Τεχνική συγκόλλησης τριβής και ανάδευσης- Friction Stir welding

 

Η μέθοδος συγκόλλησης δια τριβής και ανάδευσης (friction-stir welding) είναι μια σχετικά μοντέρνα μέθοδος. Αναπτύχθηκε από το Βρετανικό Ινστιτούτο Συγκολλήσεων (The Welding Institute –T.W.I) το 1991. Έκτοτε η μέθοδος ευδοκίμησε τόσο μεταξύ πανεπιστημίων, όσο και στη βιομηχανία και πλέον χρησιμοποιείται ευρύτατα στην παραγωγή, για την συγκόλληση μεταξύ των άλλων αλουμινίου, ορείχαλκου, χαλκού, τιτανίου, χάλυβα, μαγνησίου και πλαστικού.

Γενικότερα χρησιμοποιείται στη συγκόλληση κραμάτων που είναι σχετικά δύσκολο να συγκολληθούν με συμβατικές μεθόδους. Πλεονεκτήματα όπως το ότι δεν αναπτύσσονται πόροι, οι άριστες μηχανικές ιδιότητες της ραφής, η δυνατότητα πραγματοποίησης σε όλες τις θέσεις συγκόλλησης καθώς και το ότι έχει πολύ χαμηλό κόστος, θα έκαναν τον οποιοδήποτε να την θεωρεί ως την ιδανική μέθοδο συγκόλλησης. Υπάρχουν όμως και αρκετά μειονεκτήματα όπως οι μεγάλες δυνάμεις που απαιτούνται για την στερέωση των τεμαχίων, η οπή εξόδου που αφήνει το εργαλείο κατά την έξοδο του και η έλλειψη ευελιξίας σε τεμάχια με μεταβλητό πάχος.

About us

You will find the latest information about us on this page. Our company is constantly evolving and growing. We provide wide range of services. Our mission is to provide best solution that helps everyone. If you want to contact us, please fill the contact form on our...

Website. We wish you a good day! You will find the latest information about us on this page. Our company is constantly evolving and growing. We provide wide range of services. Our mission is to provide best solution that helps everyone. If you want to contact us, please fill the contact form on our website. We wish you a good day! You will find the latest information about us on this page. Our company is...

gallery/lit

Το Littoral Combat Ship οπου χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά η μεθοδος F.S.W, εγκαινιάστηκε τον Σεπτέμβριο του 2006

Περιγραφή της μεθόδου

Η λογική της μεθόδου είναι εξαιρετικά απλή. Ένα εργαλείο με ειδικά σχεδιασμένο πείρο και πλάτη εισάγεται στις δύο πλευρές των φύλλων ή ελασμάτων, και στη συνέχεια το εργαλείο καθώς περιστρέφεται, προωθείται κατά μήκος της γραμμής συγκόλλησης. Η θερμότητα που παράγεται λόγο της τριβής μεταξύ του περιαυχένιου και των προς συγκόλλησης υλικών, μαλακώνει το υλικό γύρο από την περιοχή του πείρου και σε συνδυασμό με την κίνηση του εργαλείου, το πλαστικοποιημένο υλικό προωθείται προς τα πίσω.


Έχει αποδειχθεί ότι η διαδικασία οδηγεί σε ισχυρές, αλλά και όλκιμες συζεύξεις, μερικές φορές και σε συστήματα που έχουν δημιουργήσει προβλήματα με την χρήση συμβατικών τεχνικών. Η διαδικασία είναι η πλέον κατάλληλη για στοιχεία τα οποία είναι επίπεδα και επιμήκη, αλλά μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί για σωλήνες, κοίλης διατομής και για σημειακή συγκόλληση.

