Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem

Zbliżenie narzędzia do sczepiania spoiny tarciowej z przemieszaniem.

Przegroda i stożek dziobowy statku kosmicznego Orion są połączone za pomocą zgrzewania tarciowego z mieszaniem.

Wspólne projekty

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem ( FSW ) to proces łączenia w stanie stałym, w którym do łączenia dwóch naprzeciwległych przedmiotów obrabianych wykorzystuje się narzędzie, które nie podlega zużyciu, bez topienia materiału przedmiotu obrabianego. Ciepło jest wytwarzane przez tarcie między obracającym się narzędziem a materiałem przedmiotu obrabianego, co prowadzi do zmiękczenia obszaru w pobliżu narzędzia FSW. Gdy narzędzie jest przesuwane wzdłuż linii złącza, mechanicznie miesza dwa kawałki metalu i wykuwa gorący i zmiękczony metal pod wpływem mechanicznego nacisku, który jest wywierany przez narzędzie, podobnie jak łączenie gliny lub ciasta. Stosowany jest głównie do kutego lub wyciskanego aluminium a zwłaszcza do konstrukcji, które wymagają bardzo dużej wytrzymałości spoiny. FSW może łączyć stopy aluminium, stopy miedzi, stopy tytanu, stal miękką, stal nierdzewną i stopy magnezu. Ostatnio z powodzeniem stosowano go do spawania polimerów. Ponadto firma FSW niedawno osiągnęła łączenie różnych metali, takich jak stopy aluminium ze stopami magnezu. Zastosowanie FSW można znaleźć w nowoczesnym przemyśle stoczniowym, pociągach i zastosowaniach lotniczych.

Został wynaleziony i przetestowany eksperymentalnie w The Welding Institute (TWI) w Wielkiej Brytanii w grudniu 1991 roku. TWI posiadało patenty na ten proces, z których pierwszy był najbardziej opisowy.

Zasada działania

Dwa dyskretne metalowe elementy obrabiane stykające się ze sobą wraz z narzędziem (z sondą)

Przebieg narzędzia przez złącze, pokazujący również strefę spoiny i obszar dotknięty występem narzędzia

FSW wykonuje się obracającym się cylindrycznym narzędziem, które posiada wyprofilowany trzpień (zwany także sondą) o średnicy mniejszej niż średnica kołnierza. Podczas spawania narzędzie jest wprowadzane w złącze doczołowe między dwoma zaciśniętymi przedmiotami, aż sonda wbije się w przedmiot i ramię dotknie powierzchni przedmiotów. Sonda jest nieco krótsza niż wymagana głębokość spoiny, a ramię narzędzia przesuwa się po powierzchni roboczej. Po krótkim czasie przestoju narzędzie jest przesuwane do przodu wzdłuż linii łączenia z zadaną prędkością spawania.

Pomiędzy odpornym na zużycie narzędziem a obrabianym przedmiotem wytwarza się ciepło tarcia . Ciepło to, wraz z ciepłem generowanym przez proces mieszania mechanicznego i ciepło adiabatyczne w materiale, powoduje mięknięcie mieszanych materiałów bez topienia . Gdy narzędzie jest przesuwane do przodu, specjalny profil na sondzie przepycha plastyfikowany materiał od czoła do tyłu, gdzie duże siły wspomagają konsolidację kutą spoiny.

odkształcenie w stanie stałym, obejmujące dynamiczną rekrystalizację materiału podstawowego.

Cechy mikrostrukturalne

Półprzewodnikowy charakter procesu FSW w połączeniu z jego nietypowym kształtem narzędzia i asymetrycznym profilem prędkości daje bardzo charakterystyczną mikrostrukturę . Mikrostrukturę można podzielić na następujące strefy:

