Sürtünme Kaynağının Ana Çeşitleri

Bu makale iki ana sürtünme kaynağı çeşidine ışık tutmaktadır. Çeşitler: 1. Atalet Kaynağı 2. Sürtünme Karıştırıcı Kaynağı (FSW).

Değişken # 1. Atalet Kaynağı:

Bu işlemde, kaynaklanacak olan bileşenlerden biri döner bir mandren içine, bir volan takılı iken diğeri sabit bir pozisyonda sıkıştırılır. Volanlı mandren gerekli mekanik enerjiyi depolamak için önceden belirlenmiş bir hıza yükseltilir; bir kavrama yardımı ile tahrik mekanizmasından ayrılabilir.

İş parçaları bir araya getirilir ve eksenel bir kuvvet uygulanır. Çürüyen yüzeylerde geliştirilen sürtünme, dönen kütlenin kinetik enerjisini arayüzde ısıya dönüştüren bir frenleme kuvveti sağlar. Döngünün bir noktasında, sürtünme nedeniyle soğuk parçalara yayıldığından daha az ısının üretildiği hıza ulaşılır.

Tork, ısıtılmış metal dönme durmadan hemen önce basınç altında harekete geçtiği için hızla bir tepe değerine yükselir. Gerekirse, tork tepe değerine ulaştığında istenen bir dövme basıncı uygulanabilir. Şekil 13.14, Atalet Sürtünme Kaynağının özelliklerini göstermektedir.

İki yöntem arasındaki temel fark, sürekli tahrik sürtünme kaynağının sabit iş mili hızında gerçekleştirildiği halde atalet kaynağının yüksek bir hızda başlaması ve giderek azalan bir hızda devam etmesidir. Atalet kaynağının daha kısa kaynak süresi, küçük haddelenmiş metal yakalar sağlayabildiği ve her iki durumda da kaynakların mekanik mukavemetinin benzer olduğu iddia edilmektedir. Bununla birlikte, atalet kaynak işlemi, sürekli tahrik sürtünme kaynak işleminden daha az popülerdir.

Atalet kaynağında hız zamanla azalır, sıcak plastikleşmiş bölgenin kalınlığı artar, üretilen ısı azalır ve tork artar. Eksenel basınç, sıcak metali birleşmeye zorlar ve bunun bir kısmı kanatçık oluşturmak için çıkarılır. Son aşamada, eksenel kısalma oranı artar ve kaynak soğudukça durur. Şekil 13.15 atalet kaynağı için düzeneğin şemasını göstermektedir.

Kaynak Değişkenleri:

Sürtünme kaynağı ile ilgili üç ana kaynak değişkeni vardır. Bunlar, volanın atalet momenti, kaynak döngüsünü başlatırken volanın hızı ve kaynaklanan bileşenlere uygulanan eksenel basınçtır. İlk iki değişken kaynak için mevcut olan enerjiyi ve ara yüzdeki malzemeye ve temas alanına bağlı olarak eksenel basıncı belirler - rahatsızlık miktarına karar verir. Eksenel kısalma, genellikle ilk volan hızı ayarlanarak ayarlanır.

Volandan herhangi bir anda elde edilebilecek enerji denklemde verilmiştir:

nerede, E = enerji, joule

I = atalet momenti (Mk ² ), Newton metre

M = dönen parçaların kütlesi, kgm

k = dönme yarıçapı, m

ω = açısal hız, radyan / sn

N = volanın anlık hızı, rpm

Kaynak için mevcut olan enerji volanın kütlesine ve dönme hızına bağlıdır. Böylece bir atalet kaynak makinesinin kapasitesi, volanı makine kapasitesinin tasarım sınırları dahilinde değiştirerek değiştirilebilir.

Kaynak döngüsü süresi, volandan gelen enerjinin ısıya ne kadar hızlı dönüştürüleceğine bağlı olacaktır. Isıtılmış bölgenin konfigürasyonu, volan konfigürasyonu, ısıtma basıncı ve dönme hızı değiştirilerek değiştirilebilir. İş parçasına ısı girişi, ısıdan etkilenen bölgenin genişliğini ve kaynağın soğutma hızını kontrol etmek için de ayarlanabilir. Şekil 13.16, volan enerjisinin, ısıtma basıncının, ısı modelindeki teğetsel hızın ve çelikteki atalet kaynaklı metallerin kanatçık oluşumunun sonuçta meydana gelen etkilerini göstermektedir.

