المتغيرات الرئيسية لحام الاحتكاك

هذه المقالة يلقي الضوء على اثنين من المتغيرات الرئيسية لحام الاحتكاك. المتغيرات هي: 1. القصور الذاتي اللحام 2. الاحتكاك تحريك اللحام (FSW).

البديل # 1. القصور الذاتي اللحام:

في هذه العملية ، يتم تثبيت أحد المكونات المراد لحامها في ظرف دوار مع دولاب الموازنة المرفق به بينما يتم تثبيت الآخر في موضع ثابت. يتم رفع ظرف مع دولاب الموازنة إلى سرعة مصممة مسبقا لتخزين الطاقة الميكانيكية المطلوبة ؛ يمكن فصله عن آلية القيادة بمساعدة القابض.

يتم جمع قطع العمل معًا ويتم تطبيق قوة محورية. يوفر الاحتكاك المطوَّر على الأسطح المتعرجة قوة فرامل تحوّل الطاقة الحركية للكتلة الدوارة لتسخينها عند السطح البيني. عند نقطة في الدورة ، يتم الوصول إلى السرعة حيث يتم توليد حرارة أقل بسبب الاحتكاك مما يتبدد إلى الأجزاء المبردة.

يرتفع عزم الدوران بسرعة ليصل إلى قيمة الذروة حيث يتأذى المعدن الساخن تحت الضغط قبل توقف الدوران. إذا لزم الأمر ، يمكن تطبيق ضغط الحدادة المطلوب عندما يصل عزم الدوران إلى قيمة الذروة. يوضح الشكل 13.14 خصائص اللحام بالقصور الذاتي الاحتكاك.

الفرق الرئيسي بين الطريقتين هو أنه في حين يتم تنفيذ اللحام المستمر بمحرك القرص عند سرعة المغزل الثابتة ، يبدأ اللحام بالقصور الذاتي بسرعة عالية ويستمر بسرعة متناقصة باستمرار. ويقال إن اللحام بالقصور الذاتي يمكن أن يوفر وقت لحام أقصر ، وأطواق صغيرة من المعدن المبثوق ، وأن القوة الميكانيكية للحام في كلتا الحالتين متشابهة. ومع ذلك ، فإن عملية اللحام بالقصور الذاتي أقل شيوعًا من عملية اللحام الاحتكاك المستمر للمحرك.

في اللحام بالقصور الذاتي تنخفض السرعة مع مرور الوقت ، يزيد سمك منطقة البلاستيكي الساخن ، النقصان المتولد بالحرارة ، ويزداد عزم الدوران. يفرض الضغط المحوري على المعدن الساخن أن يندمج ويكثف جزء منه لتشكيل الزعنفة. خلال المرحلة النهائية ، يزداد معدل التقلص المحوري ثم يتوقف عندما يبرد اللحام. يوضح الشكل 13.15 تخطيطًا لإعداد اللحام بالقصور الذاتي.

متغيرات اللحام:

هناك ثلاثة متغيرات لحام رئيسية مرتبطة بلحام الاحتكاك. هذه هي لحظة القصور في دولاب الموازنة ، وسرعة الحدافة في وقت بدء دورة اللحام ، والضغط المحوري المبذول على المكونات التي يتم لحامها. يحدد المتغيران الأولان الطاقة المتاحة للحام والضغط المحوري - استنادًا إلى المادة ومساحة الاتصال في الواجهة - يقرر مقدار الانزعاج. عادة ما يتم ضبط التقصير المحوري عن طريق ضبط سرعة دولاب الموازنة الأولية.

يتم توفير الطاقة المتاحة من دولاب الموازنة في أي لحظة بالمعادلة:

أين ، E = الطاقة ، الجول

أنا = لحظة القصور الذاتي (عضو الكنيست ² ) ، نيوتن متر

M = كتلة الأجزاء الدوارة ، كجم

k = radius of gyration، m

ω = السرعة الزاوية ، راديان / ثانية

ن = السرعة الآنية من دولاب الموازنة ، دورة في الدقيقة

تعتمد الطاقة المتاحة للحام على كتلة دولاب الموازنة وسرعة دورانها. وبالتالي ، يمكن تغيير قدرة آلة اللحام بالقصور الذاتي من خلال تغيير دولاب الموازنة في حدود التصميم لقدرة الماكينة.

يعتمد وقت دورة اللحام على سرعة تحويل الطاقة من دولاب الموازنة إلى الحرارة. يمكن تغيير تكوين المنطقة المسخنة عن طريق تغيير تكوين دولاب الموازنة وضغط التسخين وسرعة الدوران. يمكن أيضًا ضبط إدخال الحرارة في الشغل للتحكم في عرض المنطقة المصابة بالحرارة ومعدل تبريد اللحام. يوضح الشكل 13.16 التأثيرات الناتجة من طاقة دولاب الموازنة ، وضغط التسخين ، والسرعة العرضية على نمط الحرارة وتشكيل الزعنفة المعدنية للمعادن اللحام القصور في الفولاذ.

التكوين دولاب الموازنة:

تعتمد لحظة القصور في دولاب الموازنة على شكلها وقطرها وكتلتها. يمكن التلاعب بالطاقة اللازمة لصنع لحام معين وسرعة أولية محددة مسبقا من خلال تغيير لحظة القصور الذاتي من دولاب الموازنة. تبدأ المرحلة المزعجة لعمليات اللحام المنخفضة الكربون عادة عند سرعة محيطية تبلغ حوالي 60 م / دقيقة.

وبالتالي يمكن أن تطيل الحذافات الكبيرة من مرحلة تزوير أو تزوير. من ناحية أخرى ، قد لا توفر الحذافات الصغيرة طاقة كافية لطرد الشوائب وتحقيق اللحام السليم أو حتى المرضي. قد تتباين كتلة دولاب الموازنة والسرعة الأولية بشكل عكسي على مدى واسع للحصول على متطلبات الطاقة المطلوبة. هذا يسهل التحكم في حجم HAZ واختيار الموقع الشعاعي للحرارة الأولية المتولدة في واجهة اللحام.

بالنسبة للسرعة الأولية الثابتة وضغط التسخين ، يمكن زيادة طاقة دولاب الموازنة بزيادة حجمه ، كما يظهر تأثيره على الفلاش المنبعث والانبساط في الشكل 13.16. الطاقة المفرطة في دولاب الموازنة تؤدي إلى زيادة اضطراب وهدر المواد في شكل فلاش.

● السرعة:

تختلف السرعة التماسية في أي لحظة مباشرة مع نصف القطر وسرعة الدوران وتعطى بالعلاقة التالية:

V _t = r ω

= ص. 2 π ن

= 6.286 rN

حيث ، V _t = السرعة التماسية ، m / min

r = نصف القطر ، m

ω = السرعة الزاوية ، راديان / ثانية

ن = السرعة الآنية ، دورة في الدقيقة

يتراوح مدى السرعة المحيطية لأفضل اللحامات من المعدن إلى المعدن ولقضبان الصلب الصلبة التي يتراوح مداها بين 150 و 450 م / دقيقة ؛ ومع ذلك يمكن إجراء اللحامات في الفولاذ بسرعة منخفضة تصل إلى 90 م / دقيقة. إذا كانت السرعة منخفضة للغاية ، لن يكون التسخين في المركز كافياً ، وقد لا يتم إنتاج اللحام عبر السطح البيني بالكامل ويكون الفلاش خشنًا بالشكل كما هو موضح في الشكل 13-16 ، حتى إذا كان مستوى الطاقة وفقًا للمتطلبات . عند السرعات المتوسطة من 90 إلى 250 م / دقيقة ، فإن المنطقة الملدنة من الفولاذ لها شكل ساعة من الزجاج في الطرف الأدنى من النطاق الذي يتسطح تدريجيا مع ارتفاع السرعة. وبالنسبة للصلب ، فإن السرعة المبدئية فوق 365 م / دقيقة تؤدي إلى اللحام الذي يكون أكثر سماكة في المركز منه في المحيط الخارجي.

ضغط التدفئة:

إن تأثير اختلاف ضغط التسخين يتعارض بشكل عام مع سرعة السرعة كما هو واضح من الشكل 13.16. تتشابه اللحامات المصنّعة عند ضغط تسخين منخفض مع اللحامات المصنّعة في سرعة أولية عالية فيما يتعلق بمظهر انزعاج اللحام و HAZ. ينتج الضغط المفرط اللحام مع رابطة ضعيفة في المركز مع وجود كمية كبيرة من اللحام بالضيق كما هو الحال بالنسبة للحام التي تتم بسرعات منخفضة. إن نطاق ضغط التسخين الأمثل للحامات في القضبان الصلبة من الفولاذ الكربوني المتوسط ​​هو 150 إلى 205 نيوتن / مم ² .

البديل # 2. لحام تحريك الاحتكاك (FSW):

الاحتكاك هو عبارة عن عملية لحام جديدة نسبيًا تم تطويرها في TWI * في عام 1991 وحصلت على براءة اختراع في عام 1999. يوضح الشكل 13.17 تخطيطًا لعملية FSW للانضمام إلى لوحين في تكوين أخدود مربع. هذه العملية ذات طبيعة صلبة وتعتمد على تزوير محلي لمنطقة اللحام لإنتاج المفصل.

يتم تثبيت الألواح المراد ربطها في الضغط ويتم تثبيتها بشكل صارم على سرير الماكينة أثناء اللحام. يستخدم لحام التحريك الاحتكاك أداة استدارة دوارة غير مستهلكة (مخروط مجدول) أقصر قليلاً من عمق اللحام ؛ تظهر أداة واحدة من هذا القبيل في الشكل 13،18 التي سقطت في المفصل حتى تتصل أداة الكتف على سطح العمل وتقطع على طول خط المفصل. تتضمن معلمات العملية الهامة عدد دورات الأدوات في الدقيقة وسرعة التنقل ، وكذلك أبعاد الأداة والقوة المتجهة إلى الأسفل على الأداة.

قد تختلف سرعة الدوران للأداة من عدة مئات من rpm إلى عدة آلاف rpm. قد تختلف القوة المحورية المطلوبة لمواجهة الضغط المتكون في منطقة اللحام من 1 إلى 15 كيلو نيوتن. عادة ما يكون خرج الطاقة الميكانيكي إلى أداة الدوران من 2 إلى 5 حصان (1.5 إلى 3.7 كيلووات).

في البداية يتم إسقاط الأداة الدوارة في المفصل حتى يتعاقب الكتف على سطح الحنفية من الشغل. إن الحرارة المتولدة عن طريق مزيج من التسخين الاحتكاكي وتشوه البلاستيك في قطعة العمل يخفف من المواد المجاورة للأداة لدرجة حرارة تقترب من المادة الصلبة للعمل ، في حين لا يلاحظ أي ذوبان عام.

وبمجرد انغماس الدبوس في المفصل ، تمر الأداة على المفصل ، مع تحريك الواجهة وإنتاج لحام صلب. أثناء عملية اللحام ، يتم تسخين المادة على طول المفصل إلى حالة خففت ، يتم نقلها حول محيط الأداة ، ثم يتم إعادة تشكيلها على طول السطح الخلفي لإنتاج اللحام.

في العديد من التطبيقات الحالية لـ FSW ، تحدث بداية ونهاية اللحام عند بدء التشغيل وإيقاف علامات التبويب التي قد تتم إزالتها لاحقًا. ومع ذلك ، مع مزيد من التطوير لتقنيات FSW ، فإنه من المتوقع أن يتحكم في بدء / توقف في أي موضع على قطعة العمل الفعلية نفسها. قد يستدعي ذلك التحكم في القوة أثناء غطس الأداة ، كما هو موضح في الشكل 13.19.

ويقال إن هذا الرقم قد تم إنتاجه من أجل نتائج تجريبية باستخدام أداة الدبوس التي سقطت في قطع العمل المعدنية بمعدل 0.1 مم / ثانية (0.25 بوصة / دقيقة) وسرعة الدوران 400 دورة في الدقيقة (41.9 رادار / ثانية). يمكن ملاحظة أن قوة الغاطسة تصل إلى 13.3 كيلو نيوتن (3000 رطل) كحد أقصى قبل أن تعود إلى 4.4 كيلو نيوتن (1000 رطل) أثناء السفر إلى الأمام.

إن لحام الألومونيوم بالاحتكاك هو مركب بشكل جيد نسبيًا وقد تم استخدامه بنجاح في لحام 1XXX ، 2XXX ، 5XXX ، 6XXX و 7XXX من السبائك ، وكذلك سبائك Cu-Li. بما أن هذه العملية لا تشتمل على أي ذوبان ، فإن FSW لسبائك Al-alloys لها مزايا عديدة على لحام الاحتكاك التقليدي.

وهذا يشمل القضاء على المشاكل مثل تكسير التصلب ، تكسير التسييل ، المسامية ، والترشيش. وتشمل المزايا الأخرى التي تنشأ بسبب طبيعة الحالة الصلبة للعملية ، الخواص الميكانيكية المحسنة ، والقضاء على أبخرة اللحام ، والانكماش المنخفض ، وانخفاض تشويه اللحام. أيضا ، يمكن إجراء العملية في مسار واحد وفي جميع مواقف لحام.

تظهر اللحامات المحركة الاحتكاكية في السبيكة عدة مناطق متميزة هيكليا بما في ذلك منطقة التحريك أو الكتلة (على طول خط مركز اللحام) ، المنطقة المتأثرة بالحرارة والتشوه (HDAZ) ، أو المنطقة المتأثرة بالحرارة الميكانيكية (TMAZ) (المحيطة منطقة تحريك) ومنطقة حقيقية مصابة بالحرارة (HAZ) تشمل HDAZ. ترتبط التركيبات الدقيقة المتطورة في مناطق مختلفة من منطقة اللحام ارتباطًا وثيقًا بالدورة الميكانيكية الحرارية المحلية التي يتم التحكم فيها بواسطة السلالة الكلية ، ومعدل الإجهاد ، ودرجة الحرارة التي تم تطويرها أثناء تشغيل FSW.

حتى الآن ، تطورت معظم تأثيرات FSW في الانضمام إلى السبائك ، ولكن هناك اهتمام واضح بتوسيع هذه التقنية للانضمام إلى مواد أخرى ، وخاصة الفولاذ. هذا لأن FSW يبدو أنه يقدم العديد من المزايا على لحام القوس الفولاذي.

من المتوقع أن تقلل مدخلات الطاقة الأقل ظهوراً من FSW نمو الحبوب في HAZ وتحد من التشوه والضغوط المتبقية في الفولاذ. إن تقليل التشوه والإجهاد المتبقي مهم للغاية في مواد اللحام في القسم السميك ، كما هو الحال في صناعة السفن والصناعات التحويلية الثقيلة. كما أن استبدال اللحام القوسي مع FSW من المرجح أن يزيل أو على الأقل يقلل من أبخرة اللحام وخاصة تلك التي تحتوي على الكروم سداسال التكافؤ. بالإضافة إلى ذلك ، يتم التخلص من مشاكل في تكسير الهيدروجين في الفولاذ لأن FSW هي عملية لحام في الحالة الصلبة. تؤخذ هذه المزايا مجتمعة ، بجاذبية FSW من أجل الانضمام إلى الفولاذ للعديد من التطبيقات.

مزايا وقيود FSW:

المزايا الرئيسية ل FSW تشمل التدفق:

1. لا حاجة للحشو أو المواد الاستهلاكية ،

2 الحد الأدنى من إعداد الحافة المشتركة ،

3. إزالة أكسيد المضمن من أسطح faying مشتركة ،

4. الأتمتة الجاهزة ،

5. قوة مشتركة عالية ، اللحامات عالية الجودة من اللحامات الانصهار ،

6. إمكانية لحام السبائك التي لا يمكن لحامها بواسطة عمليات لحام الانصهار بسبب تكسر قابلية التأثر ، و

7. تدريب المشغل باهظة الثمن ليست ضرورية.

محددات:

العيوب الرئيسية لهذه العملية هي ضغط المشبك المشترك المطلوب والقدرة العالية اللازمة لتحريك الأداة الدوارة على طول المفصل.

(أ) اللحام الهجين المختزل الاحتكاك:

للتغلب على عيوب FSW ، تم استخدام ليزر Nd: YAG متعدد النقاط 700 W للتسخين المسبق لقطع العمل قبل أداة الدوران المتقدمة ، كما هو موضح تخطيطيًا في الشكل 13.20. بواسطة تسخين وتليين المواد قبل الأداة الدوارة ، هناك حاجة إلى قوة تثبيت أقل بكثير من أجل تطوير تدفئة احتكاك كافية لإحداث مثل هذا التليين ، وأقل قوة مطلوبة لتحريك أداة اللحام. تجمع هاتان العمليتان بشكل كبير لتقليل تآكل الأدوات والكسر.

آلية التشغيل بسيطة ، أي ، التسخين المسبق لخفض ضغط التدفق البلاستيكي في FSW.

(ب) لحام الاحتكاكات ذات الاحتكاكات:

هذا هو نوع طفيف من عملية FSW العادية ويستخدم لأبواب لحام البقع وغطاء السيارات الرياضية.

بسبب التوصيلية الحرارية العالية للألومنيوم يكون من الصعب لحام اللحام بالقوس التقليدي أو عمليات لحام المقاومة. تم العثور على اللحام بالتحريك الاحتكاك ليكون أكثر كفاءة واقتصادية لهذا الغرض.

للانضمام إلى ألواح الألومنيوم يتم استخدام روبوت الاحتكاك تحكمي البنادق. يمسك المسدس الأجزاء من كلا الجانبين ويغرق دبوس الغزل ، مما يخلق حرارة احتكاكية ، وينعم المعدن ويشكل مفصل لحام في لوحة الألومنيوم ، كما هو موضح في الشكل 13.21.

أفادت صناعة السيارات بانخفاض بنسبة 99٪ في استهلاك الكهرباء باستخدام لحام الاحتكاك بفتحة الاحتكاك بدلاً من لحام البقعة المقاومة التقليدية. أيضا ، على عكس لحام البقعة المقاومة التقليدية ، لا يحتاج لحام البقعة الاحتكاك إلى سائل تبريد أو هواء مضغوط أو تيار كهربائي كثيف. علاوة على ذلك ، فإن معدات اللحام بالخلط بالإحتكاك تنطوي على استثمار رأسمالي أقل بنسبة 40٪ مقارنة بأجهزة لحام البقعة المقاومة للألمنيوم.

هذه العملية لا تتطلب التنظيف المسبق لقطع العمل ، ولا تولد أبخرة أو ترشيش.

(ج) تحريك الدعامة الاحتكاكية:

كما يمكن استخدام عملية اللحام بالتحريك الاحتكاكي لفرش المعادن ، والمبدأ الأساسي منها موضح في الشكل 13.22.

للاحتكاك تحريك السطح الكهربائي يتم تدوير الإلكترود الاستهلاكي والضغط لأسفل ، في حين يتم تحريك اللوحة المراد تسليط الضوء عليها بشكل جانبي.

يجب أن يكون للمادة المراد تنفيذها التزام جيد بمواد الصفيحة من أجل الحصول على التوحيد الكامل بين المادتين.

على الرغم من أن العملية قد تم تجربتها بنجاح إلا أن تطبيقها العملي على نطاق صناعي قد يستغرق بعض الوقت.

(د) التطورات المتنوعة:

أحد المتغيرات الأكثر فاعلية في عملية FSW القياسية هو واحد يعرف باسم تفاعل FSW ذاتي التفاعل.

تتضمن عملية FSW المتفاعلة ذاتيًا ، الموضحة بشكل تخطيطي في الشكل 13.23 ، استخدام أداة دبوس تفاعل ذاتي تحتوي على كتفين. وضع واحد على السطح العلوي من الشغل والآخر في الجانب السفلي. دبوس مخروطي ، يقع بين الكتفين ، يمر عبر سماكة المادة. أثناء اللحام ، يتم وضع الكتفين بإحكام ضد التاج وأسطح مفصل وصلة اللحام وبالتالي ضغطها لتطبيق الأحمال المطلوبة للتزوير. يدور التجمع المزدوج للكتف / الدبوس كوحدة مفردة أثناء العبور على طول خط اللحام.

الميزة الأساسية للصناعة. كما يمكن إجراء مفاصل انتقال أنبوبي بين الألومنيوم واستخدام أداة الدبوس المتفاعلة ذاتياً ، بدلاً من أداة الدبوس المعيارية ذات القطعة الواحدة ، وهي أنها تقضي على الحاجة إلى الأدوات باهظة الثمن اللازمة لاحتواء قوى تزوير ميكانيكية يتم إنشاؤها أثناء عملية FSW.

ومن التطورات الأخرى التي تجري تحت إشراف FSW هي لحام المواد السميكة جداً. تم تصميم أداة جديدة قابلة للسحب من أجل لحام وإغلاق حوض اللحام ذو ثقب المفتاح في المواد بسمك 50 مم أو أكثر. كما يجري التحقيق أيضًا في FSW للحامات صغيرة الحجم في الخطوط والقنوات للمركبات الفضائية باستخدام رأس لحام مداري ، وكذلك اللحامات في أنظمة الأنابيب ذات القطر الأكبر المستخدمة في صناعة النفط.