Strefa mieszania (znana również jako strefa rekrystalizacji dynamicznej) to obszar silnie zdeformowanego materiału, który z grubsza odpowiada położeniu kołka podczas spawania. Ziarna wielkości mniejsze niż ziarna w materiale macierzystym. Unikalną cechą strefy mieszania jest powszechne występowanie kilku koncentrycznych kręgów, które określa się jako strukturę „cebuli”. Dokładne pochodzenie tych pierścieni nie zostało dokładnie ustalone, chociaż sugerowano różnice w gęstości liczby cząstek, wielkości ziarna i teksturze.
Strefa ramienia przepływowego znajduje się na górnej powierzchni spoiny i składa się z materiału, który jest przeciągany przez ramię z cofającej się strony spoiny wokół tylnej części narzędzia i osadzany na postępowej stronie. ^{[ potrzebne źródło ]}
Strefa oddziaływania termomechanicznego (TMAZ) występuje po obu stronach strefy mieszania. W tym obszarze odkształcenie i temperatura są niższe, a wpływ spawania na mikrostrukturę jest odpowiednio mniejszy. W przeciwieństwie do strefy mieszania, mikrostruktura jest rozpoznawalna dla materiału macierzystego, aczkolwiek znacznie zdeformowana i obrócona. Chociaż termin TMAZ technicznie odnosi się do całego zdeformowanego obszaru, jest często używany do opisania dowolnego obszaru, który nie jest jeszcze objęty terminami strefa mieszania i ramię przepływu. ^{[ potrzebne źródło ]}
Strefa wpływu ciepła (HAZ) jest wspólna dla wszystkich procesów spawania. Jak wskazuje nazwa, obszar ten podlega cyklowi termicznemu, ale nie ulega deformacji podczas spawania. Temperatury są niższe niż w TMAZ, ale nadal mogą mieć znaczący wpływ, jeśli mikrostruktura jest niestabilna termicznie. W rzeczywistości w utwardzanych wydzieleniowo stopach aluminium ten obszar zwykle wykazuje najsłabsze właściwości mechaniczne.

Zalety i ograniczenia

Stały charakter FSW ma kilka zalet w porównaniu z metodami spawania, ponieważ unika się problemów związanych z chłodzeniem z fazy ciekłej. Problemy takie jak porowatość , redystrybucja substancji rozpuszczonej , pękanie zestalające i pękanie liquacyjne nie pojawiają się podczas FSW. Ogólnie stwierdzono, że FSW powoduje niską koncentrację defektów i jest bardzo tolerancyjny na zmiany parametrów i materiałów.

Niemniej jednak FSW wiąże się z szeregiem unikalnych defektów, jeśli nie jest wykonane prawidłowo. Niewystarczające temperatury spoiny, na przykład z powodu niskich prędkości obrotowych lub dużych prędkości przesuwu, oznaczają, że materiał spoiny nie jest w stanie dostosować się do znacznych odkształceń podczas spawania. Może to skutkować długimi, przypominającymi tunele defektami biegnącymi wzdłuż spoiny, które mogą wystąpić na powierzchni lub pod powierzchnią. Niskie temperatury mogą również ograniczać działanie kuźnicze narzędzia, a tym samym zmniejszać ciągłość wiązania między materiałem z każdej strony spoiny. Lekki kontakt między materiałem dał początek nazwie „pocałunek wiązania”. Ta wada jest szczególnie niepokojąca, ponieważ jest bardzo trudna do wykrycia metodami nieniszczącymi, takimi jak np rentgenowskie lub ultradźwiękowe . Jeśli kołek nie jest wystarczająco długi lub narzędzie wystaje z płyty, interfejs na dole spoiny może nie zostać przerwany i wykuty przez narzędzie, co spowoduje wadę polegającą na braku penetracji. Zasadniczo jest to karb w materiale, który może być potencjalnym źródłem pęknięć zmęczeniowych .

Zidentyfikowano szereg potencjalnych zalet FSW w porównaniu z konwencjonalnymi procesami spawania:

Dobre właściwości mechaniczne w stanie po spawaniu.
Zwiększone bezpieczeństwo ze względu na brak toksycznych oparów lub rozprysków stopionego materiału.
Brak materiałów eksploatacyjnych — Gwintowany trzpień wykonany z konwencjonalnej stali narzędziowej , np. hartowanej H13, może spawać ponad 1 km (0,62 mil) aluminium, a do aluminium nie jest wymagana żadna szpachla ani osłona gazowa.
Łatwa automatyzacja na prostych frezarkach — niższe koszty konfiguracji i mniej szkoleń.
Może pracować we wszystkich pozycjach (poziomo, pionowo itp.), ponieważ nie ma jeziorka spawalniczego.
Ogólnie dobry wygląd spoiny i minimalne niedopasowanie/nadmierne dopasowanie grubości, co zmniejsza potrzebę kosztownej obróbki po spawaniu.
Można używać cieńszych materiałów o tej samej wytrzymałości złącza.
Niski wpływ na środowisko.
Ogólne korzyści w zakresie wydajności i kosztów wynikające z przejścia z fuzji na tarcie.

Zidentyfikowano jednak pewne wady tego procesu:

Otwór wyjściowy w lewo, gdy narzędzie jest wycofane.
Wymagane są duże siły docisku przy mocnym zaciskaniu niezbędnym do utrzymania płyt razem.
Mniej elastyczne niż procesy ręczne i łukowe (trudności związane ze zmianami grubości i nieliniowymi spoinami).
Często wolniejsza prędkość posuwu niż w przypadku niektórych technik spawania, chociaż można to zrekompensować, jeśli wymagana jest mniejsza liczba przejść spawalniczych.