gallery/fsw

Γραφική αναπαράσταση της μεθόδου

Η μέθοδος συγκόλλησης δια τριβής και ανάδευσης, καλείται και “πράσινη” μέθοδος λόγω του ότι είναι φιλική προς το περιβάλλον. Κατά τη λειτουργία της δεν εκπέμπεται ακτινοβολία, δεν παράγεται κάποια βλαβερή αναθυμίαση, ούτε χρησιμοποιεί αναλώσιμα όπως προστατευτικό αέριο. Ακόμα σε σύγκριση με τις κλασικές μεθόδους συγκόλλησης καταναλώνει τη λιγότερη ενέργεια. Επίσης δεν εμπλέκει τη χρήση κανενός υλικού πλήρωσης, ούτε υπάρχει λιώσιμο του μετάλλου. Μπορεί να συγκολληθεί κάθε είδους κράμα αλουμινίου, χωρίς να τίθεται θέμα συμβατότητας των συνθέσεων ή ρηγμάτωσης κατά τη στερεοποίηση, τα οποία απασχολούν όσον αφορά τις συγκολλήσεις τήξεως. Η συγκόλληση τριβής με ανάδευση, καθώς και όλες οι συγκολλήσεις τριβής, λαμβάνει χώρα στην ελαστοπλαστική περιοχή του υλικού. Για το λόγο αυτό, τα οφέλη περιλαμβάνουν και υλικά, τα οποία είναι δύσκολο να συγκολληθούν με τήξη, όπως είναι τα κράματα αλουμινίου σειρών 2xxx και 7xxx.

Η μέθοδος μπορεί να εκτελεστεί με ειδικά κατασκευασμένη μηχανή ή με ήδη υπάρχουσα κατάλληλα διαμορφωμένη. Επίσης η μέθοδος μπορεί να αυτοματοποιηθεί, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί και από ρομπότ.
 

Βασικοί παράμετροι της F.S.W.


Ταχύτητα περιστροφής-Ταχύτητα πρόωσης:

Στη μέθοδο συγκόλλησης δια τριβής και ανάδευσης, το εργαλείο συγκόλλησης εκτελεί δύο κινήσεις. Αρχικά περιστρέφεται γύρω από ένα άξονα κάθετο στο επίπεδο συγκόλλησης, ενώ ταυτόχρονα κινείται κατά μήκος της ραφής συγκόλλησης. Η περιστροφική κίνηση προκαλεί την ανάδευση των προς συγκόλληση υλικών, ενώ η ευθύγραμμη προκαλεί την προώθηση του πλαστικοποιημένου υλικού προς την πίσω μεριά του πείρου, ολοκληρώνοντας έτσι τη διαδικασία της συγκόλλησης. Μεγαλύτερη περιστροφική ταχύτητα σε συνδυασμό με χαμηλότερη ταχύτητα πρόωσης προκαλεί ανάπτυξη μεγαλύτερων θερμοκρασιών και συνεπώς καλύτερη ανάδευση των υλικών.


Εργαλείο συγκόλλησης

Το εργαλείο είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες στην F.S.W. καθώς σε αυτό οφείλονται σε μεγάλο βαθμό οι ιδιότητες που αποκτούν τα υλικά μετά την διαδικασία συγκόλλησης. Το περιαυχένιο του εργαλείου σχεδιάζεται με σκοπό να παράγει θερμότητα στην επιφάνεια του τεμαχίου. Ταυτόχρονα όμως ασκεί και την απαραίτητη δύναμη σφυρηλάτησης έτσι ώστε να ενωθούν τα κομμάτια. Υπάρχουν δύο μορφές περιαυχενείου, η κυρτή και η κοίλη μορφή, με την κοίλη μορφή να συναντάται περισσότερο στη βιομηχανία.

Από την άλλη ο πείρος παράγει θερμότητα λόγω παραμόρφωσης και τριβής στις δύο προς ένωση πλευρές και είναι σχεδιασμένος να διάτμει το υλικό και να το μεταφέρει προς τα πίσω. Υπάρχουν πολλά είδη πείρου, όπως κυλινδρικός με σπείρωμα και με σφαιρικό ή επίπεδο άκρο, κόλουρος κώνος με βηματική σπείρα, αλλά και πιο σύνθετες γεωμετρίες όπως πείρος τύπου Whorl, Mx-Triflute, Trivex, Mx-Trivex, Bobbin, Skew-Stir κ.α.

