Friksjons sveising: Drift, Maskiner og applikasjoner
Etter å ha lest denne artikkelen vil du lære om: - 1. Introduksjon til friksjonssveising 2. Teoretisk overveielse for friksjonssveising 3. Prosessegenskaper 4. Maskiner og utstyr 5. Variabler 6. Sveisegenskaper 7. Fellesdesign 8. Applikasjoner.
Introduksjon til friksjonssveising:
I friksjonssveising roteres ett stykke og det andre gjøres til å gni mot det under en aksial belastning, noe som resulterer i økt friksjon, varmeproduksjon og sammenføyning når brikkene bringes til å hvile under vedvarende eller forsterket aksial belastning, som vist i figur 13.1. Denne prosessen har blitt brukt for å bli med i termoplastiske polymerer siden 1945, men den første vellykkede søknaden for sveising av metaller ble rapportert fra Russland i 1956.
Fig. 13.1 Sekvens av friksjonsveisoperasjon
Fyllningsmetall, fluss- eller skjermgass er ikke nødvendig i friksjons sveising, og leddet er lik utseende til de som produseres ved elektrisk motstandsrør sveiseprosesser av blits og opprørt sveising.
Normalt sylindriske stykker som stenger og rør sveises av denne prosessen, men anvendelsen kan utvides til situasjoner hvor en av komponentene er symmetrisk og kan roteres hensiktsmessig. Forskjellige moduser av prosessen, som den er brukt for tiden, er vist i figur 13.2.
Metode A er den enkleste og gjelder for de fleste stålene i temperaturområdet 900 - 1300 ° C. Metode B brukes når høy relative hastigheter kreves for å sveise små diameter arbeidsstykker. Metode C brukes til tvilling sveiser mellom to lange arbeidsstykker som er vanskelige å rotere. Metode F viser det som er kjent som radial sveising der den påtrykte kraften er vinkelrett på rotasjonsaksen.
Den ytre ring eller hylse komprimeres når den oppvarmes og rørveggen støttes av en internt ekspanderende dorn som hindrer penetrering av opprørt metall inn i rørets boring. Denne metoden kan også brukes til sveising av krager til faste aksler.
Metode H kan brukes til sveising av sylindriske komponenter til plater, for eksempel en stang til en basisplate. Metode G viser friksjonssveising av ikke-sirkulære komponenter; I slike tilfeller blir brikkene raskt justert etter at bevegelsen opphører slik at sammenføyning påvirkes når de to kantene fortsatt er i plasttilstanden.
Teoretisk overveielse for friksjonssveising:
Chudikov og Vill fra Russland krediteres med vellykket bruk av friksjons sveising til metaller. Den grunnleggende vurdering av prosessen er selvfølgelig basert på den velkjente loven at friksjonskraften F, er proporsjonal med den påførte normale belastningen, L.
Og dermed,
F = μL ............ (13, 1)
Hvor μ er friksjonskoeffisienten som øker med økning i belastning og er også avhengig av hastigheten. Ifølge Vill friksjonskraft kan uttrykkes av følgende ligning,
F - aA + βL ....... (13.2)
hvor A er kontaktområdet og a og p er konstanter. For høye trykkverdier er første termen svært liten og dermed F = βL hvor β er nesten lik μ, slik at den grunnleggende loven for friksjon holder god.
Fra begynnelsen av operasjonen til sveisingen er fullført etter påføring av bremser, varierer friksjonskraften. For å studere virkningen på de forskjellige fasene i prosessen er det praktisk å gjøre det ved å analysere tidsmomentforholdet vist i figur 13.3. Den innledende topp i dreiemomentkurven skyldes tørrfriksjon, men kort tid etter følger den andre fasen av prosessen hvor beslag og brudd foregår ved kontaktens høye punkter.
Gjennomsnittstemperaturen i andre fase er bare 100 - 200 ° C. Den raske veksten og den svingende naturen til kurven skyldes endringen fra marginal- eller grenselaget friksjon med μ. = 0, 1 til 0, 2 til ren friksjon med μ> 0, 3.
Dreiemomentet i US-punktene øker, og til slutt smeltet metall kan forekomme ved disse kontaktpunktene og virke som smøremiddel, og grensesnittets gjennomsnittstemperatur kan stige til 900-100 ° C.