Volan Yapılandırması:

Volanın atalet momenti, şekline, çapına ve kütlesine bağlıdır. Belirli bir kaynağı ve önceden ayarlanmış bir başlangıç ​​hızını yapmak için gereken enerji, volanın atalet momentini değiştirerek manipüle edilebilir. Düşük karbonlu kaynaklar için üzülme fazı genellikle yaklaşık 60 m / dak periferik bir hızda başlatılır.

Böylece büyük volanlar dövme veya sinirlenme fazını uzatabilir. Öte yandan, küçük volanlar yabancı maddeleri dışarı atmak ve ses veya hatta tatmin edici bir kaynak elde etmek için yeterli enerji sağlayamayabilir. Gerekli enerji gereksinimlerini elde etmek için volan kütlesi ve başlangıç ​​hızı geniş bir aralıkta tersine değişebilir. Bu, HAZ boyutunun kontrolünü ve kaynak arayüzünde üretilen başlangıç ​​ısının radyal konumunun seçilmesini kolaylaştırır.

Sabit başlangıç ​​hızı ve ısıtma basıncı I için, bir volanın enerjisi, boyutu arttırılarak arttırılabilir ve üzgün ve çekilmiş flaş üzerindeki etkisi, Şekil 13.16'da gösterilmektedir. Bir volandaki aşırı enerji, artmış sinirlenme ve flaş biçiminde malzeme israfına yol açar.

Hız:

Her andaki teğetsel hız, doğrudan yarıçapa ve dönme hızına göre değişir ve aşağıdaki ilişki ile verilir:

V _t = r ω

= r. 2 π N

= 6.286 rN

burada, V _t = teğetsel hız, m / dak

r = yarıçapı, m

ω = açısal hız, radyan / sn

N = anlık hız, rpm

En iyi kaynaklar için çevresel hız aralığı metalden metale ve katı çelik çubuklar için 150 ila 450 m / dak arasında değişir; ancak çelikteki kaynaklar 90 m / dak kadar düşük bir hızla yapılabilir. Hız çok düşükse, merkezdeki ısıtma yetersiz olacaktır ve kaynak tüm arayüz boyunca üretilmeyebilir ve flaş, enerji seviyesi gereksinime göre olsa bile, Şekil 13.16'da gösterilen şekilde pürüzlü olacaktır. . 90 ila 250 m / dak arası orta hızlarda çelikteki plastikleştirilmiş bölge, hız arttıkça kademeli olarak düzleşen aralığın alt ucunda bir saat-cam şekline sahiptir. Ayrıca çelik için, 365 m / dak'nın üzerindeki başlangıç ​​hızı, merkezde çevre birimden daha kalın olan bir kaynakla sonuçlanır.

Isıtma basıncı:

Değişen ısıtma basıncının etkisi genel olarak Şekil 13.16'da görüldüğü gibi hızın tersidir. Düşük ısıtma basıncında yapılan kaynaklar, kaynak üzgün ve HAZ'ın görünümüne göre yüksek başlangıç ​​hızında yapılan kaynaklara benzer. Aşırı basınç, düşük hızlarda yapılan kaynaklar için olduğu gibi, merkezde zayıf bağlanma ile büyük miktarda kaynak kayganlığına sahip bir kaynak üretir. Orta karbonlu çelik katı çubuklardaki kaynaklar için optimum ısıtma basıncı aralığı 150 ila 205 N / mm2'dir.

Değişken # 2. Sürtünme Karıştırma Kaynağı (FSW):

Sürtünmeli Karıştırma Kaynağı, 1991 yılında TWI * 'de geliştirilen ve 1999 yılında patentli olan nispeten yeni bir kaynak işlemidir. Şekil 13.17, iki levhanın kare oluk konfigürasyonunda birleştirilmesi için FSW işleminin bir şemasını göstermektedir. İşlem, doğada katıdır ve eklemi üretmek için kaynak bölgesinin lokal olarak dövülmesine dayanır.