gallery/tool

Διάφορες μορφές κωνικού πείρου

Καθώς το κάθε τμήμα του εργαλείου, επιτελεί μια διαφορετική λειτουργία η βέλτιστη σχεδίαση προβλέπει ότι ο πείρος και το περιαυχένιο είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά υλικά. Παρόλο που έχουμε πλέον μια πολύ καλύτερη εικόνα για την ροή του υλικού και της θερμότητας, η σχεδίαση του εργαλείου παραμένει μια αρκετά περίπλοκη διαδικασία.

gallery/skew

Το κεκλιμένο εργαλειό A-Skew

gallery/two

Δύο απο τα πλέον σύνθετα εργαλεια, το Whorl (δεξια) και το Mx-Triflut (αριστερά) φτιαγμένα για μεγάλα πάχη συγκολλήσεων

Συγκολλήσιμες γεωμετρίες

Με την μέθοδο F.S.W. μπορούμε να επεξεργαστούμε πέντε βασικούς τύπους γεωμετρίας συγκόλλησης. Την μετωπική και την γωνιακή, όπου τα τεμάχια σχηματίζουν γωνία 90°. Την σύνδεση τύπου Τ όπου τα τεμάχια είναι κάθετα μεταξύ τους. Την σύνδεση με επικάλυψη όπου το ένα μέλος επικαλύπτει το άλλο, καθώς και την σύνδεση κατά ακμή, όπου γίνεται σύνδεση μεταξύ των ακμών δύο ή περισσότερων παράλληλων μελών.

gallery/geometries

Διάφορες γεωμετρίες που συγκολλούνται με τη χρήση F.S.W

Αλλοι παράμετροι

Γενικότερα στην F.S.W. υπάρχουν αρκετοί παράγοντες που επηρεάζουν την μορφή και της ιδιότητες της ραφής. Στους σημαντικότερους παράγοντες πέρα από αυτούς που αναφέρθηκαν συγκαταλέγονται και η φύση του υλικού, ιδιότητες όπως η θερμοκρασία τήξης, οι δυνάμεις που στερεώνουν τα προς συγκόλληση κομμάτια κ.α. Στο πιο κάτω σχήμα παρουσιάζονται όλες οι παράμετροι, καθώς και η συνεισφορά τους στο τελικό αποτέλεσμα.

gallery/factors

 Οι βασικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν το αποτέλεσμα της F.S.W.

Δομή υλικού

Κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης με την μέθοδο F.S.W. δημιουργούνται τρεις διακριτές ζώνες συγκόλλησης : η ζώνη ανάδευσης ή πυρήνας συγκόλλησης), η θερμομηχανικά επηρεασμένη ζώνη (Thermomechanical Affected Zone, TMAZ) και η θερμικά επηρεασμένη ζώνη (Heat Affected Zone, HAZ).

 

• Ζώνη ανάδευσης (stir zone): Στην περιοχή της ζώνης ανάδευσης η πλαστική παραμόρφωση και η θερμότητα που αναπτύσσεται, έχει σαν αποτέλεσμα τη δυναμική ανακρυστάλλωση των κόκκων. Η ανακρυστάλλωση που συντελείται κατά τη συγκόλληση με τη μέθοδο F.S.W. στη ζώνη ανάδευσης δημιουργεί λεπτόκοκκη μικροδομή. Παράμετροι όπως η γεωμετρία του εργαλείου, η χημική σύσταση του δοκιμίου, η θερμοκρασία του, η αξονική δύναμη που ασκεί το εργαλείο κατά τη διείσδυση και το πόσο γρήγορα το δοκίμιο θα ψυχθεί, επηρεάζουν άμεσα τη μικροδομή που θα έχει το υλικό μετά τη συγκόλληση.