Bare 13% av den totale varmen produseres i de to første trinnene (T 1 + T 2 ) mens resten produseres i tredje trinn (T 3 ). Økt hastighet i stedet for å redusere varigheten av prosessen, øker den som det fremgår av figur 13.4. Dette skyldes at økt hastighet resulterer i redusert varmeintensitet.
Varmeenergi generert pr. Arealareal av fayingflatene er gitt ved følgende uttrykk:
H ≈ 2 PK / nR 10 2 watt / mm 2 .................. (13.3)
hvor,
H = varme generert, watt / mm 2
P = påtrykt trykk, N / mm 2
R = arbeidsradius, mm
n = rpm
K = en konstant = 8x10 7 mm 2 / min 2 for lavkarbonstål.
Den andre fasen kan dekke nesten 30-70% av den totale tiden; men denne fasen er ikke-produktiv, så den er ment å redusere tidsperioden for å øke produktiviteten. Dette gjøres vanligvis ved å øke klemmingstrykket maksimalt.
Kraften som kreves er rapportert å være proporsjonal med det aksiale trykket, og varigheten av det tredje trinn er omvendt proporsjonal med det aksiale trykket. For optimal resultater bør den aksiale belastningen holdes lav i innledningsfasen og økes gradvis eller kan påføres i to trinn.
Maksimal temperatur oppnådd styres av den påførte aksialbelastningen da metallet under en bestemt styrke vil bli presset ut under en bestemt belastning. Når viskositeten eller styrken til plastmetallet er lav, blir metallet kastet ut av sentrifugalkraften under en lav aksial belastning, for eksempel ved sveising av kobber.
Ved friksjonssveising forskjellige metallkombinasjoner som rustfritt stål til karbonstål, kan planet for maksimal temperatur bevege seg bort fra grensesnittet; Med høy hastighet beveger den seg inn i rustfritt stål, slik at halvparten av blitsen er bimetallisk. I dette tilfellet gir reduksjon av rotasjonshastigheten det ønskede resultatet og ved en viss hastighet blir grensesnittet igjen planet for maksimal temperatur og dermed et plan med maksimal skjærestrømningshastighet.
Det påtrykte trykket er kanskje den viktigste enkeltfaktoren da det regulerer temperaturen og bestemmer momentet som kreves. Varmeinngangshastigheten er proporsjonal med produktet av moment og rotasjonshastigheten. Rotasjonshastigheten må være slik at viss minimum eller terskelffekt overskrides. Hvis kraften er over terskelen, er prosessen selvregulerende.
Hvis for mye kraft påføres, øker bredden på den skjærede sonen av metall. Hvis strømmen som er brukt, ligger like over terskelen, vil det ta lang tid før den ønskede temperaturen nås, og den varme-berørte sonen vil være bred. Den viktigste variabelen er enhetstrykket påført under rotasjon, og de anbefalte verdiene for noen av metallene er gitt i tabell 13.1.
Glidende hastighet varierer fra null i midten av arbeidsstykket til et maksimum ved den perifere flaten, og radiusen ved ⅔rd diameteren av arbeidsstykket brukes til beregningene. Lengre oppvarmingstider resulterer i mer materiale for smiing og for optimal resultat bør det være tilstrekkelig oppvarmet materiale tilgjengelig for smiing når rotasjonen stoppes. Overdreven innledende trykk resulterer i overdreven klemming av oppvarmet metall, og etterlater bare relativt kaldt metall å bli smidd når smørepresset påføres.
Prosessegenskaper ved friksjonssveising:
Ett av de to arbeidsstykkene roteres med konstant hastighet gjennom hele operasjonen, bortsett fra når bremsene påføres i sluttfasen. prosessen er derfor ofte referert til som kontinuerlig drivfriksveising.
Arbeidsstykkene gni sammen under trykk for en forhåndsbestemt oppvarmingstid eller til en forhåndsinnstilt aksialforkorting finner sted. Stasjonen blir deretter koblet fra og arbeidsrotasjonen stoppet ved å bruke bremser. Det aksiale trykket opprettholdes eller økes, slik at metallet smelter til sveisen avkjøles. Fig. 13.5 viser hvordan prosessparametrene endres under sveising når kraften på slutten økes for å smi sammen. Sveiser i mildt stål kan fremstilles ved å opprettholde trykket konstant.
