Zgrzewanie tarciowe

Zgrzewanie tarciowe (EN ISO 4063: Proces 42) jest proces spawania z grupy zgrzewania . Dwie części poruszają się względem siebie pod naciskiem, przy czym części stykają się ze sobą na powierzchniach styku. Powstające tarcie powoduje rozgrzanie i uplastycznienie materiału. Pod koniec procesu pocierania kluczowe znaczenie ma prawidłowe ustawienie części względem siebie i wywieranie dużego nacisku. Zaletą tego procesu jest to, że tak zwana strefa wpływu ciepła jest znacznie mniejsza niż w przypadku innych procesów spawania oraz że w strefie łączenia nie powstaje stopienie. Rezultatem jest bardzo drobnoziarnista struktura o bardzo dobrych właściwościach wytrzymałościowych miejsca połączenia. Można ze sobą spawać różne materiały, takie jak aluminium i stal. W wielu przypadkach możliwe jest również łączenie materiałów metalowych, które nie tworzą ze sobą stopów.

Zgrzewanie tarciowe rotacyjne

Zgrzewanie tarciowe koła zamachowego

Tarcia obrotowego jest proces zgrzewania. Co najmniej jedna część do połączenia w strefie łączenia musi mieć kształt symetryczny obrotowo. Dopływ energii jest dostarczany wyłącznie przez względny ruch łączonych części pod ciśnieniem. Jedna część do połączenia stoi nieruchomo, a druga część jest wprawiana w ruch obrotowy. Jest szeroko stosowany do zgrzewania łączników z różnych materiałów do rur (prętów wiertniczych). Formowane części są często łączone za pomocą rur lub prętów. Przykładami tego są wały napędowe i tłoczyska do amortyzatorów lub cylindrów hydraulicznych.

Proces jest stosowany w Niemczech od lat 70-tych. Ogromną zaletą tego procesu są najróżniejsze kombinacje materiałów. Miliony zaworów wydechowych do silników spalinowych są spawane (stal wysokotemperaturowa ze stalą hartowaną) w czasie cyklu krótszym niż dziesięć sekund.

Używane maszyny są podobne do tokarek . Zawierają obrotowe wrzeciono i nieobrotowy odpowiednik, który jest mocowany na regulowanym osiowo suwaku i dociskany do obracającej się części. W zależności od wymiarów siły osiowe mogą wahać się od kilku 100 N do ponad 10 000 kN (w przybliżeniu równoważne sile ciężaru 1000 t). Odpowiednie maszyny są wtedy wielkości biurka lub lokomotywy. Zgrzewanie tarciowe pozycjonowane jest (opcjonalną) specjalną aplikacją i wymaga specjalnego sterowania i specjalnego silnika napędowego. Zastosowania do tego to wały kardana, osie przyczep, wałki rozrządu i stabilizatory osi.

Zgrzewanie tarciowe zostało po raz pierwszy opisane w zgłoszeniu patentowym Jamesa Bevingtona z Chicago w 1891 roku.

Poślizgowe zgrzewanie tarciowe Zazwyczaj części są spawane ze sobą z przodu. Nowszym wariantem jest ślizgowe zgrzewanie tarciowe, w którym części są wcierane w siebie z niejako promieniowym zachodzeniem na siebie. Zaletami tego wariantu są efekt koncentryczności i korzystniejsza orientacja włókien. Wadą jest to, że występujące momenty procesowe są znacznie wyższe, co z kolei wpływa na wybór urządzeń mocujących i maszyn.

Badania i zastosowanie rotacyjnego zgrzewania tarciowego

Rosja

Przemysłowe zastosowanie zgrzewania tarciowego rozpoczęło się w kontekście zgłoszenia patentowego przez Ala Chudikowa. Badania naukowe Vladima I. Vill w Rosji w 1970 roku wyjaśniły podstawowe mechanizmy działania i nadal są standardową pracą na ten temat, często cytowaną na całym świecie. W 1961 roku ponad 30 zgrzewarek tarciowych było już w użyciu przemysłowych w Rosji.

