Zgrzewanie tarciowe - Friction welding
Zgrzewanie tarciowe ( FRW ) to proces spawania w stanie stałym , który wytwarza ciepło poprzez mechaniczne tarcie pomiędzy obrabianymi przedmiotami we względnym ruchu względem siebie, z dodatkiem siły bocznej zwanej „spęczaniem”, aby plastyczne przemieszczenie i stopienie materiałów. Ponieważ nie występuje topienie, zgrzewanie tarciowe nie jest procesem zgrzewania , ale techniką spawania w stanie stałym , bardziej podobną do spawania kuźniczego . Zgrzewanie tarciowe jest stosowane z metalami i tworzywami termoplastycznymi w wielu różnych zastosowaniach lotniczych i motoryzacyjnych.
Norma ISO zgrzewania tarciowego to EN ISO 15620:2019 zawiera informacje o podstawowych pojęciach i definicjach oraz tabelę spawalności metali i stopów .
Historia
Niektóre zgłoszenia i patenty związane ze zgrzewaniem tarciowym sięgają przełomu wieków, a zgrzewanie tarciowe rotacyjne jest najstarszą z tych metod. W. Richter opatentował metodę liniowego zgrzewania tarciowego (LFW) w 1924 w Anglii i 1929 w Niemczech , jednak opis procesu był niejasny i H. Klopstock opatentował ten sam proces w ZSRR 1924. Ale pierwszy opis i eksperymenty związane z rotacyjnym spawaniem tarciowym miało miejsce w Związku Radzieckim w 1956 roku, mechanik AJ Chdikov zrealizował badania naukowe i zaproponował zastosowanie tej metody spawania jako procesu komercyjnego. Proces został wprowadzony do USA w 1960 roku. Amerykańskie firmy Caterpillar Tractor Company ( Caterpillar - CAT ), Rockwell International i American Manufacturing Foundry opracowały maszyny do tego procesu. Patenty wydano także w całej Europie i byłym Związku Radzieckim. Pierwsze badania tarcia spawania w Anglii zostały przeprowadzone przez Instytut Spawalnictwa w 1961 roku USA z Caterpillar Inc., MTI opracowała proces bezwładności w Europie z 1962 KUKA AG i Thompson uruchamia tarcia obrotowego spawania dla zastosowań przemysłowych w 1966 roku, opracowany procesu napędu bezpośredniego, aw 1974 r. konstruuje rRS6, maszynę z podwójnym wrzecionem do osi do samochodów ciężarowych . Inna metoda została wynaleziona i eksperymentalnie sprawdzona w The Welding Institute (TWI) w Wielkiej Brytanii i opatentowana w 1991 r. Proces zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (FSW) – proces łączenia w stanie stałym, który wykorzystuje narzędzie nie zużywające się do łączenia dwóch elementów licowych bez topienia przedmiotu obrabianego materiał. W 2008 roku firma KUKA AG opracowała zgrzewarkę tarciową SRS 1000 o kutej sile 1000 ton.
Ulepszony modyfikacji standardowego zgrzewania tarciowego jest mała siła zgrzewania tarciowego , hybrydowe technologia opracowana przez EWI i Manufacturing Inc. (MTI) " ma zewnętrzne źródła energii w celu podniesienia temperatury styku dwóch części łączonych przez to zmniejszenia siły procesowe wymagane do wykonania spoiny w stanie stałym w porównaniu do tradycyjnego zgrzewania tarciowego ”. Proces dotyczy zarówno liniowego jak i obrotowego zgrzewania tarciowego.
Dziś materiały badawcze do spawania tarciowego pochodzą z wielu miejsc na całym świecie , w tym z Afryki , Ameryki Południowej , Ameryki Północnej , Europy i Azji oraz Australii .
Techniki metalowe
Obrotowe zgrzewanie tarciowe
Zgrzewanie tarciowe rotacyjne (RFW) jest jedną z metod zgrzewania tarciowego. Jeden spawany element jest obracany do drugiego i dociskany. Nagrzewanie się materiału jest spowodowane pracą tarcia i powstaje nierozłączna spoina.
Liniowe zgrzewanie tarciowe
Liniowe zgrzewanie tarciowe (LFW) jest podobne do zgrzewania wirowego, z tą różnicą, że ruchomy uchwyt oscyluje na boki zamiast obracać się.
Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem
Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSW) to proces łączenia w stanie stałym, w którym do łączenia dwóch licowanych elementów bez topienia materiału elementu obrabianego wykorzystuje się nie zużywające się narzędzie. Ciepło jest generowane przez tarcie pomiędzy obracającym się narzędziem a materiałem przedmiotu obrabianego, co prowadzi do zmiękczenia obszaru w pobliżu narzędzia FSW. Podczas gdy narzędzie przesuwa się wzdłuż linii złącza, mechanicznie miesza dwa kawałki metalu i wykuwa gorący i zmiękczony metal pod naciskiem mechanicznym, który jest wywierany przez narzędzie, podobnie jak łączenie gliny lub ciasta.
Napawanie cierne
Napawanie tarciowe to proces wywodzący się z napawania tarciowego, w którym materiał powłokowy jest nakładany na podłoże. Pręt złożony z materiału powlekającego (nazywany mechtrodą) obraca się pod ciśnieniem, wytwarzając uplastycznioną warstwę w pręcie na styku z podłożem.
Technika termoplastyczna
Liniowe spawanie wibracyjne
W liniowym zgrzewaniu wibracyjnym materiały stykają się i poddaje się naciskowi. Następnie przykładana jest zewnętrzna siła wibracyjna w celu poślizgu elementów względem siebie, prostopadle do przykładanego nacisku.
Orbitalne zgrzewanie tarciowe
Orbitalne zgrzewanie tarciowe jest podobne do zgrzewania wirowego, ale wykorzystuje bardziej złożoną maszynę do wytworzenia ruchu orbitalnego, w którym ruchoma część obraca się po małym okręgu, znacznie mniejszym niż rozmiar złącza jako całości.
Lista metod związana ze zgrzewaniem tarciowym
- Spawanie kuźnicze
- Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSW)
- Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem punktowym (FSSW)
- Liniowe zgrzewanie tarciowe (LFW)
- Zgrzewanie tarciowe spoin obwodowych rurociągów (FRIEX)
- Przetwarzanie nakładania się hydrofilu ciernego (FHPPOW)
- Przetwarzanie hydrofilu ciernego (FHHP)
- Liniowe spawanie wibracyjne
- Spawanie wirowe polimerów
- Spawanie przy niskiej sile tarcia
Inne informacje
Testy spoin dla zgrzewania tarciowego i opis stref
Wymagania jakościowe złączy spawanych zależą od formy zastosowania, np. w kosmosie lub przemyśle lotniczym błędy spawów są niedopuszczalne. Istnieje wiele artykułów naukowych opisujących spoiny, przeprowadzane są badania jakości spoin , pomiary i metody numeryczne. Nauka stara się uzyskać spoiny dobrej jakości.
Na przykład, najdrobniejszych ziaren struktury metalu lub stopu, który otrzymuje się za pomocą technik takich jak poważnego odkształcenia plastycznego jest pożądana, nie zmienił się przez wysoką temperaturę, duży strefie wpływu ciepła nie jest konieczne.
Ponadto, oprócz zmiany struktury ziarna podczas cykli łączenia metali, metodami, w których występowała strefa wpływu wysokiej temperatury, następuje struktura przemian fazowych. Np. w stali pomiędzy austenitem , ferrytem , perlitem , bainitem , cementytem i martenzytem , patrz: Schemat fazowy żelazo-węgiel . W celu uniknięcia zmian może być pożądane spawanie w stanie stałym, a duża strefa wpływu ciepła nie jest potrzebna, jeśli osłabia właściwości materiału.
Strefy oddziaływania termicznego i mechanicznego w spoinie tarciowej
Poszczególne strefy termomechaniczne można opisać powołując się na przykładowy artykuł:
Anthony R.McAndrew, Paul A.Colegrove, Clement Bühr, Bertrand CD, Flipo Achilleas Vairis, „ Przegląd literatury dotyczący liniowego spawania tarciowego Ti-6Al-4V ”, 2018.
„Technicznie WCZ i TMAZ są „strefami dotkniętymi termomechanicznie”, ale ze względu na bardzo różne mikrostruktury, które posiadają, są często rozpatrywane oddzielnie. WCZ doświadcza znacznej dynamicznej rekrystalizacji (DRX), TMAZ nie. Materiał w HAZ nie jest odkształcony mechanicznie, ale jest pod wpływem ciepła. Obszar od jednej granicy TMAZ/HAZ do drugiej jest często określany jako „grubość TMAZ” lub strefa wpływu plastycznie (PAZ). W dalszej części tego artykułu obszar ten będzie być określane jako PAZ."