Ważne parametry spawania

Projektowanie narzędzi

Zaawansowane narzędzia do zgrzewania tarciowego z mieszaniem i obróbki firmy MegaStir pokazane do góry nogami

Konstrukcja narzędzia jest czynnikiem krytycznym, ponieważ dobre narzędzie może poprawić zarówno jakość spoiny, jak i maksymalną możliwą prędkość spawania.

Pożądane jest, aby materiał narzędzia był wystarczająco mocny, ciągliwy i odporny na ścieranie w temperaturze zgrzewania. Ponadto powinien mieć dobrą odporność na utlenianie i niską przewodność cieplną , aby zminimalizować straty ciepła i uszkodzenia termiczne maszyn znajdujących się dalej w układzie napędowym. Stal narzędziowa do obróbki na gorąco, taka jak AISI H13, okazała się doskonale odpowiednia do spawania stopów aluminium w zakresie grubości 0,5–50 mm, ale bardziej zaawansowane materiały narzędziowe są niezbędne do bardziej wymagających zastosowań, takich jak wysoce ścierne kompozyty z osnową metaliczną lub materiały o wyższej temperaturze topnienia jak stal czy tytan.

Udowodniono, że ulepszenia konstrukcji narzędzi powodują znaczną poprawę wydajności i jakości. TWI opracowało narzędzia zaprojektowane specjalnie w celu zwiększenia głębokości wtopienia, a tym samym zwiększenia grubości blach, które można z powodzeniem spawać. Przykładem jest konstrukcja „okółka”, w której zastosowano stożkowy kołek z cechami ponownego wejścia lub gwint o zmiennym skoku, aby poprawić przepływ materiału w dół. Dodatkowe projekty obejmują serie Triflute i Trivex. Konstrukcja Triflute ma złożony system trzech zwężających się, gwintowanych rowków zwrotnych, które wydają się zwiększać ruch materiału wokół narzędzia. Narzędzia Trivex wykorzystują prostszy, niecylindryczny kołek i stwierdzono, że zmniejszają siły działające na narzędzie podczas spawania.

Większość narzędzi ma wklęsły profil ramienia, który działa jak objętość ucieczki dla materiału przemieszczanego przez kołek, zapobiega wysuwaniu się materiału z boków ramienia i utrzymuje nacisk skierowany w dół, a tym samym dobre kucie materiału za narzędziem. Narzędzie Triflute wykorzystuje alternatywny system z szeregiem koncentrycznych rowków wykonanych w powierzchni, które mają na celu wywołanie dodatkowego ruchu materiału w górnych warstwach spoiny.

Powszechne komercyjne zastosowania procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem stali i innych twardych stopów, takich jak stopy tytanu , będą wymagały opracowania opłacalnych i trwałych narzędzi. Wybór materiału, projekt i koszt są ważnymi czynnikami podczas poszukiwania narzędzi przydatnych komercyjnie do spawania twardych materiałów. Trwają prace nad lepszym zrozumieniem wpływu składu, struktury, właściwości i geometrii materiału narzędziowego na ich wydajność, trwałość i koszt.

Prędkości obrotu i przesuwu narzędzia

Podczas spawania tarciowego z przemieszaniem należy wziąć pod uwagę dwie prędkości narzędzia; jak szybko narzędzie się obraca i jak szybko porusza się wzdłuż interfejsu. Te dwa parametry mają duże znaczenie i należy je wybierać ostrożnie, aby zapewnić pomyślny i wydajny cykl spawania. Zależność między prędkością obrotową, prędkością spawania i wprowadzanym ciepłem podczas spawania jest złożona, ale ogólnie można powiedzieć, że zwiększenie prędkości obrotowej lub zmniejszenie prędkości przesuwu spoiny spowoduje gorętszą spoinę. W celu wykonania udanej spoiny konieczne jest, aby materiał otaczający narzędzie był wystarczająco gorący, aby umożliwić wymagane rozległe płynięcie plastyczne i zminimalizować siły działające na narzędzie. Jeśli materiał jest zbyt zimny, w strefie mieszania mogą pojawić się puste przestrzenie lub inne skazy, aw skrajnych przypadkach narzędzie może się złamać.