Niemcy

W NRD rozwój w dziedzinie spawania tarciowego rozpoczął się w 1967 roku na Politechnice Karl-Marx-Stadt w obecnej miejscowości Chemnitz , która rozpoczęła badania w dziedzinie spawania tarciowego na zlecenie ZIS Halle w 1967 roku . Tematy badawcze obejmowały:

  • Dokumentacja konstrukcyjno-technologiczna dotycząca zgrzewania tarciowego
  • Zapewnienie jakości w zgrzewaniu tarciowym
  • Kontrola procesu w zgrzewaniu tarciowym
  • Obliczanie połączeń zgrzewanych tarciowo
  • Wpływ błędów na nośność połączeń zgrzewanych tarciowo

Od 1968 roku przemysłowe zastosowanie w NRD miało miejsce najpierw w przemyśle narzędziowym do wierteł (kombinacja materiałów ze stali szybkotnącej / C60). Od około 1970 r. w innych gałęziach przemysłu, takich jak budowa turbin, budowa statków, budowa sprzęgieł i silników, budowa pojazdów szynowych, produkcja wałów Cardana, budowa maszyn rolniczych, produkcja motocykli itp. Od 1970 r. istniała również grupa robocza zajmująca się spawaniem tarciowym w ramach Izby Technicznej. Członkami tej grupy roboczej byli przedstawiciele firm stosujących zgrzewanie tarciowe. Dwa razy w roku odbywała się ożywiona wymiana doświadczeń na odpowiednich spotkaniach.

W NRD nie było producenta maszyn, dlatego maszyny były opracowywane i budowane w różnych gałęziach przemysłu, m.in. B. w przemyśle narzędziowym zgrzewarki tarciowe RSA 20 i RSA 39 oraz w maszynach rolniczych RSM 50, który pracuje z pionowym wrzecionem, SR 100 został opracowany we współpracy z 10 firmami i zmontowany przez producenta obrabiarek. W Radzie Wzajemnej Pomocy Gospodarczej współpraca dotyczyła w szczególności rozwoju technologicznego w spawaniu tarciowym między VNIIESO Leningrad (ZSRR), IS Gliwice (Polska), VUZ Bratysława (Czechosłowacja), MTI Budapeszt (Węgry), ISIM Timișoara ( ro ) (Rumunia) i TU Karl-Marx-Stadt. W 1985 roku w NRD było około 45 maszyn do zgrzewania tarciowego w zastosowaniu przemysłowym w NRD, oprócz wspomnianych maszyn własnej produkcji były też maszyny z Polski i Francji.

Proces zgrzewania tarciowego w Niemczech jest obecnie badany naukowo i dalej rozwijany w następujących instytucjach: Forschungszentrum Jülich , Instytut Obrabiarek i Zarządzania Przemysłem Politechniki Monachijskiej (iwb) oraz Wyższa Szkoła Zawodowa w Magdeburg-Stendal . W Niemczech Niemieckie Stowarzyszenie Techniki Spawalniczej i SLV Monachium od 1983 roku zajmują się standaryzacją i wymianą doświadczeń w tym zakresie.

Najważniejszymi niemieckimi producentami zgrzewarek tarciowych są: H&B ​​Omega, Harms & Wende, GS-Steuerungstechnik i Kuka . Zgrzewanie tarciowe rotacyjne jest stosowane głównie przez producentów samochodów i ich dostawców, w tym firmy Daimler i IFA . Proces ten jest wykorzystywany m.in. w koparkach hydraulicznych Liebherr i silnikach MTU Aero Engines . W przemyśle naftowym i gazowym UGS Mittenwalde wykorzystuje proces do spawania rurociągów. W Niemczech istnieje kilka firm specjalizujących się w zgrzewaniu tarciowym i obsługujących różne sektory przemysłu: AluStir, ITM Zschaler, LimFox GmbH, Raiser i Schnabel.

Wielka Brytania

W Wielkiej Brytanii Instytut Spawalnictwa opracował parametry do przemysłowego zastosowania rotacyjnego zgrzewania tarciowego oraz liczne warianty procesowe. Najważniejszymi brytyjskimi producentami zgrzewarek tarciowych są: Blacks Equipment, British Federal, MTI i Thompson.