Med reduksjonen i hastigheten øker tykkelsen på det meget varme plastiserte båndet og dreiemomentet faller til null når rotasjonen stopper.
Limningsmekanisme i friksjons sveising av forskjellige metaller er mer kompleks. På grunn av mekanisk blanding og diffusjon kan noen legering muligens forekomme i et svært smalt band ved grensesnittet. Egenskapene til dette smalbåndet kan ha stor innflytelse på den samlede fellesytelsen. Mekanisk blanding og sammenkobling kan også bidra til liming. På grunn av disse kompleksitetene er prediksjon av sveisbarhet av forskjellige metaller svært vanskelig, og det må etableres for en bestemt applikasjon av en serie tester designet spesielt for formålet.
Maskiner og utstyr som kreves for friksjonssveising:
Hovedkomponentene i en friksjons sveisemaskin, som vist i figur 13.6.
Inkludere:
1. Drevet hode,
2. Klemmearrangementer,
3. Roterende og opprørende mekanismer,
4. Kontroller,
5. Bremsemekanisme.
Et av arbeidsstykkene som skal sveises holdes fast i selvcentrerende hode og den andre holdes i en sentreringschuck som er montert på en roterbar spindel som drives av en motor vanligvis gjennom en variabel hastighetsdrev.
Roterende chuck må være godt balansert, ha høy styrke og gi god gripekraft. Collet chucks oppfyller disse kravene godt og brukes derfor hyppigst.
Gripemekanismen til kupene må være stiv og motstå den påførte trykk. Serrerte gripekjær anbefales for maksimal klemmerbarhet.
Forsøk på å bruke dreiebenk for friksjonssveising var ikke særlig vellykket fordi det manglet stivhet i strukturen og effektiv griping. En dreiebenk er ikke konstruert for utholdenhetsbehov for friksjonssveising, og det er heller ikke utstyrt med rask utkobling av prosessen. For å bremseproblemet er det også nødvendig med lavt tröghetsmoment i de roterende delene.
Friksjons sveiseapparater kreves for å kontrollere nøyaktig tre variabler, for eksempel aksialt trykk, rotasjonshastighet og grad av opprør. Vanlig karbon og lav legeringsstål krever et smeltepress på 15 - 30 N / mm 2, mens wolframstål krever trykk i området 225 - 400 N / mm 2 . Disse sistnevnte verdiene er sammenlignbare med trykket som brukes i flammeslagsveising. Når trykkfrekvensen ved et hydraulisk system er funnet å være lavt, erstattes det av et pneumatisk system.
Varigheten av sveising på en diameter på 25 mm bør være fra 5 til 7 sekunder. Dette kan oppnås med en overflatehastighet på 75 - 600 m / min som tilsvarer ca. 1000 rpm. Høyere hastigheter kan gi bedre slagstyrke og er derfor ønskelige for hule seksjoner og høye varmestyringslegeringer.
Kontroll av sveiseoperasjonen kan være etter tid eller omfanget av opprør. Sistnevnte metode brukes av grensebrytere arrangert for å øke trykket for å forårsake opprør etter at en viss forkortelse har skjedd. Lang tid har en tendens til å tillate varmen å spre seg tilbake til områder bak grensesnittet og derfor føre til store oppstramninger som er kostbare å fjerne etter at operasjonen er over. Nøyaktigheten av opprøringen forventes å ligge innenfor 0, 1 mm.
Kontroller etter tidssekvenser er funnet tilfredsstillende for tilfeller der konstant overflateforhold ikke kan sikres, og sveiser har sekundær betydning. Når tidsstyring brukes, foretrekkes høye rotasjonshastigheter.
Hastigheten for mildt stål velges på grunnlag av lagerdiameter og er gitt ved uttrykket:
Nd = (1, 2 til 6, 0) 10 4 ....... (13, 4)
hvor n er omdreiningstallet og d er akseldiameteren i mm.
De mindre verdiene til konstanten refererer til sveising med høye inngangsverdier, og i slike tilfeller bør øvre grense for lavkarbonstål være 2, 5 x 10 4 .