Z drugiej strony zbyt duża ilość wprowadzonego ciepła może niekorzystnie wpłynąć na końcowe właściwości spoiny. Teoretycznie może to nawet skutkować defektami w wyniku likwiacji faz o niskiej temperaturze topnienia (podobnie jak pękanie liquation w spoinach). Te konkurencyjne wymagania prowadzą do koncepcji „okna przetwarzania”: zakresu parametrów przetwarzania, a mianowicie. obroty narzędzia i prędkość posuwu, które zapewnią spoinę dobrej jakości. W tym przedziale czasowym otrzymana spoina będzie charakteryzowała się wystarczająco dużym doprowadzeniem ciepła, aby zapewnić odpowiednią plastyczność materiału, ale nie na tyle dużym, aby właściwości spoiny uległy nadmiernemu pogorszeniu.

Pochylenie narzędzia i głębokość zagłębienia

Rysunek przedstawiający głębokość zanurzenia i nachylenie narzędzia. Narzędzie porusza się w lewo.

Głębokość zanurzenia jest zdefiniowana jako głębokość najniższego punktu występu poniżej powierzchni spawanej płyty i została uznana za parametr krytyczny dla zapewnienia jakości spoiny. Zagłębienie ramienia pod powierzchnię płyty zwiększa nacisk pod narzędziem i pomaga zapewnić odpowiednie kucie materiału z tyłu narzędzia. Stwierdzono, że przechylenie narzędzia o 2–4 stopnie, tak aby tył narzędzia znajdował się niżej niż przód, wspomaga ten proces kucia. Głębokość zanurzenia musi być prawidłowo ustawiona, zarówno w celu zapewnienia wymaganego docisku w dół, jak i pełnego zagłębienia się narzędzia w spoinie. Biorąc pod uwagę wymagane wysokie obciążenia, spawarka może się odchylić, a tym samym zmniejszyć głębokość wtapiania w porównaniu z ustawieniem nominalnym, co może skutkować wadami spoiny. Z drugiej strony nadmierna głębokość zanurzenia może skutkować ocieraniem się trzpienia o powierzchnię płyty oporowej lub znacznym niedopasowaniem grubości spoiny w stosunku do materiału rodzimego. Spawarki o zmiennym obciążeniu zostały opracowane w celu automatycznej kompensacji zmian w przesunięciu narzędzia, podczas gdy firma TWI zademonstrowała system rolek, który utrzymuje pozycję narzędzia nad płytą spawaną.

Siły spawania

Podczas spawania na narzędzie będzie działać szereg sił:

Siła skierowana w dół jest niezbędna do utrzymania pozycji narzędzia na lub pod powierzchnią materiału. Niektóre zgrzewarki tarciowo-przemieszane działają z kontrolą obciążenia, ale w wielu przypadkach pionowe położenie narzędzia jest ustawione, więc obciążenie będzie się zmieniać podczas spawania.
Siła poprzeczna działa równolegle do ruchu narzędzia i jest dodatnia w kierunku poprzecznym. Ponieważ siła ta powstaje w wyniku oporu materiału stawianego ruchowi narzędzia, można oczekiwać, że siła ta będzie malała wraz ze wzrostem temperatury materiału wokół narzędzia.
Siła poprzeczna może działać prostopadle do kierunku ruchu narzędzia i jest tu zdefiniowana jako dodatnia w kierunku postępującej strony spoiny.
Do obracania narzędzia wymagany jest moment obrotowy, którego wielkość będzie zależała od siły docisku i współczynnika tarcia (tarcie ślizgowe) i/lub natężenia przepływu materiału w otaczającym obszarze ( tarcie ).

Aby zapobiec pękaniu narzędzia i zminimalizować nadmierne zużycie narzędzia i związanych z nim maszyn, cykl spawania jest modyfikowany w taki sposób, aby siły działające na narzędzie były jak najmniejsze i unikano gwałtownych zmian. Aby znaleźć najlepszą kombinację parametrów spawania, prawdopodobnie trzeba osiągnąć kompromis, ponieważ warunki sprzyjające małym siłom (np. duża ilość wprowadzanego ciepła, małe prędkości posuwu) mogą być niepożądane z punktu widzenia wydajności i spoiny. nieruchomości.