Birleştirilecek olan plakalar sıkıştırma altında tutulur ve kaynak sırasında makine yatağına sıkı bir şekilde tutturulur. Sürtünme karıştırma kaynağı, kaynak derinliğinden biraz daha kısa olan, tüketilemeyen bir döner frustum (kesik koni) pim aleti kullanır; böyle bir alet, Şekil 13.18'de gösterilmiştir; bu, alet omzu çalışma yüzeyine temas edene ve bağlantı hattı boyunca geçene kadar mafsal içine sokulur. Önemli proses parametreleri, takım devri ve hareket hızını, aynı zamanda takım ebatlarını ve takım üzerindeki aşağı doğru kuvvetini içerir.

Aletin dönme hızı birkaç yüz rpm'den birkaç bin rpm'ye kadar değişebilir. Kaynak bölgesinde oluşan basıncı önlemek için gereken eksenel kuvvet 1 ila 15 KN arasında değişebilir. Dönen alete mekanik güç çıkışı tipik olarak 2 ila 5 HP'dir (1, 5 ila 3, 7 KW).

Başlangıçta, dönen alet, omuz iş parçasının dokunma yüzeyine daralıncaya kadar eklemin içine sokulur. İş parçasının sürtünmeli ısınması ve plastik deformasyonunun bir kombinasyonu ile üretilen ısı, alete bitişik olan malzemeyi, iş malzemesinin katılarına yaklaşan bir sıcaklığa kadar yumuşatırken, genel bir erime gözlenmez.

Pim mafsal içine sokulduktan sonra, alet mafsal boyunca hareket eder, ara yüzü karıştırır ve bir katı hal kaynağı üretir. Kaynak sırasında, bağlantı boyunca olan malzeme yumuşatılmış bir duruma ısıtılır, aletin çevresi etrafına aktarılır ve daha sonra kaynağı üretmek için arka yüzey boyunca yeniden birleştirilir.

Günümüzde FSW uygulamalarının çoğunda, kaynağın başlangıcı ve bitişi, daha sonra kaldırılabilecek başlangıç ​​ve bitiş tırnaklarında gerçekleşir. Bununla birlikte, FSW tekniklerinin daha da geliştirilmesi ile, gerçek iş parçasının kendisindeki herhangi bir konumda start / stop kontrolünün yapılması beklenebilir. Bu, Şekil 13.19'da gösterildiği gibi, takım dalma sırasında kuvvet kontrolünü gerektirebilir.

Bu rakamın, metal iş parçasına 0, 1 mm / sn (0, 25 inç / dk) ve dönme hızının 400 rpm (41, 9 rad / sn) oranında batırıldığı bir pim aracıyla deneysel sonuçlar için üretildiği bildirildi. Dalma kuvvetinin ileri sürüş sırasında geri 4.4 KN (1000 lb) 'ye düşmeden önce maksimum 13.3 KN (3000 lb) değerine ulaştığı görülmektedir.

Al alaşımlarının sürtünme karıştırma kaynağı nispeten iyi bir şekilde oluşturulmuştur ve 1XXX, 2XXX, 5XXX, 6XXX ve 7XXX serisi alaşımların ve ayrıca Al-Cu-Li alaşımlarının kaynağında başarıyla kullanılmıştır. Bu işlem erime gerektirmediğinden, Al-alaşımlarının FSW'si geleneksel sürtünme kaynağına göre birçok avantaja sahiptir.

Bu katılaşma çatlaması, sıvılaştırma çatlaması, gözeneklilik ve sıçraması gibi sorunların ortadan kaldırılmasını içerir. Prosesin katı hal yapısı nedeniyle tahakkuk eden diğer avantajlar arasında iyileştirilmiş mekanik özellikler, kaynak dumanlarının giderilmesi, düşük büzülme ve düşük kaynak distorsiyonu sayılabilir. Ayrıca, işlem tek bir geçişte ve tüm kaynak pozisyonlarında gerçekleştirilebilir.

