Trintinis suvirinimas (FSW) yra kietojo kūno suvirinimo technika, kai suvirinimo siūlė formuojama rankiniu būdu maišant metalą, kad būtų sukurta trinties šiluma, ir tiekiant verpimo įrankį išilgai dviejų ruošinių jungties linijos. Šis maišymo arba maišymo veiksmas davė pradžią procesui. Įprastas FRW generuoja trinties šilumą iš pačių dalių, o FSW ją generuoja iš atskiro dilimui atsparaus įrankio.
Kaip veikia trinties suvirinimas
Suvirinimo procese besisukantis įrankis yra laiptuotas; jis turi mažesnį zondą, kuris tęsiasi po cilindriniu pečiu. Petys sukuria daug trinties šilumos, kai suvirinimo metu trinasi į dviejų dalių viršutinius paviršius. Tuo pačiu metu zondas, skirtas palengvinti mechaninį maišymą, generuoja daugiau šilumos maišydamas metalą išilgai jungties. Užuot išlydęs metalą, šis trinties ir maišymo procesas jį suminkština iki labai kalimo būsenos.
Įrankiui judant jungtimi, besisukančio zondo priekinis paviršius stumia suminkštėjusį metalą į už jo esančią ertmę ir aplink save. Šio proceso metu metalas suvirinamas į vientisą siūlę. Siekiant užtikrinti, kad plastifikuotas metalas tinkamai tekėtų aplink zondą, petys yra labai svarbus medžiagai suvaržyti.
Smulkūs, lygiaašiai rekristalizuoti grūdeliai susidaro intensyvios plastinės deformacijos būdu aukštoje temperatūroje FSW proceso metu. Suvirinimo siūlės, pagamintos naudojant šią tiksliai sureguliuotą mikrostruktūrą, pasižymi išskirtinėmis mechaninėmis savybėmis. Suvirinimo tvirtumą padidina sudėtingas medžiagos judėjimas aplink kaištį, kurį įgalina speciali įrankio geometrija ir slinkimo bei sukimosi derinys.
Įrankių geometrija ir dizainas
Įrankio geometrija yra labai svarbi kuriant trintinio suvirinimo (FSW) procesą. FSW įrankio konstrukcija, kurią sudaro kaištis ir petys, yra labai svarbi suvirinimo judėjimo greičiui ir medžiagos srautui. Pagrindiniai įrankio tikslai yra palengvinti medžiagos srautą ir užtikrinti lokalizuotą kaitinimą, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau.
Pirmojo įnirimo metu šiluma išsiskiria dėl trinties tarp kaiščio ir ruošinio, taip pat dėl medžiagos deformacijos. Trintis tarp peties ir ruošinio sukuria didžiąją dalį kaitinimo komponento. Kiti konstrukciniai elementai yra mažiau svarbūs kaitinimo efektyvumui nei santykiniai kaiščio ir peties dydžiai. Be to, petys padeda lokalizuotam kaitinimui, apribodamas kaitinamą medžiagą.
Antras svarbus įrankio vaidmuo yra jo gebėjimas judinti ir maišyti medžiagą. Įrankio konstrukcija turi įtakos tiek proceso apkrovoms, tiek suvirinimo mikrostruktūrai ir savybių vienodumui. Tokiems darbams dažniausiai naudojami srieginiai cilindriniai kaiščiai ir įgaubtas petys.
Įrankių geometrija vystėsi, įtraukiant sudėtingas funkcijas, kurios pagerina medžiagų srautą, maišymą ir sumažina proceso apkrovas, mums geriau suprantant medžiagų srautus. Pavyzdžiui, TWI sukūrė „Whorl“ ir „MX Triflute“ įrankius, kurių kaiščiai yra nupjautų detalių formos ir pavaizduoti paveikslėlyje. Palyginti su cilindriniais kaiščiais, kurių šaknies skersmuo yra toks pat, šios konstrukcijos perkelia daug mažiau medžiagos; atitinkamai maždaug 60 % ir 70 % mažiau. Šių įrankių privalumai yra mažesnė suvirinimo galia, lengvesnis plastifikuotos medžiagos srautas ir didesnis šilumos išsiskyrimas dėl patobulintos medžiagos ir kaiščio sąsajos. Jie sėkmingai suvirino iki 50 mm storio aliuminio plokštes vienu praėjimu, o vėlesniais praėjimais sukūrė dar storesnes suvirinimo siūles.
Tradiciniai cilindriniai srieginiai kaiščiai, skirti suvirinimui per daug, dažnai pernelyg suplonina viršutinį lakštą, o tai pablogina lenkimo charakteristikas. Kai pagrindinis rūpestis yra nuovargis, labai svarbu suvirinimo siūlės plotis ir įpjovos kampas. Siekiant pagerinti suvirinimo siūlės kokybę, buvo sukurtos naujesnės geometrijos kaiščiai, tokie kaip A formos ir platėjantys trikampiai. Šie projektai pagerina kalimo ir maišymo procesus suvirinimo siūlėje, išplečia suvirinimo zoną ir padidina suvirinimo tūrio ir statinio tūrio santykį. Jie žymiai padidina suvirinimo plotą, daugiau nei keturis kartus sumažina viršutinės plokštės suplonėjimą ir daugiau nei 100 % padidina suvirinimo greitį, palyginti su tradiciniais kaiščiais, o visa tai 20 % sumažina ašinę jėgą.