Stany Zjednoczone

Edison Welding Institute znacząco napędza rozwój tego procesu. Firma Caterpillar , Rockwell International i American Manufacturing and Foundry opracowała pierwsze zgrzewarki tarciowe. Dziś MTI jest uważany za wiodącego producenta maszyn.

Orbitalne zgrzewanie tarciowe

Orbitalne zgrzewanie tarciowe zgodnie z ISO 15620 jest procesem zgrzewania tarciowego. W przeciwieństwie do związanego z tym zgrzewania rotacyjnego tarciowego, części tutaj nie muszą być obrotowo symetryczne. Zasilanie energią jest doprowadzane pod ciśnieniem za pomocą okrężnego ruchu oscylacyjnego łączonych części - podobnie jak w szlifierce oscylacyjnej. Wyrównanie osi pozostaje bez zmian. Podczas wieloorbitalnego zgrzewania tarciowego obydwa elementy wibrują, w przeciwieństwie do zgrzewania tarciowego, które z tego powodu jest nazywane „pojedynczym zgrzewaniem tarciowym orbitalnym”.

Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem

Zasada zgrzewania tarciowego z przemieszaniem :
1 Zanurz narzędzie obrotowe 2 Zatrzymaj, aby wytworzyć ciepło 3 Proces 4 Zatrzymaj ruch 5 Wyciągnij narzędzie 6 Sprawdź gotowy szew spawalniczy

Wymieszać tarcia spawania (język angielski: zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem klatka, 4063 EN ISO: Proces 43) w wielu przypadkach również, tarcie wymieszać spawania nazywa, została założona w 1991 roku przez Wayne Thomas wymyślone przez TWI ( Instytut Spawalnictwa ) w Wielkiej Brytanii chroniony patentem . W przypadku zgrzewania tarciowego z przemieszaniem energia tarcia nie jest wytwarzana przez względny ruch dwóch łączonych części, ale przez odporne na zużycie narzędzie obrotowe.

Przebieg procesu jest zasadniczo podzielony na sześć etapów. W pierwszym kroku narzędzie obrotowe jest wciskane z dużą siłą w szczelinę złącza, aż ramię narzędzia oprze się o powierzchnię elementu. Podczas drugiego etapu obracające się narzędzie pozostaje przez kilka sekund w punkcie zanurzenia. Ze względu na tarcie pomiędzy kołnierzem narzędzia a łącznikiem, materiał znajdujący się pod kołnierzem nagrzewa się tuż poniżej temperatury topnienia. Ten wzrost temperatury powoduje spadek wytrzymałości, co uplastycznia materiał i umożliwia mieszanie się strefy łączenia. Kiedy zaczyna się ruch posuwu, rozpoczyna się trzeci krok, w którym obracające się narzędzie jest przesuwane wzdłuż linii łączenia z dużym naciskiem. Gradient ciśnienia wytworzony przez ruch posuwu między przodem i tyłem narzędzia oraz jego ruch obrotowy powoduje transport uplastycznionego materiału wokół narzędzia, który tam miesza się i tworzy szew. W czwartym kroku ruch jest zatrzymywany na końcu szwu. W piątym etapie narzędzie obrotowe jest ponownie wyciągane ze strefy łączenia. W szóstym kroku gotowa spoina jest sprawdzana wizualnie lub badana metodami badań nieniszczących .

Ze względu na charakterystyczny przebieg procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, proces ten jest szczególnie odpowiedni dla stopów aluminium. Problemy spowodowane przemianą fazową podczas spawania stopów aluminium, takie jak pękanie na gorąco i tworzenie porów, nie występują podczas zgrzewania tarciowego z przemieszaniem ze względu na brak fazy ciekłej lub parowej.

