Сварка трением - Friction welding

Сварка трением (FRW) является твердотельным сварка процесс, который генерирует тепло за счет механического трение между деталями, находящимися в относительном движении друг к другу, с добавлением боковой силы, называемой «осадка», для пластического смещения и сплавления материалов. Поскольку плавления не происходит, сварка трением не является сварка плавлением процесс, но твердотельная сварка техника больше похожа кузнечная сварка. Сварка трением применяется с металлами и термопласты в широком спектре авиационных и автомобильных приложений. Сварка трением также работает с деревом.

Преимущества

Комбинация быстрого времени соединения (порядка нескольких секунд) и прямого тепловложения на границе сварного шва дает меньшие зоны термического влияния. Сварка трением, как правило, не требует плавления, что снижает рост зерен в конструкционных материалах, таких как высокопрочные термообработанные стали. Еще одно преимущество заключается в том, что движение имеет тенденцию очищать поверхность между свариваемыми материалами, а это означает, что их можно соединить с меньшей подготовкой. В процессе сварки, в зависимости от используемого метода, небольшие кусочки пластмассы или металла будут вытесняться из рабочей массы (вспышка ). Считается, что вспышка уносит мусор и грязь.^{[нужна цитата ]}

Еще одно преимущество сварки трением состоит в том, что она позволяет соединять разнородные материалы. Это особенно полезно в аэрокосмический, где он используется для присоединения к легкому алюминий припуск к высокопрочным сталям. Обычно большая разница в точках плавления двух материалов делает невозможным сварку традиционными методами и требует какого-то механического соединения. Сварка трением обеспечивает прочное соединение без дополнительного веса. Другие распространенные применения биметаллических соединений такого типа - в атомной промышленности, где медь -стали стыки обычны в системах охлаждения реактора; и при транспортировке криогенных жидкостей, где сварка трением использовалась для соединения алюминиевых сплавов с нержавеющими сталями и материалами с высоким содержанием никеля для трубопроводов криогенных жидкостей и защитных сосудов. Сварка трением также используется с термопластами, которые действуют аналогично металлам под действием тепла и давления. Нагревание и давление, применяемые к этим материалам, намного ниже, чем к металлам, но эту технику можно использовать для соединения металлов с пластмассами с обрабатываемой поверхностью раздела металлов. Например, эту технику можно использовать для присоединения оправы очков к стержням в их петлях. Использование более низких энергий и давлений позволяет использовать более широкий спектр методов.

Спеченный материалы, такие как Al, Cu, Ti, Mg сплавы жаропрочные Ni и Co сплавы и тугоплавкие материалы, такие как Та и Пн Сплавы успешно соединяются сваркой трением.^[1]

Недостатки

• Ограничения размеров заготовки
  • RFW ограничен в основном для круглых прутков аналогичного сечения; детали других форм все еще можно сваривать, но это намного сложнее
  • Нужно закрепить заготовку
  • Ограничения совместного дизайна
• Невозможность ковать заготовки из некокованых материалов; трудности, связанные с экспериментальными материалами
• Стоимость оборудования RFW, высокая капитальные расходы^[1]

История

Сварка трением была впервые разработана в Советском Союзе, а первые эксперименты были проведены в 1956 году. Американские компании Caterpillar, Rockwell International и American Manufacturing Foundry разработали машины для этого процесса. Патенты также были выданы по всей Европе и бывшему Советскому Союзу. США с CAT / MTI разработали инерционный процесс; В Европе совместно с KUKA AG и Thompson разработали процесс с прямым приводом.

Металлические техники

Ротационная сварка трением

Ротационная сварка трением

Ротационная сварка трением

Ротационная сварка трением (RFW) для пластмасс, также известных как вращательная сварка, использует машины с двумя патроны для удержания свариваемых материалов, один из которых неподвижен, а другой вращается.

В сварка трением с прямым приводом (также называемая сваркой трением с непрерывным приводом) приводной двигатель и патрон соединены. Приводной двигатель постоянно приводит в движение патрон во время стадий нагрева. Обычно для отсоединения приводного двигателя от патрона используется муфта, а затем используется тормоз для остановки патрона.