En typisk del av en friksjonsveis, mellom faste stenger, med opprør er vist i figur 13.7. Maksimal grad av opprør er betegnet som den tilsynelatende upset mens den største sveisede diameteren bestemmer omfanget av Real Upset.
Med henvisning til figurene ovenfor kan disse verdiene uttrykkes av følgende forhold:
Hurtig bremsing er gitt for å stoppe rotasjonen raskt ved slutten av spesifisert oppvarmingstid eller etter en konstruert mengde aksial forkortelse av sveisningen. Dette gir ønsket kontroll av total sveiselengde og bredder det akseptable området sveisevariabler for kritiske applikasjoner. Med små diametre, hvor hastigheten er høy, kreves meget rask bremsing, og dette kan oppnås ved elektriske koblinger, motorbremsing eller friksjonsbremsing. Det kan også innrettes for å frigjøre det opprinnelig stasjonære prøven mot slutten av varmesyklusen.
Det er i hovedsak to typer maskiner:
(i) Lavenergimaskiner med effektverdier i størrelsesorden 12 W / mm 2 og
(ii) High power maskiner med 35 til 115 W / mm 2 av materialet sveiset.
Hvis det er tilstrekkelig trykk tilgjengelig, er det mulig å øke kapasiteten til en maskin ved hjelp av en befellingsteknikk, som vist i figur 13.8.
Problem:
Finn kraften til en maskin til friksjons sveising av et høyt strekkstål (0, 2% C, 1% Cr, 0, 4% Ni) med en smeltetemperatur på 900 ° C og en styrke ved den temperaturen på 125 N / mm2. Med en rotasjonshastighet på 3000 omdr./min. Er det mulig å oppnå en opprørt samling på 2, 8 mm i 10 mm diameter. Anta at friksjonskoeffisienten, μ = 1, og den som er under kontinuerlig forskyvning, er skjærstyrken til materialet lik kompresjonsstyrken, og at dreiemomentet virker ved tredjedel av arbeidsstykkets radius.
Løsning:
Variabler av friksjonssveising :
Tre hovedvariabler i kontinuerlig drivfriksveising er:
(i) Rotasjonshastighet,
(ii) aksialt trykk, og
(iii) Oppvarmingstid.
(i) Rotasjonshastighet:
Rotasjonshastighet gir den nødvendige relative hastigheten på fayingflatene. Størrelsen avhenger av at metallet sveises, og for stål bør tangenshastigheten for både arbeidsstykker i fast og rørformet område være i området 75-110 m / min. Tangentielle s ds lavere enn 75 min resulterer i for høyt dreiemoment med følgespennproblemer, ujevn oppsetting og riving av metall ved skjøten. Friksjons sveise maskiner til produksjon formål, håndtering 50 til 100 mm diameter arbeidsstykker, vanligvis opererer med hastigheter varierer mellom 90 og 200 m / min.
Høye rotasjonshastigheter er nyttige for sveising, men aksialtrykk og oppvarmingstid må kontrolleres nøye for å unngå overoppheting av sveisesonen, spesielt for sveising av sveising av hardtablert stål for å kontrollere kjølehastighet og mulig sprekkdannelse.
I forskjellige metallsvetser kan lave rotasjonshastigheter minimere dannelsen av sprø intermetalliske forbindelser; men generelt for å kontrollere sveisekvaliteten anses rotasjonshastigheten ikke som en kritisk parameter.
(ii) aksialt trykk:
Det påførte aksialt trykk styrer temperaturgradienten i sveisesonen, kraften som kreves for maskinen, og den aksiale forkortningen av arbeidsstykket. Det spesifikke trykket avhenger av at metallet sveises og felleskonfigurasjonen. Det kan brukes til å kompensere for varmetap til en stor kropp som i tilfelle rør-til-rørplate sveiser.
Anvendt trykk må være høyt nok under oppvarmingsfasen, slik at fayingflatene holdes i nær kontakt for å unngå oksidasjon. Felles egenskaper kan ofte forbedres dersom det påtrykte trykket økes ved slutten av varmefasen.
