Các biến thể chính của hàn ma sát

Bài viết này đưa ra ánh sáng trên hai biến thể chính của hàn ma sát. Các biến thể là: 1. Hàn quán tính 2. Hàn khuấy ma sát (FSW).

Biến thể số 1. Hàn quán tính:

Trong quá trình này, một trong các bộ phận được hàn được kẹp trong mâm cặp quay với bánh đà được gắn vào trong khi bộ phận kia được kẹp ở vị trí cố định. Mâm cặp với bánh đà được nâng lên tốc độ định trước để lưu trữ năng lượng cơ học cần thiết; nó có thể được giải phóng khỏi cơ cấu truyền động với sự trợ giúp của bộ ly hợp.

Các phôi được kết hợp với nhau và một lực dọc trục được áp dụng. Ma sát phát triển ở các bề mặt phân lớp cung cấp một lực hãm chuyển đổi động năng của khối lượng quay thành nhiệt tại giao diện. Tại một thời điểm trong chu trình, tốc độ đạt được ở nơi sinh ra ít nhiệt hơn do cọ xát hơn là tiêu tan đến các bộ phận làm mát.

Mô-men xoắn tăng nhanh đến giá trị cực đại khi kim loại nóng lên dưới áp lực ngay trước khi dừng quay. Nếu được yêu cầu, áp suất rèn mong muốn có thể được áp dụng khi mô-men xoắn đạt giá trị cực đại. Hình 13, 14 cho thấy các đặc điểm của hàn ma sát quán tính.

Sự khác biệt chính giữa hai phương pháp là trong khi hàn ma sát ổ đĩa liên tục được thực hiện ở tốc độ trục chính không đổi, hàn quán tính bắt đầu ở tốc độ cao và tiếp tục với tốc độ giảm dần. Người ta khẳng định rằng hàn quán tính có thể cung cấp thời gian hàn ngắn hơn, các vòng cổ nhỏ của kim loại ép đùn và độ bền cơ học của các mối hàn trong cả hai trường hợp là tương tự nhau. Tuy nhiên, quá trình hàn quán tính ít phổ biến hơn quá trình hàn ma sát ổ đĩa liên tục.

Trong quán tính hàn tốc độ giảm dần theo thời gian, độ dày của vùng dẻo nóng tăng, nhiệt sinh ra giảm và mô-men xoắn tăng. Áp lực dọc trục buộc kim loại nóng kết lại và một phần của nó đùn ra để tạo thành vây. Trong giai đoạn cuối, tốc độ rút ngắn trục tăng lên và sau đó dừng lại khi mối hàn nguội đi. Hình 13.15 cho thấy sơ đồ thiết lập cho hàn quán tính.

Biến hàn:

Có ba biến hàn chính liên quan đến hàn ma sát. Đây là thời điểm quán tính của bánh đà, tốc độ của bánh đà tại thời điểm bắt đầu chu trình hàn và áp lực dọc trục tác động lên các bộ phận được hàn. Hai biến đầu tiên xác định năng lượng có sẵn để hàn và áp lực dọc trục dựa trên vật liệu và diện tích tiếp xúc tại giao diện. Quyết định mức độ khó chịu. Rút ngắn trục thường được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tốc độ bánh đà ban đầu.

Năng lượng có sẵn từ bánh đà bất cứ lúc nào được đưa ra bởi phương trình:

trong đó, E = năng lượng, joules

I = mô men quán tính (Mk ² ), newton-mét

M = khối lượng của các bộ phận quay, kgm

k = bán kính hồi chuyển, m

= vận tốc góc, radian / giây

N = tốc độ tức thời của bánh đà, vòng / phút

Năng lượng có sẵn để hàn phụ thuộc vào khối lượng của bánh đà và tốc độ quay của nó. Do đó, công suất của máy hàn quán tính có thể được thay đổi bằng cách thay đổi bánh đà trong giới hạn thiết kế của công suất máy.