В инерционная сварка трением приводной двигатель отключается, и детали сжимаются под действием силы сварки трением. Кинетическая энергия, накопленная во вращающемся маховике, рассеивается в виде тепла на границе раздела сварных швов, когда скорость маховика уменьшается. Перед сваркой одна из заготовок крепится к поворотному патрону вместе с маховик заданного веса. Затем деталь раскручивается до высокой скорости, чтобы сохранить необходимую энергию в маховике. После вращения на нужной скорости двигатель снимается, и части сжимаются под давлением. После остановки вращения к деталям прилагается усилие, позволяющее сварному шву «застыть».^[2]

Работа трения преобразуется в повышение температуры в зоне зоны сварки, в результате чего изменяется структура шва. Отдельные термомеханические зоны можно описать, процитировав пример статьи: R.McAndrew и другие, «Обзор литературы по линейной сварке трением Ti-6Al-4V», 2018.^[3]

«Технически WCZ и TMAZ являются« зонами термомеханического воздействия », но из-за сильно различающейся микроструктуры они часто рассматриваются отдельно. WCZ подвергается значительной динамической рекристаллизации (DRX), а TMAZ - нет. Материал в HAZ не деформируется механически, но подвергается воздействию тепла. Область от одной границы TMAZ / HAZ до другой часто называют «толщиной TMAZ» или зоной пластического воздействия (PAZ). В оставшейся части этой статьи эта область будет именоваться ПАЗ ».^[3]

Установка совершенно разных параметров может привести к получению другого сварного шва, например, изменения структуры не будут одинаковой ширины. Возможно получение меньшего зона термического влияния (HAZ) и зона пластического воздействия (PAZ). Ширина сварного шва меньше. Например, результаты не такие, как для сварных швов, выполненных для Европейского космического агентства с высоким оборотом ω = 14000 об / мин.^[4] или другой пример в Варшавском техническом университете 12000 об / мин^[5] и очень короткое время трения всего 60 мс^{[6] [40 мс-[7]]} вместо стандартных параметров, кроме того, в этом случае ультра мелкое зерно сплав был сварен. К сожалению, диаметр заготовки может быть ограничением для использования высоких скоростей вращения.

Есть много научных статей, описывающих испытания сварных швов, например твердость,^[7][8][9] испытания на растяжение.^[8] Структуру сварного шва можно исследовать с помощью оптической микроскопии.^[8][9][10] и сканирующая электронная микроскопия.^{[4][9][10][8]} Компьютер метод конечных элементов (FEM) используется для прогнозирования формы вспышки, границы раздела и других, не только для ротационной сварки трением (RFW),^[11] но и для сварка трением с перемешиванием (FSW),^[12][13] линейная сварка трением (LFW),^[3] FRIEX,^[14] и другие. Измерения температуры также проводятся в научных целях.^[11][10][9] Например, температура может ухудшить свойства материала (например, динамическая рекристаллизация произойдет).

При обычной сварке сначала внешняя область нагревается сильнее из-за более высокой линейной скорости. Затем тепло распространяется, и материал выталкивается наружу, создавая вспышку.

Линейная сварка трением

Линейная сварка трением (LFW) аналогична вращательной сварке, за исключением того, что движущийся патрон совершает поперечные колебания, а не вращается. Обычно скорости намного ниже, поэтому детали должны постоянно находиться под давлением. Это также требует, чтобы детали имели высокую прочность на сдвиг. Линейная сварка трением требует более сложного оборудования, чем вращающаяся сварка, но имеет то преимущество, что части любой формы могут быть соединены, в отличие от частей с круговой точкой встречи. Еще одно преимущество заключается в том, что во многих случаях качество соединения лучше, чем при вращении.

В июне 2016 года можно было сваривать следующие материалы: технически чистая медь (C101) / технически чистый алюминий (AA1050) / алюминиевый сплав аэрокосмического качества (AA6082) / микролегированная сталь (патентованная) / никелевый сплав (Inconel 718) для соответствия одной детали со всеми пятью материалами, объединенными в качестве демонстратора с использованием LFW. Ранее была успешно выполнена сварка с использованием аналогичных материалов: алюминия, стали и титана авиационно-космического качества.

Наиболее важными параметрами в процессе LFW являются давление трения, давление штамповки, выгорание, частота, амплитуда, вылет и, возможно, их соответствующие линейные изменения или изменение во времени. Давление трения это то, что образуется между свариваемыми деталями в течение периода колебаний. Давление ковки это то, что поддерживается в течение короткого периода времени после остановки колебаний и обычно примерно на 20% больше, чем Давление трения. Сжечь изменение длины заготовки при превращении ее вещества в вспышка - материал, выходящий вокруг сварного шва. Частота и Амплитуда описать движение осциллятора и, следовательно, одной из свариваемых деталей. Торчать - это линейное измерение количества материала, который детали выступают из инструмента (осциллятор и инструмент для ковки).