Platėjančios trifletės įrankiai
Šie patobulinimai pabrėžia įrankio geometrijos svarbą skysčių modeliavime. Visų pirma, A formos ir platėjančios trikampės formos kaiščiai pagerina suvirinimo kokybę, sumažindami įpjovos kampą suvirinimo sąsajoje, pakeisdami srauto kelią ir pagerindami maišymo veiksmus.
Suvirinimo parametrai trinties maišymo suvirinimo metu
Trintinio suvirinimo (FSW) metu ypač svarbūs du veiksniai: įrankio judėjimo greitis (v, mm/min.) ir įrankio sukimosi greitis (ω, aps./min.). Norint užbaigti suvirinimo procesą, įrankio judėjimas perkelia sumaišytą medžiagą išilgai jungties linijos, kai įrankio sukimasis ją sumaišo ir sumaišo aplink besisukantį kaištį.
Intensyvesnis medžiagos maišymas ir maišymas atsiranda dėl didesnio įrankio sukimosi greičio, kurį lemia didesnė trinties kaitinimo sukelta aukštesnė temperatūra. Todėl reikėtų atkreipti dėmesį, kad trinties sąveika tarp įrankio paviršiaus ir ruošinio kontroliuoja kaitinimo procesą. Todėl nebūtinai tikimasi, kad kaitinimas didės tiesiškai didėjant įrankio sukimosi greičiui, nes trinties koeficientas sąsajoje gali skirtis.
Kitas svarbus kintamasis yra kampas, kuriuo įrankis arba velenas pakrypsta ruošinio paviršiaus atžvilgiu. Srieginis kaištis padeda įrankio pečiui efektyviai perkelti maišomą medžiagą, kai jis tinkamai pasuktas velkamos medžiagos kryptimi. Norint gauti lygų įrankio pečių judėjimą ir tvirtas suvirinimo siūles, taip pat svarbus kaiščio įkišimo į ruošinius gylis, kartais vadinamas tiksliniu gyliu.
Kad medžiaga efektyviai judėtų iš kaiščio priekio į galą, idealus įterpimo gylis garantuoja teisingą įrankio peties sąlytį su pradiniu ruošinio paviršiumi. Jei įterpimo gylis per mažas, suvirinimo siūlėje gali atsirasti paviršiaus griovelių arba vidinių kanalų. Kita vertus, jei įterpimo gylis per gilus, gali atsirasti daug įtrūkimų, dėl kurių suvirinimo siūlė tampa pastebimai įgaubta, o suvirintos plokštės vietomis suplonėja.
Nauji patobulinimai, įskaitant „suktus“ įrankio pečius, leidžia atlikti FSW be jokio įrankio pakreipimo, o tai labai naudinga jungtims su kreivėmis.
Kai kuriems FSW procesams taip pat gali būti būtinas išankstinis pašildymas arba aušinimas. Gali būti, kad vien trintis ir maišymas nesukels medžiagų, turinčių aukštą lydymosi temperatūrą, pvz., plieną ir titaną, arba didelį laidumą, pvz., varį, suminkštėjimo ir plastifikacijos aplink besisukantį įrankį iki reikiamo lygio. Tokiomis aplinkybėmis išankstinis pašildymas arba daugiau išorinių šildymo šaltinių pridėjimas gali pagerinti medžiagos srautą ir pailginti proceso langą. Priešingai, aušinimas gali būti naudingas medžiagoms, kurių lydymosi temperatūra žemesnė, pvz., magniui ir aliuminiui, siekiant sustabdyti kietėjančių nuosėdų tirpimą ir reikšmingą rekristalizuotų grūdelių augimą maišymo zonoje ir aplink ją.
Jungtiniai projektai
Užpakalinės ir persidengiančios jungtys yra praktiškiausios jungčių konstrukcijos trinties suvirinimui (FSW). Dėl savo universalumo ir naudojimo paprastumo šios konstrukcijos yra nepakeičiamos.
Paprastam kvadratiniam užpakaliniam sujungimui ant atraminės plokštės tvirtai pritvirtinamos dvi vienodo dydžio plokštės arba lakštai. Tai neleidžia gretimų jungčių paviršiams atsiskirti suvirinimo metu. Sukamajam įrankiui pasineriant į jungties liniją, veikiamos didelės jėgos; todėl labai svarbu ypač atidžiai stebėti, kad plokštės būtų sulygiuotos. Tvirtas suvirinimo siūlas gaunamas, kai įrankio petys po kontakto su plokštės paviršiumi slenka jungties linija. Užpakaliniai sujungimai yra įprastas pasirinkimas daugeliui suvirinimo darbų dėl savo paprastumo.
(a) kvadratinis stovas, (b) kraštinis stovas, (c) T formos stovas
Kita tipinė konfigūracija yra persidengianti jungtis – tai atraminė plokštė, užspausta ant dviejų persidengiančių plokščių ar lakštų. Besisukantis įrankis sujungia dvi plokštes vertikaliai pradurdamas viršutinę plokštę ir į apatinę, o tada judėdamas teisinga kryptimi. Ši technika labai naudinga tais atvejais, kai reikia tvirtai sujungti persidengiančias medžiagas.
FSW leidžia naudoti įvairius alternatyvius jungčių dizainus, įskaitant užlenktas jungtis, be pagrindinių užpakalinių ir persidengiančių jungčių. Šie deriniai, kuriuose derinami užpakalinių ir persidengiančių jungčių aspektai, yra sukurti siekiant patenkinti konkrečius inžinerinius reikalavimus. Pavyzdžiui, užlenktos jungtys (žr. paveikslą toliau) naudojamos, kai suvirinimo proceso metu reikia atsižvelgti į tam tikrus konstrukcinius kriterijus.
filė jungtis
FSW privalumai
Tais atvejais, kai saugumas ir konstrukcinis vientisumas yra svarbiausi, trinties suvirinimas (FSW) suteikia daugybę privalumų, įskaitant neįtikėtinai patvarių suvirinimo siūlių, kurios gali atlaikyti didelį mechaninį slėgį, sukūrimą. Šis procesas garantuoja puikų matmenų stabilumą su minimaliu iškraipymu ir sukuria jungtis, kurios yra sandarios ir slėgiui atsparios, be iškraipymų. FSW sukuria tvarkingą, be įtrūkimų mikrostruktūrą ir išlaiko lydinio savybes, nes išskiria labai mažai šilumos.
Kalbant apie aplinką, suvirinimo lazeriu (FSW) technologija yra itin draugiška aplinkai, nes jai nereikia naudoti eksploatacinių medžiagų, tokių kaip vielos ir dujos, taip pat paviršiaus valymo, šlifavimo atliekų ar apsauginių dujų. Sunaudojama žymiai mažiau medžiagų ir ji sveria mažiau, nes energijos suvartojimas sudaro tik 2.5 proc. lazerinio suvirinimo energijos. Automobilių, jūrų ir lengvųjų orlaivių pramonėje šis efektyvumas lemia mažesnes degalų sąnaudas.
FSW suvirinimo technologija taip pat sukuria stipresnę ir lygesnę suvirinimo siūlę nei kiti suvirinimo būdai ir sumažina fiksuotų dalių, kurias reikia pakeisti projektavimo ir gamybos proceso metu, skaičių. Tai pasiekiama šiek tiek pasukant ruošinį nenaudojant išorinių jėgų.
Iššūkiai ir apribojimai
Trintinio suvirinimo (FSW) metodas turi įvairių trūkumų. Vienas iš pagrindinių trūkumų yra tas, kad ištraukus įrankį, lieka išėjimo anga, kuri kai kuriais atvejais gali sukelti problemų.
Suvirinamos dalys taip pat turi būti sandariai pritvirtintos, o tai apsunkina operaciją.
Sistemos, kuriose naudojama tradicinė įranga, negali būti naudojamos suvirinimo aparatu (FSW) dėl didelių pradinių investicijų ir specializuotos įrangos poreikio. Be to, suvirinimo aparatui reikia daug prastovų tarp suvirinimo darbų ir jis yra lėtesnis nei kiti suvirinimo būdai.
Frikcinio maišymo suvirinimo (FSW) taikymas
Daugelyje skirtingų pramonės šakų naudojamas trintinis suvirinimas (FSW), daugiausia jungiant visų rūšių aliuminio lydinius, kurie buvo liejami, valcuojami arba ekstruduojami. Priklausomai nuo lydinio kokybės ir mašinos našumo, šiuo metodu galima suvirinti aliuminio lydinių užpakalines jungtis, kurių storis svyruoja nuo 0.3 mm iki 75 mm, vienu kartu. FSW yra naudingas jungiant tokius lydinius kaip magnis, titanas, varis, nikelis ir plienas, be aliuminio. Jis taip pat gali būti naudojamas plastikams ir metalo matricos kompozitams (MMC) sujungti. Juo galima sujungti net nesuderinamas medžiagas, tokias kaip plienas ir aliuminis.
Aviacijos ir kosmoso pramonėje FSW puikiai tinka plonų lydinių apvalkalams, degalų bakams ir korpusams gaminti dėl aukštos suvirinimo kokybės ir geometrinio tikslumo. Jis naudojamas automobilių pramonėje lengvosioms konstrukcijoms, kurios pagerina degalų naudojimo efektyvumą. FSW naudojamas laivų statybos ir geležinkelių pramonėje sunkiasvorių cisternų, keleivinių ir geležinkelio vagonų gamybai. FSW taip pat naudojamas elektronikoje, pavyzdžiui, elektromobilių akumuliatorių dėkluose, o tai rodo jo pritaikomumą įvairiems tikslams.
Nuorodos
Groover, MP, 2010. Šiuolaikinės gamybos pagrindai: medžiagos, procesai ir sistemos. 4-asis leidimas. Hobokenas, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