Al alaşımındaki sürtünme karıştırma kaynakları, karıştırma bölgesi veya külçe (kaynak merkez çizgisi boyunca), ısı ve deformasyondan etkilenen bölge (HDAZ) veya termo-mekanik olarak etkilenen bölge (TMAZ) dahil olmak üzere çeşitli mikro-yapısal olarak farklı bölgeler gösterir. karıştırma bölgesi) ve HDAZ'yı çevreleyen gerçek bir ısıdan etkilenmiş bölge (HAZ). Kaynak bölgesinin farklı bölgelerinde geliştirilen mikro yapılar, toplam gerilme, gerilme oranı ve FSW işlemi sırasında geliştirilen sıcaklık tarafından kontrol edilen yerel termo-mekanik döngü ile yakından bağlantılıdır.

Şimdiye kadar, FSW etkilerinin çoğu, Al alaşımlarının birleştirilmesinde gelişti, ancak bu teknolojinin diğer malzemelerin, özellikle çeliklerin birleştirilmesi için yaygınlaştırılmasıyla ilgileniliyor. Bunun nedeni, FSW'nin çeliklerin ark kaynağı için bir çok avantaj sağladığı görülüyor.

FSW'nin daha düşük görünen enerji girişlerinin HAZ'de tahıl büyümesini en aza indirmesi ve çeliklerde bozulma ve kalıntı gerilmeleri sınırlandırması bekleniyor. Bozulma ve artık gerilmelerin en aza indirilmesi, gemi yapımı ve ağır imalat sanayii gibi kalın kesitli kaynak malzemelerinde son derece önemlidir. Ark kaynağının FSW ile değiştirilmesinin, özellikle altı değerli krom ihtiva eden kaynak dumanlarını ortadan kaldırması veya en azından azaltması da muhtemeldir. Ek olarak, çeliklerde hidrojen kırılması ile ilgili problemler ortadan kaldırılmıştır, çünkü FSW katı hal kaynak işlemidir. Birlikte ele alındığında, bu avantajlar FSW'yi birçok uygulama için çeliğin birleştirilmesinde çekici kılar.

FSW'nin Avantajları ve Sınırlamaları:

FSW'nin ana avantajları arasında aşağıdakiler bulunur:

1. Dolgu veya sarf malzemesine gerek yok,

2 Minimal eklem kenarı hazırlama,

3. Derz faying yüzeylerinden gömülü oksit giderimi,

4. Hazır otomasyon,

5. Yüksek derz dayanımı, füzyon kaynaklarına göre daha kaliteli kaynaklar,

6. Çatlama duyarlılığı nedeniyle füzyon kaynak işlemleriyle kaynak yapılamayan kaynak alaşımlarının imkanı ve

7. Pahalı operatör eğitimi gerekli değildir.

Sınırlamalar:

Sürecin ana dezavantajları, gerekli mafsal sıkıştırma basıncı ve döner takımı mafsal boyunca hareket ettirmek için gereken yüksek güçtür.

(a) Hibrit Sürtünme Karıştırma Kaynağı:

FSW'nin dezavantajlarının üstesinden gelmek için, iş parçasını Şekil 13.20'de şematik olarak gösterildiği gibi ilerleyen döner aletten önce ön ısıtmak için bir 700 W çok modlu Nd: YAG lazer kullanılmıştır. Dönen takımın önündeki malzemeyi ısıtıp yumuşatarak, bu tür yumuşamaya neden olacak kadar sürtünme ısıtması geliştirmek için çok daha az sıkma kuvveti gerekir ve kaynak aletini hareket ettirmek için çok daha az kuvvet gerekir. Bu iki işlem, takım aşınmasını ve kırılmasını büyük ölçüde azaltmak için birleştirir.

Operatif mekanizma basittir, yani, FSW'nin plastik akış stresini düşürmek için ön ısıtma yapar.

(b) Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı:

Bu, normal FSW işleminin hafif bir değişkenidir ve punto kaynak kapıları ve spor araç kaputu için kullanılır.