Наплавка трением

Наплавка трением представляет собой процесс сварки трением, при котором материал покрытия наносится на основу. Стержень, состоящий из материала покрытия (называемый мехтродом), вращается под давлением, образуя пластифицированный слой в стержне на границе с подложкой. Путем перемещения подложки по поверхности вращающегося стержня осаждается пластифицированный слой, обычно толщиной 0,2–2,5 мм (0,0079–0,0984 дюйма) для сталей на сталях, в зависимости от диаметра мехтрода и материала покрытия. Этот процесс можно использовать с различными металлы, в том числе алюминий, на алюминий.

Термопластическая техника

Линейная вибрационная сварка

В линейная вибрационная сварка материалы контактируют и подвергаются давлению. Затем прикладывается внешняя сила вибрации для скольжения деталей относительно друг друга перпендикулярно приложенному давлению. Детали вибрируют за счет относительно небольшого смещения, известного как амплитуда, обычно от 1,0 до 1,8 мм для частоты вибрации 200 Гц (высокая частота) или 2–4 мм при 100 Гц (низкая частота) в плоскости. сустава. Этот метод широко используется, в частности, в автомобильной промышленности.^[15] Незначительная модификация сварка трением под углом, который вызывает вибрацию материалов, закручивая их на небольшой угол.

Орбитальная сварка трением

Орбитальная сварка трением похожа на вращающуюся сварку, но для создания орбитального движения используется более сложная машина, при которой движущаяся часть вращается по небольшому кругу, намного меньшему, чем размер соединения в целом.

Устойчивость к захвату

Сварка трением может непреднамеренно произойти на поверхностях скольжения, таких как подшипники. Это происходит, в частности, если пленка смазочного масла между поверхностями скольжения становится тоньше шероховатости поверхности, что может быть связано с низкой скоростью, низкой температурой, масляным голоданием, чрезмерным зазором, низкой вязкостью масла, высокой шероховатостью поверхностей или их сочетание.^[16]

В сопротивление схватыванию способность материала противостоять сварке трением. Это фундаментальное свойство несущих поверхностей и в целом поверхностей скольжения под нагрузкой.

Смотрите также

• Кузнечная сварка
• Сварка трением с перемешиванием

Справочная информация и методы сварки трением

«Сварка трением» - это несколько методов. О методах сварки написано много статей, но в большинстве статей часто рассматривается только один метод. В приведенной ниже таблице перечислены статьи в ссылках.

Справочная информация о различных методах сварки трением

короткий	Полное имя	Номер ссылки
ЖСБ	Сварка трением с перемешиванием	[9][13]
RFW	Ротационная сварка трением	[4][5][6][7][8][10][11]
FSSW	Точечная сварка трением с перемешиванием	[12]
LFW	Линейная сварка трением	[3]
FRIEX[14]	Сварка трением кольцевых швов трубопроводов	[14]
FHPPOW[17]	Обработка нахлеста фрикционных гидростолб	[17]
FHHP[18]	Обработка гидравлических столбов трением	[18]