Thời gian chu kỳ hàn sẽ phụ thuộc vào tốc độ năng lượng từ bánh đà được chuyển thành nhiệt. Cấu hình của vùng nóng có thể thay đổi bằng cách thay đổi cấu hình bánh đà, áp suất làm nóng và tốc độ quay. Đầu vào nhiệt vào phôi cũng có thể được điều chỉnh để kiểm soát độ rộng của vùng ảnh hưởng nhiệt và tốc độ làm mát của mối hàn. Hình 13.16 cho thấy các tác động tổng hợp của năng lượng bánh đà, áp suất gia nhiệt, vận tốc tiếp tuyến trên mô hình nhiệt và sự hình thành vây của kim loại gây khó chịu của các mối hàn quán tính trong thép.

Cấu hình bánh đà:

Thời điểm quán tính của bánh đà phụ thuộc vào hình dạng, đường kính và khối lượng của nó. Năng lượng cần thiết để tạo ra một mối hàn cụ thể và tốc độ ban đầu được cài đặt trước có thể được điều khiển bằng cách thay đổi mômen quán tính của bánh đà. Giai đoạn đảo lộn đối với các mối hàn carbon thấp thường được bắt đầu ở tốc độ ngoại vi khoảng 60 m / phút.

Do đó, bánh đà lớn có thể kéo dài giai đoạn rèn hoặc đảo lộn. Mặt khác, bánh đà nhỏ có thể không cung cấp đủ năng lượng để loại bỏ các tạp chất và đạt được một mối hàn hoặc thậm chí là thỏa đáng. Khối lượng bánh đà và vận tốc ban đầu có thể thay đổi ngược lại trên một phạm vi rộng để có được các yêu cầu năng lượng cần thiết. Điều này tạo điều kiện kiểm soát kích thước HAZ và lựa chọn vị trí xuyên tâm của nhiệt ban đầu được tạo ra tại giao diện mối hàn.

Đối với vận tốc ban đầu không đổi và áp suất đốt nóng, năng lượng của bánh đà có thể tăng lên bằng cách tăng kích thước của nó và ảnh hưởng của nó đối với đèn flash bị lật và đùn được thể hiện trong hình 13.16. Năng lượng dư thừa trong một bánh đà dẫn đến tăng sự khó chịu và lãng phí vật liệu dưới dạng đèn flash.

Vận tốc:

Vận tốc tiếp tuyến tại bất kỳ thời điểm nào thay đổi trực tiếp với bán kính và tốc độ quay và được cho bởi mối quan hệ sau:

V _t = r

= r. 2 N

= 6.286 rN

Trong đó, V _t = vận tốc tiếp tuyến, m / phút

r = bán kính, m

= vận tốc góc, radian / giây

N = tốc độ tức thời, vòng / phút

Phạm vi vận tốc ngoại vi cho các mối hàn tốt nhất thay đổi từ kim loại sang kim loại và đối với các thanh thép đặc, nó dao động trong khoảng 150 đến 450 m / phút; tuy nhiên các mối hàn trong thép có thể được thực hiện với vận tốc thấp tới 90 m / phút. Nếu vận tốc quá thấp, hệ thống sưởi ở trung tâm sẽ không đủ và mối hàn có thể không được tạo ra trên toàn bộ giao diện và đèn flash sẽ gồ ghề với hình dạng như trong Hình 13.16, ngay cả khi mức năng lượng theo yêu cầu . Với vận tốc trung bình từ 90 đến 250 m / phút, khu vực hóa dẻo trong thép có hình dạng đồng hồ cát ở đầu dưới của phạm vi, dần dần phẳng khi tốc độ tăng. Ngoài ra đối với thép, vận tốc ban đầu trên 365 m / phút dẫn đến một mối hàn dày hơn ở tâm so với ở ngoại vi.

Áp suất gia nhiệt:

Ảnh hưởng của áp suất gia nhiệt khác nhau nói chung ngược lại với vận tốc như hiển nhiên trong Hình 13.16. Các mối hàn được thực hiện ở áp suất gia nhiệt thấp tương tự như các mối hàn được thực hiện ở tốc độ ban đầu cao liên quan đến sự xuất hiện của mối hàn và HAZ. Áp lực quá mức tạo ra một mối hàn có liên kết kém ở trung tâm có một lượng lớn sự khó chịu của mối hàn như trường hợp đối với các mối hàn được thực hiện ở vận tốc thấp. Phạm vi áp suất gia nhiệt tối ưu cho các mối hàn trong các thanh rắn bằng thép carbon trung bình là 150 đến 205 N / mm ² .