Przepływ materiału

Wczesne prace nad trybem przepływu materiału wokół narzędzia wykorzystywały wkładki z innego stopu, które miały inny kontrast niż normalny materiał oglądany przez mikroskop, w celu określenia, gdzie materiał był przesuwany, gdy narzędzie przechodziło. Dane zinterpretowano jako reprezentujące formę wytłaczania in situ , gdzie narzędzie, płyta oporowa i zimny materiał bazowy tworzą „komorę wytłaczania”, przez którą przetłaczany jest gorący, plastyfikowany materiał. W tym modelu obrót narzędzia powoduje niewielkie lub żadne zaciągnięcie materiału wokół przedniej części sondy; zamiast tego materiał znajduje się przed sworzniem i przechodzi w dół po obu stronach. Po przejściu materiału przez sondę, nacisk boczny wywierany przez „matrycę” zmusza materiał z powrotem do siebie i następuje konsolidacja połączenia, gdy tył ostrza narzędzia przechodzi nad głową, a duża siła docisku wykuwa materiał.

Niedawno wysunięto alternatywną teorię, która opowiada się za znacznym ruchem materiałów w niektórych lokalizacjach. Teoria ta utrzymuje, że jakiś materiał obraca się wokół sondy przez co najmniej jeden obrót i to właśnie ten ruch materiału tworzy strukturę „pierścienia cebuli” w strefie mieszania. Naukowcy zastosowali kombinację cienkich wkładek z paska miedzi i techniki „zamrożonej szpilki”, w której narzędzie jest szybko zatrzymywane w miejscu. Zasugerowali, że ruch materii zachodzi w wyniku dwóch procesów:

Materiał po postępującej stronie spoiny wchodzi w strefę, która obraca się i przesuwa wraz z profilowaną sondą. Materiał ten był bardzo zdeformowany i odpadał za sworzniem, tworząc elementy w kształcie łuku, patrząc z góry (tj. w dół osi narzędzia). Zauważono, że miedź dostała się w strefę rotacji wokół trzpienia, gdzie uległa rozbiciu na fragmenty. Fragmenty te znaleziono tylko w łukowatych elementach materiału za narzędziem.
Lżejszy materiał pochodził z wycofującej się strony przed kołkiem i był przeciągany do tyłu narzędzia i wypełniał szczeliny między łukami przesuwającego się materiału bocznego. Materiał ten nie obracał się wokół sworznia, a mniejszy stopień odkształcenia skutkował większym ziarnem.

Podstawową zaletą tego wyjaśnienia jest to, że dostarcza wiarygodnego wyjaśnienia wytwarzania struktury krążka cebuli.

Technika znaczników do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem dostarcza danych o początkowym i końcowym położeniu znacznika w spawanym materiale. Przepływ materiału jest następnie rekonstruowany z tych pozycji. Szczegółowe pole przepływu materiału podczas zgrzewania tarciowego z przemieszaniem można również obliczyć na podstawie rozważań teoretycznych opartych na podstawowych zasadach naukowych. Obliczenia przepływu materiałów są rutynowo wykorzystywane w wielu zastosowaniach inżynierskich. Obliczenia pól przepływu materiału w zgrzewaniu tarciowym z przemieszaniem można przeprowadzić zarówno za pomocą kompleksowych symulacji numerycznych, jak i prostych, ale wnikliwych równań analitycznych. Kompleksowe modele do obliczania pól przepływu materiału dostarczają również ważnych informacji, takich jak geometria strefy mieszania i moment obrotowy na narzędziu. Symulacje numeryczne wykazały zdolność do prawidłowego przewidywania wyników z eksperymentów ze znacznikami i geometrii strefy mieszania obserwowanej w eksperymentach zgrzewania tarciowego z mieszaniem.

Wytwarzanie i przepływ ciepła

Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku każdego procesu spawania pożądane jest zwiększenie prędkości posuwu i zminimalizowanie dopływu ciepła, ponieważ zwiększy to wydajność i prawdopodobnie zmniejszy wpływ spawania na właściwości mechaniczne spoiny. Jednocześnie należy zadbać o to, aby temperatura wokół narzędzia była wystarczająco wysoka, aby umożliwić odpowiedni przepływ materiału i zapobiec wadom lub uszkodzeniu narzędzia.

Gdy prędkość posuwu jest zwiększona, dla danego doprowadzenia ciepła, jest mniej czasu na przewodzenie ciepła przed narzędziem, a gradienty termiczne są większe. W pewnym momencie prędkość będzie tak wysoka, że materiał przed narzędziem będzie zbyt zimny, a naprężenie przepływu zbyt duże, aby umożliwić odpowiedni ruch materiału, co spowoduje wady lub pęknięcie narzędzia. Jeśli „gorąca strefa” jest zbyt duża, istnieje możliwość zwiększenia prędkości przesuwu, a tym samym wydajności.