Isı iletkenliğinin yüksek olması nedeniyle, alüminyumun geleneksel ark veya direnç kaynağı işlemleriyle kaynak yapmak daha zordur. Sürtünme karıştırma kaynağının bu amaç için daha verimli ve ekonomik olduğu bulunmuştur.

Alüminyum panelleri birleştirmek için robot kontrollü sürtünme karıştırma tabancası kullanılır. Tabanca parçaları her iki taraftan da tutar ve Şekil 13.21'de gösterildiği gibi sürtünme ısısı yaratan, metali yumuşatan ve alüminyum panelde bir kaynak eklemi oluşturan bir döndürme pimi sıkar.

Bir otomobil üretimi, geleneksel dirençli nokta kaynağı yerine Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı kullanılarak elektrik tüketiminde% 99 azalma olduğunu bildirmiştir. Ayrıca, geleneksel dirençli nokta kaynağının aksine, sürtünme karıştırma noktası kaynağının soğutkan, basınçlı hava veya ağır elektrik akımına ihtiyacı yoktur. Ayrıca, sürtünme karıştırma noktası kaynak ekipmanı, alüminyum için direnç kaynağı kaynak cihazına kıyasla% 40 daha az sermaye yatırımı içerir.

Bu işlem, iş parçalarının ön temizliğini gerektirmez ve duman veya sıçramaya neden olmaz.

(c) Sürtünme Karıştırma Yüzey Kaplama:

Sürtünme karıştırma kaynak işlemi ayrıca, temel prensibi Şekil 13.22'de gösterilen metal yüzey kaplaması için de kullanılabilir.

Sürtünme karıştırma yüzeyine geçmek için, tüketilebilir elektrot döndürülür ve aşağıya doğru bastırılırken, yüzey kaplanacak plaka yanal olarak alt tarafa hareket ettirilir.

Yatırılacak malzeme, iki malzeme arasında tam bir birleşime sahip olacak şekilde, plaka malzemesine iyi bir şekilde yapışmalıdır.

İşlem başarılı bir şekilde denenmesine rağmen, endüstriyel ölçekte pratik uygulaması bir süre alabilir.

(d) Çeşitli Gelişmeler:

Standart FSW işleminin daha aktif olarak kabul edilen bir türevi, kendinden reaksiyonlu FSW İşlemi olarak bilinen bir yöntemdir.

Şekil 13.23'te şematik olarak gösterilen kendinden tepkili FSW işlemi, iki omuza sahip kendinden tepkili bir pim aracının kullanılmasını içerir; bunlardan biri iş parçalarının üst yüzeyine diğeri ise alt tarafa yerleştirilmiştir. İki omuz arasına yerleştirilmiş dişli bir pim malzeme kalınlığı boyunca geçer. Kaynaklama sırasında, iki omuz kaynak bağlantısının kronuna ve kök yüzeylerine sıkıca yerleştirilmekte ve böylece gerekli dövme yüklerini uygulamak için sıkıştırılmaktadır. Çift omuz / pim takımı, kaynak hattı boyunca ilerlerken tek bir birim olarak döner.

Endüstrinin birincil avantajı. Boru şeklindeki geçiş derzleri alüminyum arasında yapılabilir ve standart tek parçalı pim aleti yerine kendinden tepmeli pim aletinin kullanılması FSW işlemi sırasında üretilen mekanik dövme kuvvetlerini içermesi için gereken pahalı alet işleme gereksinimini ortadan kaldırmasıdır.

İncelenen diğer bir FSW ilerlemesi, çok kalın malzemelerin kaynağıdır. Anahtar deliği kaynak havuzunu 50 mm veya daha fazla kalınlıkta malzemelerle kaynaklamak ve kapatmak için yeni bir geri çekilebilir pimli alet tasarlanmıştır. Ayrıca soruşturma altında, yörüngesel bir kaynak kafası kullanan uzay araçları için hat ve kanallardaki küçük boyutlu kaynakların ve ayrıca petrol endüstrisinde kullanılan daha büyük çaplı boru sistemindeki kaynakların FSW'si yer almaktadır.