 

• Θερμομηχανικά επηρεασμένη ζώνη ( Thermo-mechanical Affected Zone ) Εκατέρωθεν της ζώνης ανάδευσης δημιουργείται μια μεταβατική ζώνη, η θερμομηχανικά επηρεασμένη ζώνη ( ΘΜΕΖ). Είναι αποτέλεσμα τόσο της θερμότητας που αναπτύσσεται όσο και της παραμόρφωσης την οποία υφίσταται το υλικό. Παρόλο που στην περιοχή αυτή παρατηρείται έντονη πλαστική παραμόρφωση, η μικροδομή της ωστόσο δεν υφίσταται δυναμική ανακρυστάλλωση.

 

• Θερμικά επηρεασμένη ζώνη ( Heat Affected Zone ) Πέρα από τη ΘΜΕΖ δημιουργείται η θερμικά επηρεασμένη ζώνη (ΘΕΖ). Στη ζώνη αυτή λαμβάνουν χώρα θερμικοί κύκλοι χωρίς όμως να οδηγούν σε ανακρυστάλλωση των κόκκων και σε παραμόρφωση του υλικού. Μελέτες που έγιναν σε κράματα αλουμινίου, έδειξαν ότι η μέθοδος FSW έχει μικρή επίδραση στο μέγεθος των κόκκων στην περιοχή αυτή. 

gallery/microstructure

Μικρογραφία κάθετης τομής της FSW. Παρατηρείται διαφορετικό μέγεθος των κόκκων σε κάθε ζώνη, τόσο λόγω της θερμότητας που προσδόθηκε στο μέταλλο λόγω τριβής όσο και λόγω της μηχανικής παραμόρφωσης. 

Ροή υλικού

Αρχικά, οφείλουμε να αναφέρουμε τις δύο πλευρές που λαμβάνουν μέρος στην F.S.W. Συγκεκριμένα, ως “προωθούμενη πλευρά” αναφέρεται η πλευρά στην οποία η περιστροφική ταχύτητα του πείρου και η ταχύτητα της συγκόλλησης έχουν την ίδια φορά, ενώ ως “υποχωρούσα πλευρά” όταν περιστροφική και ταχύτητα συγκόλλησης έχουν αντίθετη φορά. Επομένως, κατά τη συγκόλληση δια τριβής με ανάδευση, ένα μέρος του υλικού αναδεύεται κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης, ενώ ένα άλλο απλώς εξωθείται. Το αναδευόμενο υλικό σχηματίζει τη ζώνη ανάδευσης ενώ το εξωθούμενο υλικό εναποτίθεται γύρω από την υποχωρούσα πλευρά. Στην προωθούμενη πλευρά, το υλικό, ακολουθώντας την κίνηση του πείρου, στροβιλίζεται και προωθείται προς ανώτερη επιφάνεια. Στην υποχωρούσα πλευρά, το υλικό παρασύρεται καθώς το εργαλείο συγκόλλησης κινείται ευθύγραμμα και γεμίζει με υλικό τις περιοχές που έχουν κενά λόγω της περιστροφής του πείρου. 

gallery/matmov

Συγκόλληση ανόμοιων μετάλλων

Η μέθοδος δια τριβής με ανάδευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επιτυχία στη συγκόλληση ανόμοιων κραμάτων. Αρκετοί ερευνητές επιχείρησαν συγκολλήσεις μεταξύ ανόμοιων κραμάτων αλουμινίου, ή και του αλουμινίου με άλλα μέταλλα. Παρατηρήθηκε ότι στη ζώνη συγκόλλησης δύο ανόμοιων μετάλλων υπήρχε διαφορετική συμπεριφορά στην κίνηση των υλικών κατά την ανάδευση τους και άρα στις μετέπειτα ιδιότητές τους. Για παράδειγμα, θα πρέπει μέταλλα με χαμηλή αντοχή να τοποθετούνται στην προωθούμενη πλευρά αν πρόκειται να συγκολληθούν με μέταλλα υψηλής αντοχής. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι η ανακρυστάλλωση που υφίστανται τα υλικά μετά τη συγκόλληση με τη μέθοδο FSW προσδίδει καλύτερες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους συγκόλλησης. 