Cykl spawania można podzielić na kilka etapów, podczas których przepływ ciepła i profil termiczny będą różne:

mieszkać . Materiał jest wstępnie podgrzewany przez nieruchome, obracające się narzędzie, aby osiągnąć wystarczającą temperaturę przed narzędziem, aby umożliwić ruch poprzeczny. Ten okres może również obejmować zanurzenie narzędzia w przedmiocie obrabianym.
Przejściowe ogrzewanie . Gdy narzędzie zacznie się poruszać, nastąpi przejściowy okres, w którym wytwarzanie ciepła i temperatura wokół narzędzia będą się zmieniać w złożony sposób, aż do osiągnięcia zasadniczo ustalonego stanu.
Pseudo stan stacjonarny . Chociaż będą występować fluktuacje w wytwarzaniu ciepła, pole termiczne wokół narzędzia pozostaje faktycznie stałe, przynajmniej w skali makroskopowej.
Po stanie ustalonym . Pod koniec spoiny ciepło może „odbijać się” od końca płyty, prowadząc do dodatkowego ogrzewania wokół narzędzia.

Wytwarzanie ciepła podczas spawania tarciowego z przemieszaniem wynika z dwóch głównych źródeł: tarcia na powierzchni narzędzia oraz deformacji materiału wokół narzędzia. Często przyjmuje się, że wytwarzanie ciepła występuje głównie pod występem, ze względu na jego większą powierzchnię, i jest równe mocy wymaganej do pokonania sił kontaktowych między narzędziem a przedmiotem obrabianym. Stan kontaktu pod barkiem można opisać za pomocą tarcia ślizgowego, stosując współczynnik tarcia μ i ciśnienie międzyfazowe P , lub tarcie przylegające, w oparciu o międzyfazową wytrzymałość na ścinanie w odpowiedniej temperaturze i szybkości odkształcania. Przybliżenia matematyczne całkowitego ciepła wytwarzanego przez ostrze narzędzia Q _total zostały opracowane przy użyciu modeli tarcia ślizgowego i przylegającego:

{\ Displaystyle Q _ {\ tekst {suma}} = {\ Frac {2} {3}} \ pi P \ mu \ omega \ lewo ( R_{\text{ramię}}^{3}-R_{\text{szpilka}}^{3}\right)}

(przesuwanie)

{\ Displaystyle Q _ {\ tekst {całkowity}} = {\ Frac {2} {3}} \ pi \ tau \ omega \ lewo (R _ {\ tekst {ramię}} ^ {3} -R_ {\ tekst {szpilka }}^{3}\right)}

(przyklejanie)

gdzie ω jest prędkością kątową narzędzia, _ramię R jest promieniem ostrza narzędzia, a _sworzeń R jest promieniem sworznia. Zaproponowano kilka innych równań, aby uwzględnić takie czynniki, jak szpilka, ale ogólne podejście pozostaje takie samo.

Główną trudnością w stosowaniu tych równań jest wyznaczenie odpowiednich wartości współczynnika tarcia lub międzyfazowego naprężenia ścinającego. Warunki panujące w narzędziu są zarówno ekstremalne, jak i bardzo trudne do zmierzenia. Do tej pory parametry te były używane jako „parametry dopasowania”, w których model opiera się na zmierzonych danych termicznych, aby uzyskać rozsądne symulowane pole termiczne. Chociaż to podejście jest przydatne do tworzenia modeli procesów w celu przewidywania na przykład naprężeń szczątkowych, jest mniej przydatne do zapewniania wglądu w sam proces.

Aplikacje

Proces FSW został początkowo opatentowany przez TWI w większości krajów uprzemysłowionych i licencjonowany dla ponad 183 użytkowników. Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem i jego odmiany – tarciowe zgrzewanie punktowe z przemieszaniem i obróbka tarciowa z przemieszaniem – są wykorzystywane w następujących zastosowaniach przemysłowych: przemysł stoczniowy i offshore, lotniczy, motoryzacyjny, tabor kolejowy, produkcja ogólna, robotyka i komputery.

Przemysł stoczniowy i offshore

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem zostało użyte do prefabrykacji aluminiowych paneli Super Liner Ogasawara w Mitsui Engineering and Shipbuilding

