariusioms mechaninėms kalimo jėgoms.
Kitas tiriamas FSW yra labai storų medžiagų suvirinimas. Naujas įtraukiamasis įrankis sukurtas taip, kad suvirintų ir uždarytų raktų angos suvirinimo baseiną, kurio storis yra 50 mm ar net didesnis. Taip pat tiriamas mažų dydžių suvirinimo linijų ir ortakių vamzdžių, naudojamų orbitiniu suvirinimo galvute, taip pat suvirinimas didesnio skersmens vamzdynų sistemose, naudojamose naftos pramonėje.