Obrotowe, odporne na zużycie, lekko nachylone narzędzie do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem jest wciskane w szczelinę złącza i przesuwane od prawej do lewej
Narzędzie do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem sczepiające zbiornik do promu kosmicznego

Pod względem technologicznym istnieje związek z kuciem i wyciskaniem, z jednej strony materiał jest dociskany siłą skierowaną pionowo na powierzchnię przedmiotu z wprowadzeniem ciepła, a z drugiej strony materiał częściowo plastyczny jest dociskany przez turbulencja spowodowana geometrią obracającego się narzędzia. Tworzony jest kanał wyciskania, który rozciąga się do nasady szwu (nazywany również bryłką spoiny ). Przedmioty, które mają zostać połączone, stoją nieruchomo. Nie jest konieczne specjalne kształtowanie szwu przed spawaniem.

Narzędzie składa się z odsadzenia, które jest ustawione prostopadle do kołka do zgrzewania i ma większą średnicę niż sam kołek do zgrzewania. Odsadzenie można sobie wyobrazić jako półskorupę, która ma na celu odizolowanie otaczającego powietrza od spoiny. Kołek zgrzewający odpowiada za zawirowanie materiału. Nachylenie narzędzia do powierzchni przedmiotu obrabianego wynosi około 2° do 3° w układzie przekłuwania. Samo narzędzie ma niewielkie zużycie i, w zależności od zastosowania, może być używane do kilkukilometrowego spoiny.

Zalety zgrzewania tarciowego z przemieszaniem

  • Dodatkowe materiały nie są konieczne
  • wysokie osiągalne wytrzymałości szwów
  • nie jest wymagany gaz ochronny
  • stosunkowo prosty przebieg procesu
  • możliwa szeroka gama połączeń mieszanych
  • stosunkowo niskie temperatury (w aluminium ok. 550°C na powierzchni spawu) a co za tym idzie niewielkie odkształcenia

Proces jest również stosowany do poprawy lokalnych właściwości i zamykania porów w konstrukcjach odlewanych. Termin FSP ( przetwarzanie tarciowe z przemieszaniem ) jest często używany zamiast FSW ( zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem ).

Wyzwanie przy stosowaniu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem

  • Względnie wysokie siły procesowe, w zależności od stopu i grubości elementu od 1 kN do grubo ponad 20 kN
  • ograniczone możliwości 3D ze względu na niezbędny kontakt od ramienia do komponentu
  • Otwór końcowy na końcu szwu spawalniczego przez wyjście narzędzia. Rozwiązanie tego problemu znaleziono za pomocą automatycznie chowanego kołka spawalniczego (w języku angielskim: narzędzie do chowania kołka , RPT).

Dzięki zgrzewaniu tarciowemu z przemieszaniem można łączyć arkusze różnych materiałów o grubości powyżej 30 mm. Osiągalne głębokości spawania i prędkości spawania zależą w dużej mierze od łączonego materiału i zwykle maleją wraz ze wzrostem wytrzymałości i twardości. Siły procesu gwałtownie rosną wraz ze wzrostem wytrzymałości i twardości materiału. Proces ten jest zatem stosowany głównie do aluminium. Połączenia mieszane ze stalą nierdzewną, miedzią lub magnezem są również produkowane seryjnie. Możliwe jest również łączenie pianek metalowych oraz mieszanych połączeń aluminiowo-stalowych.

FSW służy na przykład do spawania dużych elementów. Przykłady zastosowań to przemysł lotniczy, podróże kosmiczne, przemysł stoczniowy, budowa pojazdów szynowych i budowa samochodów. Produkcja seryjna mniejszych podzespołów odbywa się m.in. w technologii spożywczej, w zakresie maszyn rolniczych czy chłodnic do hybryd plug-in (PHEV). W technice medycznej połączenia aluminiowo-stalowe są również zgrzewane szeregowo z przemieszaniem tarciowym. RIFTEC GmbH w Geesthacht jest ważnym niemieckim dostawcą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem w ramach produkcji kontraktowej. Producentami maszyn FSW do produkcji własnej są m.in. firmy Grenzebach, Fooke i Stirtec.

Innym przykładem są tylne drzwi Mazdy RX-8 . Tutaj nie jest zgrzewany ciągły szew, tylko punkty. Nazywa się to również zgrzewaniem tarciowym z przemieszaniem punktowym (w języku angielskim: zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem punktowym, FSSW ). Narzędzie zazwyczaj wykonuje tutaj tylko ruch pionowy.

Konwencjonalnie do FSW stosuje się specjalne maszyny, które zostały specjalnie zaprojektowane lub przebudowane, aby spełnić wymagania tego procesu. Systemy robotów Tricept są czasami używane. W FSW stosowane są obecnie również konwencjonalne narzędzia produkcyjne w celu obniżenia kosztów i zwiększenia elastyczności. Na przykład proces FSW został w międzyczasie wdrożony na obrabiarkach lub standardowych robotach przemysłowych.

Hybrydową odmianą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem jest zgrzewanie LAFSW ( laserowo wspomagane zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem ). W tym wariancie dodatkowa energia cieplna jest wprowadzana przez wiązkę laserową, która biegnie bezpośrednio przed obracającym się narzędziem. Ma to na celu między innymi zmniejszenie siły pionowej podczas wkładania narzędzia FSW do przedmiotu obrabianego oraz zwiększenie prędkości spawania. Dzięki laserowi ten wariant procesu prowadzi do wzrostu kosztów inwestycji w maszyny.

literatura

  • Specjalistyczna grupa do szkolenia inżynierów spawalnictwa: technologia łączenia technologia spawania. 6., poprawione. Wydanie. DVS Verlag, Düsseldorf 2004, ISBN 3-87155-786-2 .
  • U. Dilthey, A. Brandenburg: Spawalnicze procesy produkcyjne. Tom 3: Projektowanie i wytrzymałość konstrukcji spawanych. Wydanie II. Springer Verlag, 2001, ISBN 3-540-62661-1 .
  • K.-J. Matthes, E. Richter: Technologia spawania. Fachbuchverlag Leipzig w Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-40568-2 .

linki internetowe

Commons : Spawanie tarciowe  - kolekcja obrazów, filmów i plików audio
Wikisłownik: Zgrzewanie tarciowe  - objaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

  1. ↑ Gerd Witt et al.: Kieszonkowa księga technologii wytwarzania. Carl Hanser Verlag, Monachium 2006, ISBN 3-446-22540-4 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce książek Google).
  2. ↑ James H. Bevington: Tryb przędzenia rur, polegający na spawaniu końców drutu, prętów itp. oraz tryb wytwarzania rur. Patent USA nr 463134, 1891.
  3. ↑ AI Chudikov: Spawanie tarciowe . Rosyjski patent nr RU106270 z dnia 16 lutego 1956 r.
  4. ↑ VI Vill: Svarka metallov treniem. UPP Lensovnarkkhoz, Leningrad, 25 czerwca 1959. And Friction Welding of Metals (przetłumaczone z rosyjskiego), American Welding Society i Reinhold Publishing, luty 1962.
  5. ^ KJ Matthes i W. Schneider: Technologia spawania - spawanie materiałów metalowych. 6. wydanie zaktualizowane, Fachbuchverlag Leipzig w Carl Hanser Verlag Monachium, 2016. ISBN 978-3-446-44561-1 , e-book ISBN 978-3-446-44554-3 .
  6. ↑ a b c Dietmar Schober we współpracy z Alexis Neumann: Zgrzewanie tarciowe metali: konstrukcja, technologia, zapewnienie jakości. Poradnik serii DVS Technologia spawania, tom 107, 1991, ISBN 3-87155-124-4
  7. ↑ Marc Lotz: Zwiększenie dokładności produkcji w spawaniu tarciowym koła zamachowego poprzez metody sterowania oparte na modelach Herbert Utz Verlag, 2012.
  8. ↑ a b c DVS - Niemieckie Stowarzyszenie Spawalnictwa i Procesów Pokrewnych mi. V. - Komisja ds. technologii: Wspólna komisja DVS / DIN AG V 11.1 / NA 092-00-24 AA „Zgrzewanie tarciowe”.
  9. ^ Ludwig Appel (GSI mbH, oddział SLV w Monachium): Aktualne informacje dotyczące zgrzewania tarciowego. W: 23. Wymiana doświadczeń w zakresie zgrzewania tarciowego. SLV Monachium, 12 marca 2019 r.
  10. ↑ Zgrzewanie doczołowe iskrowe i tarciowe. Wykłady na specjalnej konferencji o tej samej nazwie w Brunszwiku, 8. – 9. Marzec 1983. DVS donosi Tom 77, ISBN 3-87155-382-4 .
  11. ↑ Zgrzewanie doczołowe iskrowe i tarciowe z powiązanymi procesami. Wykłady na III międzynarodowej konferencji DVS w Stuttgarcie w dniach 5-6 kwietnia. Grudzień 1991. DVS donosi Tom 139, ISBN 3-87155-444-8 .
  12. ↑ Till Maier (KUKA Deutschland GmbH, Augsburg): KUKA SmartConnect.frictionwelding - Rozwiązania Przemysłu 4.0 firmy KUKA dla zgrzewarek tarciowych. W: 23. Wymiana doświadczeń w zakresie zgrzewania tarciowego. SLV Monachium, 12 marca 2019 r.
  13. ↑ David Schmicker (IFA Rotorion Powertrain GmbH, Haldensleben): Rozwój produktu komponentów wału kardana . W: 23. Wymiana doświadczeń w zakresie zgrzewania tarciowego. SLV Monachium, 12 marca 2019 r.
  14. ↑ Thomas Faber (UGS Geotechnologie-Systeme GmbH, Mittenwalde): Zgrzewanie tarciowe rur do głębokich wierceń. W: 23. Wymiana doświadczeń w zakresie zgrzewania tarciowego. SLV Monachium, 12 marca 2019 r.
  15. ↑ AluStir: zgrzewanie rotacyjne tarciowe .
  16. ↑ Bavarian Research Foundation : Orbitalne zgrzewanie tarciowe – nowa kluczowa technologia łączenia materiałów metalowych joining
  17. ↑ patent WO9310935 : Ulepszenia dotyczące zgrzewania tarciowego. Zarejestrowani 27 listopada 1992 r. , wynalazcy: WM Thomas, ED Nicholas, JC Needham, MG Murch, CJ Dawes, P. Temple-Smith.
  18. ↑ Göttmann i inni: Właściwości zgrzewanych tarciowo z przemieszaniem półfabrykatów ze stali miękkiej DC04 i aluminium AA6016 .
  19. ↑ James Careless: Spawanie tarciowe z przemieszaniem. Zrozumienie i naprawa spoin tarciowych z przemieszaniem. W: AviationPros.com. 6 lipca 2007, udostępniono 31 stycznia 2021 .
  20. ^ Friction Stir Welding, National Center for Advanced Manufacturing, Luizjana ( 20 stycznia 2012 r. pamiątka w archiwum internetowym ).
  21. ↑ J. Przydatek: Widok klasyfikacyjny zgrzewania tarciowego z przemieszaniem . W: Materiały I Międzynarodowego Sympozjum Zgrzewania Ciernego z Przemieszaniem. Tysiąc Dębów (USA) 14.-16. Czerwiec 1999.
  22. ↑ Fred Delany, Stephan W Kallee, Mike J Russell: Spawanie tarciowe z przemieszaniem statków aluminiowych. TWI Ltd, dostęp 1 maja 2014 .
  23. ^ Stephan W. Kallee, John Davenport, E. Dave Nicholas: Producenci kolei wdrażają spawanie tarciowe z przemieszaniem. Amerykańskie Towarzystwo Spawalnicze, zarchiwizowane z oryginału ; udostępniono 29 stycznia 2008 roku .
  24. ↑ Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem wspomagane robotem. (Opis projektu) (nie jest już dostępny w Internecie.) Instytut Obrabiarek i Zarządzania Przemysłowego Politechniki w Monachium, archiwizowane z oryginałem na dzień 30 czerwca 2008 roku ; Źródło 29 stycznia 2008 .
  25. ↑ George Völlner: zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem przy użyciu robotów przemysłowych o dużej wytrzymałości. Herbert Utz Verlag, Monachium 2010, ISBN 978-3-8316-0955-0 . (PDF (8,2 MB) online w IWB , TU Monachium)