Рекомендации

1. УЗКУТ, Мехмет; ÜNLÜ, Бекир; ИЛМАЗ, Селим; AKDA, Мустафа. «Сварка трением и ее применение в современном мире» (PDF). Джелал Баяр Üniversitesi.
2. Ротационная сварка трением, видео и принципиальная схема
3. МакЭндрю, Энтони Р .; Колегроув, Пол А .; Бюр, Клемент; Flipo, Bertrand C.D .; Вайрис, Ахиллеас (2018-10-03). «Обзор литературы по линейной сварке трением Ti-6Al-4V». Прогресс в материаловедении. 92: 225–257. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2017.10.003. ISSN  0079-6425.
4. М. Мейснар, С. Бейкер, Дж. М. Беннет, А. Бернад, А. Мостафа, С. Реш, Н. Фернандес, А. Норман (2017). «Микроструктурная характеристика разнородных соединений, сваренных трением АА6082 и Ti-6Al-4V». Материалы и дизайн. 132: 188–197. Дои:10.1016 / j.matdes.2017.07.004.
5. Б. Сковроньска, Т. Хмелевски, В. Пахла, М. Кульчик, Я. Скиба, В. Преш (2019). «Свариваемость трением нержавеющей стали UFG 316L» (PDF). Arch. Металл. Матер. 3, 64: 1051–1058. Дои:10.24425 / амм.2019.129494.
6. Сковроньска, Беата; Сивек, Петр; Хмелевский, Томаш; Голанский, Дариуш (10.05.2018). "Zgrzewanie tarciowe ultradrobnoziarnistej stali 316L". Przegląd Spawalnictwa - Обзор сварочных технологий. 90 (5). Дои:10.26628 / пс. V90i5.917. ISSN  2449-7959.
7. Седлец, Роберт; Стрюк, Цезарий; Зибала, Рафал (10.11.2016). "Morfologia złączy kompozytów Al / Al2O3 zgrzewanych tarciowo ze stopem Al 44200". Przegląd Spawalnictwa - Обзор сварочных технологий (по польски). 88 (11). Дои:10.26628 / пс. V88i11.706. ISSN  2449-7959.
8. Shanjeevi, C .; Satish Kumar, S .; Сатья, П. (2013). «Оценка механических и металлургических свойств разнородных материалов сваркой трением». Разработка процедур. 64: 1514–1523. Дои:10.1016 / j.proeng.2013.09.233. ISSN  1877-7058.
9. Liu, F.J .; Fu, L .; Чен, Х. Ю. (14 февраля 2018 г.). «Влияние высокой скорости вращения на распределение температуры, эволюцию микроструктуры и механические свойства сварных трением с перемешиванием соединений тонких листов 6061-T6». Международный журнал передовых производственных технологий. 96 (5–8): 1823–1833. Дои:10.1007 / s00170-018-1736-0. ISSN  0268-3768.
10. Ван, Гуйлонг; Ли, Цзинлун; Сюн, Цзянтао; Чжоу, Вэй; Чжан, Фушэн (05.06.2018). «Исследование эволюции микроструктуры нержавеющей стали AISI 304, соединенной ротационной сваркой трением». Сварка в мире. 62 (6): 1187–1193. Дои:10.1007 / s40194-018-0613-7. ISSN  0043-2288. S2CID  139498947.
11. Нан, Сюйцзин; Сюн, Цзянтао; Джин, Фэн; Ли, Сюнь; Ляо, Чжунсян; Чжан, Фушэн; Ли, Цзинлун (2019). «Моделирование процесса ротационной сварки трением на основе принципа производства максимальной энтропии». Журнал производственных процессов. 37: 21–27. Дои:10.1016 / j.jmapro.2018.11.016. ISSN  1526-6125.
12. Lacki, P .; Kucharczyk, Z .; Liwa, R.E .; Галачинский, Т. (01.06.2013). «Влияние формы инструмента на температурное поле при точечной сварке трением с перемешиванием». Архивы металлургии и материалов. 58 (2): 595–599. Дои:10.2478 / amm-2013-0043. ISSN  1733-3490.
13. Qin, D. Q .; Fu, L .; Шен, З.К. (15 января 2019 г.). «Визуализация и численное моделирование поведения потока материала во время высокоскоростного процесса FSW тонкой пластины из алюминиевого сплава 2024 года». Международный журнал передовых производственных технологий. 102 (5–8): 1901–1912. Дои:10.1007 / s00170-018-03241-5. ISSN  0268-3768.
14. Писсанти, Даниэла Раммингер; Шейд, Адриано; Канан, Луис Фернандо; Далпиаз, Джовани; Кветневски, Карлос Эдуардо Фортис (январь 2019 г.). «Сварка трением по кольцу трубопровода дуплексной нержавеющей стали UNS S32205». Материалы и дизайн. 162: 198–209. Дои:10.1016 / j.matdes.2018.11.046. ISSN  0264-1275.
15. Соединение пластмасс - Техника сварки трением
16. Требования к материалам подшипников двигателя, SubsTech
17. Буццатти, Диого Тренто; Хлудзинки, Мариан; Сантос, Рафаэль Эухенио душ; Буццатти, Йонас Тренто; Лемос, Гильерме Виейра Брага; Маттеи, Фабиано; Мариньо, Рикардо Реппольд; Паес, Марсело Торрес Пиза; Регули, Афонсу (2019). «Прочностные характеристики стали, обработанной фрикционной гидростанцией для морских швартовных цепей». Журнал материаловедения и технологий. 8 (3): 2625–2637. Дои:10.1016 / j.jmrt.2019.04.002. ISSN  2238-7854.
18. Буццатти, Диого Тренто; Буццатти, Йонас Тренто; Сантос, Рафаэль Эухенио душ; Маттеи, Фабиано; Хлудзински, Мариан; Штрохеккер, Тельмо Роберто (2015). «Обработка гидравлических столбов трением: характеристики и применение». Soldagem & Inspeção. 20 (3): 287–299. Дои:10.1590 / 0104-9224 / si2003.04. ISSN  0104-9224.