 

Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα μεθόδου

Η F.S.W. έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους συγκόλλησης. Τα προϊόντα είναι πολύ πιο σταθερά στο σημείο της ραφής της συγκόλλησης και είναι λιγότερο επιρρεπή στη διάβρωση από το περιβάλλον. Οι χαμηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την εφαρμογή της μεθόδου και ο σχετικά μικρός θερμικός κύκλος, οδηγούν σε συγκολλήσεις :

• Με βελτιωμένη αντοχή σε εφελκυσμό, κάμψη, αλλά και κόπωση.

• Με βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση.

• Χωρίς στρεβλώσεις ή συρρικνώσεις.

• Με βελτιωμένη εμφάνιση ραφής.

 

Επιπλέον, πλεονεκτήματα της μεθόδου αποτελούν τα εξής χαρακτηριστικά :

• Μπορεί να εφαρμοστεί σε όλες τις θέσεις συγκόλλησης.

• Δεν χρησιμοποιεί καταναλισκόμενα στοιχεία, οπότε δεν υπάρχει κόστος αναλώσιμων.

• Δεν χρειάζεται μηχανουργική κατεργασία για τις συγκολλήσεις κραμάτων αλουμινίου.

• Δεν χρησιμοποιεί αέρια προστασίας για κράματα όπως του αλουμινίου, του χαλκού κ.τ.λ.

• Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε μετωπικές συγκολλήσεις ανόμοιων κραμάτων.

 

Παρ’ όλα αυτά οφείλουμε να αναφέρουμε και ορισμένα μειονεκτήματα της μεθόδου αυτής. Αρχικά, θα πρέπει στις προς συγκόλληση πλάκες να υπάρχει ισχυρή συγκράτηση, κάτι το οποίο μπορεί να δημιουργήσει δυσκολίες σε επίπεδο παραγωγής, όπου οι παράγοντες του χρόνου και της ασφάλειας παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο. Προβλήματα όπως το υψηλό κόστος του ως τώρα υπάρχοντος εξοπλισμού, ενδέχεται να ξεπεραστούν, αφού η μέθοδος γίνεται ολοένα και πιο δημοφιλής στις συγκολλήσεις αλουμινίου, καθώς δίνει συγκολλήσεις με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τις συγκολλήσεις όπου υπάρχει τήξη.

 

Εφαρμογές της μεθόδου συγκόλλησης δια τριβής μέσω ανάδευσης

Ο τομέας της ναυπηγικής είναι ο πρώτος που υιοθέτησε τη μέθοδο συγκόλλησης F.S.W. για διάφορες εφαρμογές. Αργότερα ξεκίνησε να εφαρμόζεται και σε άλλες βιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας, όπως η διαστημική και η αεροναυπηγική, λόγω της μεγάλης αξιοπιστίας της. Αρχικά η F.S.W. εφαρμόστηκε σε κράματα αλουμινίου, καθώς το αλουμίνιο αποτελεί υλικό του οποίου οι ιδιότητες το καθιστούν κατάλληλο για να συγκολληθεί με αυτή την τεχνική. Συγκεκριμένα εφαρμόζεται κυρίως στα εξής κράματα αλουμινίου :

• Σειρά 2000 (Al-Cu)

• Σειρά 5000 (Al-Mg)

• Σειρά 6000 (Al-Mg-Si)

• Σειρά 7000 (Al-Zn)

• Σειρά 8000 (Al-Li)

 

Η μέθοδος F.S.W. γρήγορα εφαρμόστηκε στη συγκόλληση κραμάτων άλλων μετάλλων και στη συγκόλληση ανομοιογενών υλικών. Άλλα υλικά στα οποία έχει εφαρμοστεί η τεχνική αυτή είναι τα ακόλουθα :

• Χαλκός και κράματα χαλκού (έως και 50mm πάχος)

• Μόλυβδος

• Τιτάνιο και κράματα τιτανίου

• Ψευδάργυρος

• Μαλακοί και C-Mn Χάλυβες

• Ανοξείδωτοι χάλυβες (ωστενιτικοί, μαρτενσιτικοί, duplex)

• Κράματα νικελίου

• Πολυμερή 

www.000webhost.com