Dwie skandynawskie firmy zajmujące się wytłaczaniem aluminium jako pierwsze zastosowały komercyjnie FSW do produkcji paneli zamrażarek do ryb w firmie Sapa w 1996 r., a także paneli pokładowych i platform do lądowania helikopterów w firmie Marine Aluminium Aanensen. Marine Aluminium Aanensen następnie połączyło się z Hydro Aluminium Maritime, tworząc Hydro Marine Aluminium . Niektóre z tych paneli zamrażarek są obecnie produkowane przez Riftec i Bayards. W 1997 roku dwuwymiarowe spoiny tarciowe z przemieszaniem w hydrodynamicznie poszerzonej części dziobowej kadłuba statku oceanicznego The Boss zostały wyprodukowane w Research Foundation Institute z pierwszą przenośną maszyną FSW. Super Liner Ogasawara w Mitsui Engineering and Shipbuilding jest jak dotąd największym statkiem spawanym tarciowo. ^{[ potrzebne źródło ]} Sea Fighter firmy Nichols Bros i okręty bojowe Littoral Combat klasy Freedom zawierają prefabrykowane panele odpowiednio przez producentów FSW, Advanced Technology i Friction Stir Link, Inc. Łódź rakietowa klasy Houbei ma spawane tarciowo pojemniki do startu rakiet w China Friction Stir Centre. HMNZS Rotoiti w Nowej Zelandii posiada panele FSW wykonane przez firmę Donovans na przerobionej frezarce. Różne firmy stosują FSW do opancerzenia okrętów desantowych .

Lotnictwo

Wzdłużne i obwodowe spoiny tarciowe z mieszaniem są stosowane w zbiorniku wspomagającym rakietę Falcon 9 w fabryce SpaceX

United Launch Alliance stosuje FSW w Delta II , Delta IV , Atlas V i nowych jednorazowych pojazdach nośnych Vulcan wraz z ich kriogenicznymi górnymi stopniami , a pierwszy z nich z modułem międzystopniowym zgrzewanym tarciowo z mieszaniem został uruchomiony w 1999 r. Proces został używany również w zewnętrznym zbiorniku promu kosmicznego , w Ares I do anulowania projektu w 2012 r., w rdzeniu SLS , który zastąpił Ares, oraz w pojeździe Orion Crew Vehicle artykuł testowy i obecny model Oriona w NASA , a także rakiety Falcon 1 i Falcon 9 w SpaceX . Gwoździe do rampy Boeing C-17 Globemaster III firmy Advanced Joining Technologies oraz belki barier ładunkowych dla Boeinga 747 Large Cargo Freighter były pierwszymi produkowanymi komercyjnie częściami samolotów. Zatwierdzone przez FAA skrzydła i panele kadłuba samolotu Eclipse 500 zostały wykonane w Eclipse Aviation , a ta firma dostarczyła 259 odrzutowców biznesowych spawanych tarciowo, zanim została zmuszona do likwidacji na podstawie rozdziału 7. Panele podłogowe do Airbus A400M są teraz produkowane przez Pfalz Flugzeugwerke , a Embraer używał FSW do samolotów Legacy 450 i 500. Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem jest również stosowane do paneli kadłuba samolotu Airbus A380 . BRÖTJE-Automation stosuje zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem w maszynach bramowych opracowanych dla sektora lotniczego, a także innych zastosowań przemysłowych.

Automobilowy

Tunel środkowy Forda GT jest wykonany z dwóch profili aluminiowych zespawanych tarciowo z mieszaniem z wygiętą blachą aluminiową i zawiera zbiornik paliwa

Aluminiowe kołyski silnika i rozpórki zawieszenia dla rozciągniętych samochodów Lincoln Town Cars były pierwszymi częściami samochodowymi, które były zgrzewane tarciowo z przemieszaniem w firmie Tower Automotive , która wykorzystuje ten proces również do tunelu silnika Forda GT . Podział tej firmy nazywa się Friction Stir Link, Inc. i z powodzeniem wykorzystuje proces FSW, np. w naczepie z platformą „Revolution” firmy Fontaine Trailers. W Japonii FSW jest stosowany do rozpórek zawieszenia w Showa Denko oraz do łączenia blach aluminiowych z ocynkowanymi stalowymi wspornikami pokrywy bagażnika Mazdy MX-5 . Zgrzewanie punktowe z przemieszaniem tarciowym jest z powodzeniem stosowane na masce silnika i tylnych drzwiach Mazdy RX-8 oraz pokrywie bagażnika Toyoty Prius . Koła są zgrzewane tarciowo z mieszaniem w zakładach Simmons Wheels, UT Alloy Works i Fundo. Tylne siedzenia w Volvo V70 są zgrzewane tarciowo z mieszaniem w Sapa, tłoki HVAC w Halla Climate Control i chłodnice recyrkulacji spalin w Pierburgu. Dopasowane spawane półwyroby są zgrzewane tarciowo z mieszaniem dla Audi R8 w firmie Riftec. Kolumna B Audi R8 Spider jest spawana tarciowo z mieszaniem z dwóch profili w Hammerer Aluminium Industries w Austrii. ^{[ potrzebne źródło ]} Przednia rama pomocnicza Hondy Accord z 2013 r. została zespawana tarciowo z mieszaniem w celu połączenia aluminiowych i stalowych połówek.