For å lage lydsveis i mild stål brukes vanntemperaturen vanligvis mellom 30 og 60 N / mm 2, mens smidetrykket kan ligge i området 75 til 150 N / mm 2, og de vanlige verdiene er 55 til 135 N / mm 2 . Imidlertid kreves høyere smiingstrykk for høye varmestøtslegeringer som rustfritt stål og nikkelbaserte legeringer. Hvis en forvarmingseffekt er nødvendig enn det aksiale trykket på 20 N / mm 2 påføres i utgangspunktet i en kort periode som deretter heves til det normale oppvarmingstrykket.
(iii) Oppvarmingstid:
Oppvarmingstiden styres avhengig av om en fast forhåndsinnstilt tid er tillatt for helbredelse eller omfanget av den aksiale opprøret skal være innenfor de angitte grensene.
Overdriven tid begrenser produktiviteten og resulterer i spild av materiale; mens utilstrekkelig tid kan føre til ujevn oppvarming, så vel som innesluttet oksid og ubundne områder ved grensesnittet. Varigheten av sveising for en diameter på 25 mm, bør være fra 5 til 7 sekunder ved en rotasjonshastighet på 1000 rpm.
Sveisegenskaper for friksjonssveising:
En av de attraktive egenskapene ved friksjonssveising er sveisens metallurgiske kvalitet; Varmegenerasjonens hurtighet gir en nesten ubetydelig varmepåvirket sone. På grunn av god temperaturkontroll og da plastmetallet blir utsatt for varm arbeid i oppvarmingsfasen og for kaldt arbeid under smi-fasen, resulterer dette i en sveise med ekstremt fin kornstruktur.
Metallurgisk undersøkelse viser ingen tegn på smelting da de målte temperaturene for stål vanligvis ligger i området fra 1260 til 1330 ° C. Snabb sveisesveising fører imidlertid til høye kjølehastigheter som resulterer i høyere hardhet av sveisesone. Friksjons sveiser i hardt aktiverte stål må derfor oftest bli annealed etter sveising.
Mange ganger er friksjonssveising ansatt for å bli med i forskjellige metaller med sikte på å økonomere ved bruk av dyre legeringsstål og høytemperaturlegeringer. Det har vist seg at 18/8 (Cr / Ni) rustfritt stål faktisk er herdet fra 200 til 250 VHN på rustfritt stål siden på grunn av diffusjon av karbon i den.
I sveising mellom 18/8 rustfritt stål og 20% Cr-Mo stål, økes hardheten til Cr-Mo stål fra 175 til 405 VHN, men det kan reduseres til 250 VHN ved annealing. Den økte hardheten i rustfritt stål forblir imidlertid upåvirket av annealing.
Tilfredsstillende sveiser mellom aluminium og rustfritt stål kan produseres uten dannelse av sprøtt intermetallisk sammensatt lag. Sveiser mellom aluminium og mildt stål og aluminium og kobber kan imidlertid resultere i dannelse av intermetalliske forbindelser ved grensesnittet som kan reduseres i sistnevnte tilfelle ved å øke smedepresset til ca. 200 N / mm2.
Felles design for friksjonssveising:
Grunnleggende felles design for friksjonssveising er det samme som for flammesveising, dvs. så langt som mulig som områder skal sveises som vist på figur 13.9. Sværhetsgraden ved sveising av to ulige seksjoner oppstår på grunn av forskjellige varmesynker på hver side av leddet, noe som resulterer i ujevn oppvarming og oppretting. I tilfelle av en skjøt mellom en stang og en plate av samme materiale, bør platetykkelsen være en fjerdedel av stangdiameteren.
Fig. 13.9 Typiske leddkonstruksjoner og noen industrielle applikasjoner friksjonssveising.
Det er ikke mulig å støte to kvadratiske stenger av samme seksjon til hverandre, da det resulterer i eksponering for varmt metall og tilhørende oksidasjon; men en stor sekskantet stang kan sveises til en mindre sirkulær stang, da det ikke er eksponering av varmt metall i et slikt tilfelle.
For vellykket friksjonssveising, må arbeidsemnerens ytre diameter ikke overskride den andre med mer enn 1, 33 ganger. Lengden som rager ut fra chucken skal være 20-25 mm. Klemmen på komponenten skal ikke være mindre enn sveisediameteren.
Når regningen eller rørene sveises til plater, kommer det meste av materialet som danner blitsen fra stangen eller smøren; Dette skyldes at det er mindre masse i den mindre delen og derfor trenger varmen inn i den.