Biến thể # 2. Hàn ma sát khuấy (FSW):

Hàn ma sát khuấy là một quy trình hàn tương đối mới được phát triển tại TWI * năm 1991 và được cấp bằng sáng chế vào năm 1999. Hình 13, 17 cho thấy sơ đồ của quy trình FSW để nối hai tấm trong cấu hình rãnh vuông. Quá trình này là rắn chắc trong tự nhiên và dựa vào rèn địa phương của khu vực hàn để sản xuất khớp.

Các tấm được nối được giữ trong nén và được kẹp chặt vào giường máy trong khi hàn. Hàn khuấy ma sát sử dụng công cụ ghim xoay không tiêu hao (hình nón cụt) ngắn hơn một chút so với độ sâu mối hàn; một công cụ như vậy được chỉ ra trong hình 13, 18 được cắm vào khớp cho đến khi vai công cụ tiếp xúc với bề mặt làm việc và đi dọc theo đường nối. Các tham số quá trình quan trọng bao gồm vòng quay công cụ và tốc độ di chuyển, cũng như kích thước dao và lực hướng xuống trên dao.

Tốc độ quay của công cụ có thể thay đổi từ vài trăm vòng / phút đến vài nghìn vòng / phút. Lực dọc trục cần thiết để chống lại áp suất hình thành trong vùng hàn có thể thay đổi từ 1 đến 15 KN. Công suất cơ cho công cụ quay thường là 2 đến 5 HP (1, 5 đến 3, 7 kw).

Ban đầu, dụng cụ quay được cắm vào khớp cho đến khi vai co lại bề mặt vòi của phôi. Nhiệt sinh ra bởi sự kết hợp 'gia nhiệt ma sát và biến dạng dẻo của phôi làm mềm vật liệu liền kề với dụng cụ đến nhiệt độ tiếp cận khối rắn của vật liệu gia công, trong khi không quan sát thấy sự nóng chảy tổng quát.

Sau khi pin được cắm vào khớp, dụng cụ sẽ di chuyển dọc theo khớp, khuấy giao diện và tạo ra mối hàn trạng thái rắn. Trong quá trình hàn, vật liệu dọc theo khớp được nung nóng đến điều kiện được làm mềm, được chuyển xung quanh ngoại vi của dụng cụ và sau đó được kết hợp lại dọc theo bề mặt phía sau để tạo ra mối hàn.

Trong nhiều ứng dụng hiện nay của FSW, bắt đầu và kết thúc mối hàn xảy ra khi bắt đầu và dừng các tab có thể được gỡ bỏ sau đó. Tuy nhiên, với sự phát triển hơn nữa của các kỹ thuật FSW, có thể dự kiến ​​sẽ kiểm soát khởi động / dừng tại bất kỳ vị trí nào trên phôi gia công thực tế. Điều này có thể yêu cầu kiểm soát lực trong quá trình lao công cụ, như thể hiện trong hình 13, 19.

Con số này được báo cáo là được tạo ra cho các kết quả thử nghiệm với công cụ pin được cắm vào phôi kim loại với tốc độ 0, 1 mm / giây (0, 25 inch / phút) và tốc độ quay 400 vòng / phút (41, 9 rad / giây). Có thể thấy rằng lực đẩy đạt tối đa 13, 3 KN (3000 lb) trước khi giảm trở lại 4, 4 KN (1000 lb) trong khi di chuyển về phía trước.

Hàn khuấy ma sát của hợp kim Al được thiết lập tương đối tốt và đã được sử dụng thành công để hàn các hợp kim 1XXX, 2XXX, 5XXX, 6XXX và 7XXX, cũng như các hợp kim Al-Cu-Li. Vì quá trình này không liên quan đến sự nóng chảy, do đó, FSW của hợp kim Al có một số lợi thế so với hàn ma sát thông thường.

Điều này bao gồm loại bỏ các vấn đề như nứt hóa rắn, nứt hóa lỏng, độ xốp và văng. Các ưu điểm khác tích lũy do tính chất trạng thái rắn của quá trình bao gồm các tính chất cơ học được cải thiện, loại bỏ khói hàn, co ngót thấp và giảm biến dạng mối hàn. Ngoài ra, quá trình có thể được thực hiện trong một lần duy nhất và trong tất cả các vị trí hàn.

Các mối hàn khuấy ma sát trong hợp kim Al cho thấy một số vùng khác biệt về cấu trúc vi mô bao gồm vùng khuấy hoặc nugget (dọc theo đường trung tâm hàn), vùng ảnh hưởng nhiệt và biến dạng (HDAZ) hoặc vùng chịu ảnh hưởng cơ học (TMAZ) (bao quanh vùng khuấy) và vùng chịu ảnh hưởng nhiệt thực sự (HAZ) bao gồm HDAZ. Các cấu trúc vi mô được phát triển ở các vùng khác nhau của vùng hàn được liên kết chặt chẽ với chu trình cơ nhiệt cục bộ, được điều khiển bởi tổng biến dạng, tốc độ biến dạng và nhiệt độ được phát triển trong quá trình vận hành FSW.

Cho đến nay, hầu hết các hiệu ứng FSW đã được phát triển khi tham gia Hợp kim, tuy nhiên rõ ràng có mối quan tâm đến việc mở rộng công nghệ này để nối các vật liệu khác, đặc biệt là thép. Điều này là do FSW dường như cung cấp một số lợi thế so với hàn hồ quang thép.

Các đầu vào năng lượng rõ ràng thấp hơn của FSW dự kiến ​​sẽ giảm thiểu sự tăng trưởng của hạt trong HAZ và hạn chế biến dạng và ứng suất dư trong thép. Giảm thiểu biến dạng và ứng suất dư là cực kỳ quan trọng trong vật liệu hàn có tiết diện dày, chẳng hạn như trong các ngành công nghiệp đóng tàu và sản xuất nặng. Thay thế hàn hồ quang bằng FSW cũng có khả năng loại bỏ hoặc ít nhất là giảm khói hàn, đặc biệt là những loại có chứa crom hóa trị sáu. Ngoài ra, các vấn đề về nứt hydro trong thép được loại bỏ vì FSW là một quá trình hàn ở trạng thái rắn. Kết hợp lại với nhau, những lợi thế này làm cho FSW hấp dẫn khi tham gia thép cho nhiều ứng dụng.

Ưu điểm và hạn chế của FSW:

Các ưu điểm chính của FSW bao gồm dòng chảy:

1. Không cần chất độn hay vật tư tiêu hao,

2 Chuẩn bị cạnh tối thiểu,

3. Loại bỏ oxit nhúng từ các bề mặt phân loại chung,

4. Tự động hóa sẵn sàng,

5. Độ bền cao, mối hàn chất lượng cao hơn mối hàn tổng hợp,

6. Khả năng của hợp kim hàn không thể hàn bằng quy trình hàn tổng hợp do tính mẫn cảm nứt, và

7. Đào tạo điều hành tốn kém là không cần thiết.

Hạn chế:

Hạn chế chính của quy trình là áp lực kẹp yêu cầu và công suất cao hơn cần thiết để di chuyển dụng cụ quay dọc theo khớp.

(a) Hàn khuấy ma sát lai:

Để khắc phục nhược điểm của FSW, laser Nd: YAG đa chế độ 700 W đã được sử dụng để làm nóng phôi trước công cụ quay tiến, như được hiển thị sơ đồ trong hình 13.20. Bằng cách gia nhiệt và làm mềm vật liệu trước dụng cụ quay, cần ít lực kẹp hơn để phát triển đủ lực ma sát để gây ra sự làm mềm như vậy, và cần ít lực hơn để di chuyển dụng cụ hàn. Hai quá trình này kết hợp để giảm đáng kể hao mòn công cụ.

Cơ chế hoạt động rất đơn giản, tức là sấy sơ bộ để giảm căng thẳng dòng chảy nhựa của FSW.

(b) Hàn điểm ma sát khuấy:

Đây là một biến thể nhỏ của quy trình FSW bình thường và được sử dụng cho cửa hàn và mui xe ô tô thể thao.

Bởi vì nhôm dẫn nhiệt cao hơn nên khó phát hiện mối hàn hơn với các quy trình hàn hồ quang hoặc điện trở thông thường. Hàn khuấy ma sát đã được tìm thấy là hiệu quả và kinh tế hơn cho mục đích này.

Để tham gia các tấm nhôm, súng khuấy ma sát do robot điều khiển được sử dụng. Súng kẹp chặt các bộ phận từ cả hai phía và vặn một chốt quay, tạo ra nhiệt ma sát, làm mềm kim loại và tạo thành mối hàn trong bảng nhôm, như trong Hình 13, 21.

Một nhà sản xuất ô tô đã báo cáo giảm 99% mức tiêu thụ điện bằng cách sử dụng Hàn điểm ma sát thay vì hàn điểm kháng thông thường. Ngoài ra, không giống như hàn điểm kháng thông thường, hàn điểm khuấy ma sát không cần chất làm mát, khí nén hoặc dòng điện nặng. Hơn nữa, thiết bị hàn điểm ma sát khuấy liên quan đến đầu tư vốn ít hơn 40% so với thiết bị hàn điểm kháng cho nhôm.

Quá trình này không yêu cầu làm sạch trước phôi và không tạo ra khói hoặc văng.

(c) Bề mặt ma sát khuấy:

Quá trình hàn khuấy ma sát cũng có thể được sử dụng cho bề mặt kim loại, nguyên tắc cơ bản được minh họa trong hình 13, 22.

Đối với bề mặt ma sát khuấy, điện cực tiêu hao được quay và ấn xuống, trong khi tấm được nổi lên được di chuyển bên dưới.

Các vật liệu để lắng đọng phải có sự tuân thủ tốt với vật liệu tấm để có sự kết hợp hoàn toàn giữa hai vật liệu.

Mặc dù quá trình đã được thử thành công tuy nhiên ứng dụng thực tế của nó ở quy mô công nghiệp đôi khi có thể mất.

(d) Các phát triển khác:

Một trong những biến thể được xem xét tích cực hơn của quy trình FSW tiêu chuẩn là một biến thể được gọi là Quy trình FSW tự phản ứng.

Quá trình FSW tự phản ứng, được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 13, 23, liên quan đến việc sử dụng một công cụ pin tự phản ứng có hai vai; một vị trí trên bề mặt trên của phôi và cái còn lại ở phía dưới. Một chốt ren, được định vị giữa hai vai, đi qua độ dày vật liệu. Trong quá trình hàn, hai vai được đặt sát vào thân răng và các bề mặt gốc của mối hàn do đó nén nó để áp dụng tải trọng rèn cần thiết. Tổ hợp vai / pin kép xoay như một đơn vị trong khi di chuyển dọc theo đường hàn.

Lợi thế chính của ngành công nghiệp. Các khớp chuyển tiếp hình ống cũng có thể được tạo ra giữa nhôm và sử dụng công cụ pin tự phản ứng, thay vì công cụ pin đơn mảnh tiêu chuẩn, là loại bỏ yêu cầu về công cụ đắt tiền cần thiết để chứa các lực rèn cơ học được tạo ra trong quá trình FSW.

Một tiến bộ khác của FSW đang được điều tra là hàn các vật liệu rất dày. Một công cụ pin có thể thu vào mới đã được thiết kế để hàn và đóng bể hàn lỗ khóa trong vật liệu có độ dày 50 mm hoặc thậm chí nhiều hơn. Cũng đang được điều tra là FSW của các mối hàn cỡ nhỏ trong các đường và ống dẫn cho các phương tiện không gian sử dụng đầu hàn quỹ đạo, cũng như các mối hàn trong các hệ thống đường ống có đường kính lớn hơn được sử dụng trong ngành dầu khí.