Szyny kolejowe

Nadwozie Hitachi A-train British Rail Class 395 o wysokiej wytrzymałości i niskim zniekształceniu jest zgrzewane tarciowo z przemieszaniem z podłużnych profili aluminiowych

Od 1997 roku panele dachowe były wykonywane z profili aluminiowych w firmie Hydro Marine Aluminium na specjalnie zaprojektowanej 25-metrowej maszynie FSW, np. do pociągów klasy DSB SA-SD firmy Alstom LHB . Zakrzywione panele boczne i dachowe dla pociągów linii Victoria w londyńskim metrze , panele boczne dla pociągów Bombardier Electrostar w Sapa Group oraz panele boczne dla pociągów British Rail Class 390 Pendolino należących do Alstom są produkowane w Sapa Group. ^{[ nieudana weryfikacja ]} Japońskie pociągi podmiejskie i ekspresowe , a pociągi British Rail Class 395 są zgrzewane tarciowo z przemieszaniem przez firmę Hitachi , podczas gdy Kawasaki stosuje punktowe zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem do paneli dachowych, a Sumitomo Light Metal produkuje panele podłogowe Shinkansen . Innowacyjne panele podłogowe FSW są produkowane przez Hammerer Aluminium Industries w Austrii dla piętrowych wagonów kolejowych Stadler Kiss , aby uzyskać wewnętrzną wysokość 2 m na obu piętrach oraz dla nowych nadwozi wagonów Kolei Podwieszanej w Wuppertal .

Radiatory do chłodzenia elektroniki dużej mocy lokomotyw są produkowane przez firmy Sykatek, EBG, Austerlitz Electronics, EuroComposite, Sapa i Rapid Technic i są najczęstszym zastosowaniem FSW ze względu na doskonałe przenoszenie ciepła.

Produkcja

Pokrywy miedzianych kanistrów o grubości 50 mm na odpady nuklearne są mocowane do cylindra za pomocą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem w SKB

Noże z mieszaniem ciernym firmy MegaStir

Panele elewacyjne i blachy katodowe są zgrzewane tarciowo z przemieszaniem w firmach AMAG i Hammerer Aluminium Industries, w tym zgrzewane tarciowo z przemieszaniem miedzi z aluminium. Krajalnice do mięsa Bizerba , urządzenia Ökolüfter HVAC i rentgenowskie naczynia próżniowe firmy Siemens są zgrzewane tarciowo z mieszaniem w firmie Riftec. Zawory i zbiorniki próżniowe są wykonywane przez FSW w firmach japońskich i szwajcarskich. FSW jest również używany do hermetyzacji odpadów radioaktywnych w SKB w miedzianych kanistrach o grubości 50 mm. Zbiorniki ciśnieniowe z półkulistych odkuwek ø1 m ze stopu aluminium 2219 o grubości 38,1 mm w Advanced Joining Technologies i Lawrence Livermore Nat Lab. Proces mieszania ciernego jest stosowany w śmigłach statków w firmie Friction Stir Link, Inc. oraz w nożach myśliwskich firmy DiamondBlade. Bosch używa go w Worcester do produkcji wymienników ciepła.

Robotyka

KUKA przystosowała swojego robota KR500-3MT do pracy w ciężkich warunkach do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem za pomocą narzędzia DeltaN FS. System miał swoją pierwszą publiczną prezentację na targach EuroBLECH w listopadzie 2012 roku.

Komputery osobiste

Firma Apple zastosowała zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem w komputerze iMac z 2012 r., aby skutecznie połączyć spód z tyłem urządzenia.

Łączenie aluminiowego materiału do drukowania 3D

Udowodniono, że FSW może być stosowany jako jedna z metod łączenia metalowych materiałów do drukowania 3D. Przy użyciu odpowiednich narzędzi FSW i prawidłowym ustawieniu parametrów można wykonać solidną i wolną od wad spoinę w celu połączenia metalowych materiałów do drukowania 3D. Poza tym narzędzia FSW muszą być twardsze niż materiały, które trzeba spawać. Najważniejszymi parametrami w FSW są obrót sondy, prędkość przesuwu, kąt pochylenia wrzeciona oraz głębokość celu. Wydajność złącza spawanego FSW na metalu do drukowania 3D może osiągnąć nawet 83,3% w porównaniu z wytrzymałością materiałów podstawowych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne