Paslanmaz Çelik ve Alüminyum Sürtünmeli Birleştirme

 

Malzemelerin birleştirilmesi, neredeyse tüm imalat sektörlerinde rekabet edebilirliği ve güvenilirliği etkileyen kilit bir teknolojidir. Hemen hemen tüm üretilen ürünler, birleştirilmesi gereken bileşenlerden yapılır. Üreticilerin rekabetçi kalabilmeleri için sürekli iyileştirmeler ve ortaya çıkan teknolojinin birleştirme için etkin bir şekilde uygulanması esastır. Katı faz birleştirme teknikleri için kayıtlı sürtünme ısısı kullanımı yüz yıldan daha eskiye dayanmaktadır. Bununla birlikte, sürtünme kaynak işlemi büyük ölçüde yuvarlak, kare veya dikdörtgen çubuklarla sınırlandırılmıştır. 
 

2.1. Sürecin Açıklaması

Sürtünme hidro sütun işleme (FHPP), nispeten yeni bir katı faz kaynak tekniğidir. Bu teknik, bir dizi yeni üretim rotası sunduğu imalat ve imalattaki potansiyeli nedeniyle önemli Ar-Ge ilgisinin odak noktasıdır. FHPP tekniği hala geliştirme aşamasındadır, ancak demirli ve demirsiz malzemelerde kalın levhaların birleştirilmesi ve onarılması için şimdiden umut vaat etmektedir. Kalın kesitli imalatların geleneksel ergitme kaynağı, uzun işlem dizilerini ve bazı işlemlerde büyük hacimli sarf malzemeleri içerir. Buna karşılık, FHPP kaynak tekniğinin kullanılması, önemli maliyet tasarruflarına yol açacak olan bağlantı hazırlığında ve kaynak dolgu metalinde bir azalma sağlamalıdır.

FHPP tekniği, sürekli olarak plastikleştirilmiş bir tabaka oluşturmak için uygulanan bir yük altında dairesel bir delik içinde bir sarf malzemesi çubuğunun eş eksenli olarak döndürülmesini içerir. Katman, neredeyse sonsuz sayıda adyabatik kayma yüzeylerinden oluşur. FHPP sırasında sarf malzemesi deliğin deliği boyunca sürtünme arayüzünde tamamen plastikleştirilir. Bu arayüz iş parçasının kalınlığı boyunca hareket eder. Plastikleştirilmiş malzeme, sarf malzemesi çubuğunun besleme hızından daha hızlı bir oranda gelişir. Bu, sürtünmeli sürtünme yüzeyinin, dinamik olarak yeniden kristalize edilmiş tortu malzemesini oluşturmak için sarf malzemesi boyunca yükseldiği anlamına gelir. Döner ara yüzeydeki plastikleştirilmiş malzeme, hidrostatik kuvvetlerin hem eksenel hem de radyal olarak metalurjik bir bağın elde edilmesini sağlayan paralel kenarlı bir deliğin deliğine iletilmesi için yeterince viskoz bir durumda tutulur. Bu malzeme hidrostatik olarak çevreleyen deliğe zorlandığından, tortu malzemesinin çapı nominal olarak besleme stoğu malzemesinden daha büyüktür.

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik profil fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.


2.2. FHPP - Paralel Delikler

Çelikte ve bazı demir dışı malzemelerde paralel delik geometrisi kullanılarak çok kaliteli FHPP kaynakları üretilmiştir ve bunlar iyi darbe, çekme ve bükülme sonuçları ile karakterize edilmiştir.

Bazen mikroyapıda ani değişiklikler gözlenir ve bu değişikliklerin rotasyonel sürtünme ara yüzeyinde neredeyse anlık bir kaymanın sonucu olduğu düşünülür. Dönen sarf malzemesinin mevcut sürtünme arayüzünde (sürtünme yüzeyi) tutulduğuna ve daha sonra sarf malzemesi boyunca biraz daha uzaktaki bir konumda keserek yeni bir sürtünme arayüzü oluşturduğuna inanılmaktadır. Yeterince büyükse, bu periyodik arayüzler arasındaki alan, bağ iyi olmasına rağmen çok az kapsamlı plastik deformasyon belirtisi gösterir. (Kısmen dönüştürülmüş sarf malzemesinin bu bölgeleri arasındaki bağ, normal bir sürtünme kaynağınınkiyle karşılaştırılabilir). Muhtemelen, hidro sütun işleme eylemi, dönen sarf malzemesi ile deliğin yanı arasında yeterince yumuşak malzemeyi zorlarsa (yani, plastikleştirilmiş malzemenin geri ekstrüzyonu), sürtünme temas alanı artacaktır. Sürtünme teması altındaki bu ek alan, çok daha yüksek burulma direncine yol açacaktır, bu da en zayıf kesme mukavemetinin dönen sarf malzemesi boyunca bir noktaya hareket etmesine neden olabilir. Bu etki, özellikle nispeten yüksek bir dönme hızının ve yüksek bir sarf malzemesi yer değiştirme (yanma) oranının kullanıldığı paralel delik kaynaklarında fark edilir.

2.3. FHPP - Konik Delikler

Konik delikler ve buna uygun olarak daha keskin bir sivriliğe sahip sarf malzemeleri kullanılabilir. Konik sarf malzemeleri ile birlikte konik deliklerin kullanılması, bağlantının yapılmasında hidrodinamik kuvvetin yanı sıra reaktif bir kuvvetin de kullanılmasını sağlar. Tekniğin bu çeşidi, FHPP kaynaklarının, kalıptan çekilmesi veya dövme sıcaklığında akması zor kabul edilen malzemelerde yapılmasını sağlar. Geometri, kaynak işlemi sırasında sarf malzemesinin değişen enine kesiti ile değişen delik çapı arasında nominal olarak eşit bir boşluk korunacak şekildedir. Koniklik açısı çok genişse, biriken sütun malzemesi tırmanmayacaktır. Konikliğin açısı bir dereceye kadar malzemeye bağlı olacaktır, yani malzemenin geleneksel olarak ekstrüde edilebildiği göreceli kolaylık kayda değer bir özellik olabilir. Mevcut göstergeler, belirli bakır alaşımları için 30°'den daha az olan açıların ve alüminyum alaşımları için 25°'den daha az olan açıların tercih edileceği yönündedir.

Konik deliklerin ve buna bağlı olarak daha keskin konik sarf malzemelerinin kullanılması, dönme ara yüzünün konumunda meydana gelen büyük kayma eğilimini azaltır. Konik sütun kaynak tekniği, paralel delikler ve paralel sarf malzemeleri ile mümkün olandan nispeten daha yüksek dönme hızlarının ve daha yüksek sarf malzemesi yer değiştirme oranlarının kullanılmasına izin verir.

Reaktif bir destek sağlamanın yanı sıra, konik delikler ve konik sarf malzemeleri, buna karşılık olarak artan mukavemete sahip artan bir kesit alanı sağlar. Ek olarak, ara yüzeyin üzerindeki uzaklaşan boşluk, plastikleştirilmiş malzemenin geri ekstrüzyonunu önleme eğilimindedir ve yine sürtünmeli ara yüzey konumunda büyük değişiklikler eğilimini azaltır.

2.4. Proses Özellikleri

FHPP kaynak döngüsü, kısa bir temas koşullandırma süresi için nispeten yüksek bir sarf malzemesi dönüş hızından, ardından ana sütunlama dönemi için daha düşük bir dönüş hızından ve son olarak kaynağın son kısmı için daha da düşük bir sarf malzemesi dönüş hızından faydalanacaktır. Bu, paralel ve konik geometriler için geçerlidir. Kaynak döngüsünün ilk kısmı için daha yüksek dönme hızları, nispeten soğuk olan alt tabakanın ve sarf malzemesinin sıcaklığını hızla yükseltecektir. Kaynak döngüsünün sonundaki daha düşük bir sarf malzemesi dönüş hızı, daha kalın bir plastikleştirilmiş katman oluşturacak ve bu da tek hızlı kaynak döngüsü ile meydana gelebilecek herhangi bir çöküntüyü dolduracaktır.

FHPP asimetrik bir süreçtir; malzemenin esnekliğine ve dışarıdaki sarf malzemesinin uzunluğuna bağlı olarak, sarf malzemesi desteklenmeyen uzunluğu boyunca burulma şeklinde bükülebilir. Bununla birlikte, kısa çıkıntılı sarf malzemeleri için burulma bükülmesi önemsiz olarak kabul edilebilir. Malzeme birikimi ile ilgili olarak, sürtünmeli döner arayüz tercihen sürekli bir sarmal kesme ile nispeten daha küçük kütle sarf malzemesi çubuğuna doğru hareket eder.

Metalografik inceleme, FHPP yatak malzemesinin çok ince taneli mikro yapı ile sıcak işlendiğini göstermiştir.

Proses avantajları aşağıdaki gibi özetlenebilir:

Derin penetrasyon dar boşluk tekniği
Düşük maliyetli (çubuk stoğu) sarf malzemeleri
Çevre dostu süreç
onarım tekniği
Hızlı - 100 mm derinliğindeki delikler 20 saniyeden daha kısa sürede doldurulabilir
Manyetik olarak düşmanca ortam için uygun

Süreç hala geliştirme aşamasında olmasına rağmen, aşağıdakiler için düşünmek mantıksız değildir:

Plakaların tek taraflı perçinlenmesi
Lokalize lamel yırtılma ve çatlakların onarımı
Mekanik kilitleme cihazı
Yanlış yerleştirilmiş, delinmiş deliklerin onarımı

3.1. Sürecin Tanımı

Sürtünme karıştırma tekniği, alüminyum üreticisi ve alüminyum kullanıcısı endüstrileri üzerinde şimdiden bir etki yarattı ve gemi yapımı, otomotiv ve havacılık gibi sektörler için büyük bir potansiyel sunuyor. Sürtünme karıştırma kaynağı, alüminyum, kurşun, bakır ve bazı termoplastiklere dayalı alaşımların, sarf malzemesi olmayan bir aletle sürekli olarak alın kaynağına alınmasına izin veren bir tekniktir. Teknik, katı fazlı sürtünme kaynağının faydalarını malzeme formlarına örn. Daha önce uygun olmadığı düşünülen plaka.

Sürtünme karıştırma kaynağı, alt tabakanın kendisinden daha sert malzemeden oluşan, sarf malzemesi olmayan, dönen bir sonda içeren sürekli bir sıcak kesme işlemidir. İşlemin temel prensibi Şekil 8'de gösterilmiştir. Esasen, iş parçasının bitişik yüzleri (yani eklem) arasına özel olarak şekillendirilmiş bir döner aletin bir kısmı girilir. Takımın dönme hareketi, takımın daldırılan kısmı, takım üzerindeki omuzlu bölgenin temas eden yüzeyi ve iş parçasının üst yüzeyi çevresinde plastikleştirilmiş bir bölge (yerel bir aktif bölge) oluşturan sürtünme ısısı üretir. Omuzlu bölge, plastikleştirilmiş malzemenin dışarı atılmasını önlemenin yanı sıra iş parçasına ek sürtünme işlemi sağlar. Takım daha sonra, takım ileriye doğru hareket ederken katı fazlı bir bağlantı oluşturmak için takımın arkasındaki plastikleştirilmiş bölge soğuyarak bağlantı hattı boyunca sabit bir şekilde hareket ettirilir.

Dövme alüminyum, birçok dövme alüminyum alaşımları ve kurşun üzerinde başarılı denemeler yapılmıştır. Bakırla yapılan ön denemeler de umut vaat etti. Test numuneleri, iyi mekanik özelliklerin elde edildiği mekanik çekme ve çekiç bükme testine tabi tutulmuştur. FSW numunelerinin metalografik incelemesi, ince taneli bir mikro yapının varlığını ortaya çıkardı.

3.2. Proses Özellikleri

Döner aletin ön kenarı, özel şekillendirilmiş probunun önünde sürtünme ısısı ve ardından termal yumuşama sağlar (ön ısıtma etkisi). Döner aletin eklem yüzeyi ile temas eden omuzlu bölgesi ne kadar büyük olursa, mevcut sürtünme ısısı o kadar büyük olur. Bununla birlikte, omuzlu bölgenin çapının arttırılması, pratik sınırlamalara sahiptir ve kaynak yüzeyinde yan parlama üretme eğilimindedir. Daha zor ve daha kalın malzemeleri kaynak yaparken, plastikleştirilmiş malzemenin prob etrafındaki akışı önemli bir husus haline gelir. Nispeten büyük çaplı sondalar gerekliyse, çok daha büyük hacimlerde malzeme yer değiştirecektir, sonda etrafındaki plastikleştirilmiş malzemenin akışını artıran teknikler gerekli hale gelir. Nispeten büyük hacimli problar, büyük boşluklar oluşturabilir.

Yukarıdaki takım geometrisinin mantığı en iyi aşağıdaki ifadelerden anlaşılabilir:

Sondanın etrafında deforme olan malzemenin, belki de bir katının sürtünme ile ekstrüde edilmesiyle aynı şekilde işlem görebileceği.

Dönen aletin doğal dinamik yörüngesinin (eksantrikliği), plastikleştirilmiş malzemenin probun etrafından geçmesine izin vermesi. Her döner makine için, az ya da çok, teorik merkezin etrafında hareket ettiği doğal bir dinamik yörünge olmalıdır (hiç yapılmış hiçbir makine gerçek eşmerkezliliği koruyamaz).

(Bu yörünge tipi (merkez dışında çok görüş eğilimi olan sondalar) ve kanat tipi sondalar, sürtünme etkisi bölgesi yer değiştirme hacminden daha büyük olduğu için malzemenin sonda etrafında daha kolay akmasına izin verebilir.

Sondanın plastikleştirilmiş malzemeden geçmesi gerekir - tersine plastikleştirilmiş malzeme sondanın etrafından geçmelidir. Çırpma tipi bir alet olması durumunda, bu ayrıca plastikleştirilmiş malzemenin bir kısmının sondadan geçmesine izin verecektir. Çırpma tipi aletler, benzer çaptaki katı aletlerden daha az malzemeyi değiştirir.

FSW sürecinin avantajlarından bazıları aşağıda özetlenmiştir:

Sarf malzemesi olmayan - anahtar deliği tekniği
Katı Faz
Sürekli - esasen sınırsız uzunluk
İyi yüzey görünümü
Düşük bozulma
Derz tek taraftan üretilebilir
Kullanımı kolay
5G konumu
Kaynak sonrası pansuman gerekmez
Erime olmadığı için alaşım elementlerinde kayıp olmaz
 

4.1. Sürecin Tanımı

Alüminyum alaşımlarının yapısal üretimi için, sürtünme dalma tekniği, bazı farklı malzemeler için faydalı olabilir. Ön çalışmalar, sürtünme dalma kaynağı ile geliştirilmiş elektriksel, termal ve mekanik özelliklere sahip bağlantıların mümkün olduğunu göstermektedir.

Sürtünme daldırma kaynağı, nispeten sert bir malzemenin nispeten yumuşak bir malzemeye daldırılmasını içerir. İş parçası bileşenleri arasındaki göreceli hareket, daha yumuşak malzemede lokalize bir plastikleştirilmiş bölge oluşturan sürtünme ısısı üretir. Daha sert malzeme, yeniden giriş özellikleri (bir kırlangıç kuyruğu etkisi) oluşturmak üzere önceden şekillendirildiğinden ve tüketilmediğinden veya deforme olmadığından, plastikleştirilmiş malzeme bu yeniden giriş bölgelerine akar. Hareket durdurulduktan sonra, plastikleştirilmiş katman mekanik bir kilit oluşturmak üzere birleşir ve birleştirilen malzemelere bağlı olarak metalürjik bir bağ da oluşturulabilir.

Çıkarılabilir bir kısıtlama veya tutma omuzu, nispeten yumuşak plastikleştirilmiş malzemeyi nispeten sert şekilli bileşene geri zorlar. Bu teknik, özellikle yüksek sıcaklıklarda, benzer olmayan malzemelerin kırılgan intermetalik bileşiklerin oluşumuna duyarlı olduğu durumlarda, hizmette katastrofik arıza riskini azaltmaya yardımcı olacak bir derecede mekanik kilitleme sağlar.

Alüminyum yapılara çelik ankrajların ve uç bağlantıların takılması, düşünülen potansiyel uygulamalardan bazılarıdır.
 

Yukarıda açıklanan yeni teknolojiler farklı gelişim aşamalarında olmasına rağmen, ortaya çıkan bu sürtünme süreçlerinin kullanılmasının yeni pazarlar ve yeni fırsatlar yaratacağından şüphe yoktur. Geniş bir uygulama yelpazesiyle başa çıkabilen genişleyen bir sürtünme teknikleri portföyü vardır.