Strefy:
- WCZ – strefa centrum spawalniczego,
- HAZ – strefa wpływu ciepła ,
- TMAZ – Strefa Wpływu Termomechanicznego,
- BM – materiał bazowy, materiał macierzysty,
- Błysk.
Podobne terminy istnieją w spawaniu .
Odporność na zatarcie
Zgrzewanie tarciowe może przypadkowo wystąpić na powierzchniach ślizgowych, takich jak łożyska. Dzieje się tak w szczególności, gdy film oleju smarującego pomiędzy powierzchniami ślizgowymi staje się cieńszy niż chropowatość powierzchni, co może być spowodowane niską prędkością, niską temperaturą, brakiem oleju, nadmiernym luzem, niską lepkością oleju, dużą chropowatością powierzchni lub ich połączenie.
Odporność na zatarcie to zdolność materiału do opierania się zgrzewaniu tarciowemu. Jest to podstawowa właściwość powierzchni nośnych i ogólnie powierzchni ślizgowych pod obciążeniem.
Ciekawostki
- Zgrzewanie tarciowe (μ FSW ) wykonano również na maszynie CNC . co nie oznacza, że jest bezpieczny i zalecany do frezarki.
- Wykazano, że spawanie tarciowe działa również na drewnie.
Terminy i definicje, skróty do nazw
Cytując ISO ( Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna ) - ISO 15620:2019(en) Spawanie — Zgrzewanie tarciowe materiałów metalowych :
„siła osiowa – siła w kierunku osiowym pomiędzy spawanymi elementami,
długość wypalania - utrata długości w fazie tarcia,
burn-off rate - szybkość skracania się elementów podczas procesu zgrzewania tarciowego,
element - pojedyncza sztuka przed spawaniem,
hamowanie komponentowe - zmniejszenie prędkości obrotowej wynikające z tarcia pomiędzy interfejsami,
hamowanie zewnętrzne - hamowanie zlokalizowane na zewnątrz zmniejszające prędkość obrotową,
faying surface - powierzchnia jednego elementu, która ma stykać się z powierzchnią drugiego elementu w celu utworzenia złącza,
kuźnia siła - siła przyłożona prostopadle do zginających się powierzchni w momencie, gdy względny ruch między elementami ustaje lub ustał,
długość wypalania kuźni - wielkość, o jaką zmniejsza się całkowita długość elementów podczas przykładania siły kuźniczej,
faza kucia - czas przerwy w cyklu zgrzewania tarciowego pomiędzy początkiem a zakończeniem przyłożenia siły kuźniczej,
nacisk kuźni - nacisk (siła na jednostkę powierzchni) na zginane powierzchnie wynikający z siły osiowej kuźni,
czas kucia - czas, przez który do elementów przykładana jest siła kucia,
siła tarcia - siła przyłożona prostopadle do zginanych powierzchni w czasie względnego ruchu między elementami,
faza tarcia - odstęp czasu w cyklu zgrzewania tarciowego, w którym ciepło niezbędne do wykonania spoiny jest wytwarzane przez ruch względny i siły tarcia między elementami, tj. od kontaktu elementów do początku hamowania,
nacisk tarcia - nacisk (siła na jednostkę powierzchni) na zginane powierzchnie wynikający z osiowej siły tarcia,
czas tarcia - czas, w którym następuje ruch względny pomiędzy elementami z prędkością obrotową i pod działaniem sił tarcia,
interfejs - powierzchnia styku powstała między zgrzewanymi powierzchniami po zakończeniu operacji zgrzewania,
prędkość obrotowa - liczba obrotów na minutę wirującego elementu,
stick-out - odległość elementu wystającego z uchwytu lub uchwyt w kierunku elementu współpracującego,
faza hamowania - przerwa w cyklu zgrzewania tarciowego, w której ruch względny elementów jest wyhamowywany do zera,
czas zwalniania - czas potrzebny elementowi ruchomemu na spowolnienie od prędkości tarcia do prędkości zerowej,
całkowity ubytek długości (spęczenie) – ubytek długości, który powstaje w wyniku zgrzewania tarciowego, czyli suma długości przepalenia i długości przepalenia kuźni,
całkowity czas spawania - czas, jaki upłynął od kontaktu elementu do końca fazy kucia,
cykl zgrzewania - kolejność operacji wykonywanych przez maszynę do wykonania elementu spawanego i powrotu do pozycji wyjściowej, z wyłączeniem operacji przeładunku elementów,
konstrukcji spawanych - dwa lub więcej składników połączone przez spawanie „.