For koniske ledd er ansiktene skråstilt slik at de har en vinkel på 45 ° til 60 ° til rotasjonsaksen, og større vinkler er foretrukket for metaller med lav styrke for å understøtte den aksiale kraften som er nødvendig for å produsere tilstrekkelig oppvarmingstrykk.
Sveising av forskjellige metaller kan lindres ved å sikre at begge deler deformeres på samme måte. Lignende grad av deformasjon kan tilrettelegges ved forvarming av den vanskeligere komponenten ved friksjonsoppvarming mot en hjelpeplate som fjernes ved et passende tidspunkt. Gassbrennere eller høyfrekvent induksjonsoppvarming kan også benyttes for formålet. Enda en annen metode er å bruke en krage eller en holder med en innvendig fasong som er plassert rundt den myke stasjonære komponenten for å inneholde og lede den mot det vanskeligere materialet som vist i figur 13.10.
Friksjons sveising av forskjellige metaller med vidt forskjellige mekaniske eller termiske egenskaper kan lettes ved å ha større overflateareal for metaller med lavere styrke eller lavere termisk ledningsevne. Når blits ikke kan fjernes, kan det hende at klaring kan leveres i en eller begge deler.
Anvendelser av friksjonssveising:
Friksjonssveising brukes ofte i stedet for blits eller opprørt sveising for applikasjoner der en av komponentene som skal føyes, har aksial symmetri. Sammenlignet med lynsvetsfriksjon sveising har fordelen av renslighet og balansert stabil belastning på strømnettet; Det kan også installeres sammen med andre maskinverktøy og kan enkelt automatiseres for høyhastighetsproduksjon.
Nesten ethvert metall som kan bli smurt og ikke er egnet for tørrbearbeiding kan være sveiset sveiset. men noen metaller kan kreve varmebehandling etter sveising for å fjerne effekten av slukherding ved sveisegrensesnittet. Frie bearbeiding legeringer er vanskelige å friksjon sveise som de ofte resulterer i sveiser med svakhet i svette sone på grunn av re-distribusjon av inneslutninger. Slike sveiser utviser ofte lavere verdier av styrke, duktilitet og hakkhøyhet.
Friksjons sveising kan brukes til å sveise fast materiale fra 5 mm til 100 mm diameter eller tilsvarende områder i rør og rør. På grunn av solid-state sammenføyning av friksjons sveiser har høy kvalitet ytelse både i like og forskjellige kombinasjoner.
Kullstål opptil 1, 1% C kan lett sveises med unntak av fritt kutting. Ni-Cr stål opptil 18% Ni og 8% Cr og forskjellige stål kan lett sveises; Utvalget kan omfatte sveising av 18/8 rustfritt stål til 2 1 / 4 % Cr-Mo stål.
Sveising av stål, på grunn av den lave ledningsevnen og det større plastområdet, er relativt mye enklere enn sveising av ikke-jernholdige metaller og deres kombinasjoner.
Den største enkeltbrukeren av friksjonssveising er bilindustrien for volumproduksjon av komponenter som fremstilling av akselhylster for biler og tunge kjøretøyer. Fugen produsert er vist i figur 13.11. En annen viktig bruk er produksjon av vridningsborer hvor wolframs høyhastighetsstålender er sveiset til karbonstålskinner.
En av de viktige bruksområdene til friksjonssveising er sveising av pinner til plater av hvilken som helst tykkelse; En annen applikasjon av prosessen er produksjon av marine motorventiler, ventiler som er så produsert er så gode som eller overlegen til de som produseres ved smiing. Pumpehjul for turboladeren til en dieselmotor kan fremstilles ved friksjonssveising av en karbonstålaksel til et investeringstøpt varmebestandig austenitisk stål.
Sluttforsegling av rør, som vist i figur 13.12, kan også oppnås ved friksjonssveising. Tilsvarende sveisede kombinasjoner kan omfatte sammenføyning av rustfritt stål til zirkonium. Fig. 13.13 viser kantforberedelsen for sammenføyning av rustfritt stålrør til en zirkoniumstang. For vellykket tilslutning av ulike metallkombinasjoner er det viktig å bruke høye rotasjonshastigheter (mer enn 3200 omdr./min.) For å redusere tykkelsen til den intermetalliske sonen til et minimum.
