PL243136B1 - Sposób zgrzewania mechanicznego - Google Patents

Abstract

Sposób, według zgłoszenia, charakteryzuje się tym, że w trakcie kontaktu części roboczej trzpienia (3) z materiałem łączonych elementów (5), prowadzi się ruch oscylacyjny części roboczej trzpienia (3), o kącie oscylacyjnych obrotów z przedziału od ±2° do ±15°.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zgrzewania mechanicznego mający zastosowanie zwłaszcza do łączenia elementów metalowych takich jak np. arkusze blachy.

Powszechnie znany jest sposób zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, polegający na wywołaniu względnego ruchu, korzystnie obrotowego, pomiędzy parą dociskanych do siebie materiałów w celu ich uplastycznienia w strefie styku na skutek wygenerowanego ciepła tarcia oraz na przemieszaniu uplastycznionych materiałów. Po zatrzymaniu względnego ruchu i obniżeniu temperatury, ma miejsce trwałe połączenie materiałów.

W amerykańskim opisie zgłoszeniowym US 4144110 A ujawniono sposób zgrzewania tarciowego materiałów, w którym ciepło generowane jest w wyniku tarcia pomiędzy nimi, a obracającym się twardym, kołowym elementem, przy czym ani ten element ani żaden jego fragment nie wchodzą w skład wytworzonej zgrzeiny. W związku z faktem, że miejsce zgrzewania materiałów nie jest tożsame z miejscem generacji ciepła, w celu ochrony materiałów przed utlenieniem, występuje konieczność stosowania w procesie zgrzewania atmosfery ochronnej.

Z amerykańskiego opisu wynalazku US 5460317 B1 znany jest sposób zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, w którym jednostronnie obracające się wysokowytrzymałe narzędzie robocze złożone z trzpienia i opory o odpowiednio dobranych kształtach, jest wciskane i przesuwane wzdłuż linii styku materiałów przeznaczonych do połączenia, a uplastyczniony i przemieszany w tej strefie materiał, tworzy dobrej jakości trwałą i wytrzymałą zgrzeinę bez przechodzenia przez stan ciekły. Sposób nie wymaga stosowania atmosfery ochronnej, a zgrzeina charakteryzuje się korzystną, drobnoziarnistą strukturą. Zalecane jest, aby materiał w strefie styku był nagrzany do temperatury wynoszącej około 80% temperatury topnienia, ponieważ wówczas charakteryzuje się bardzo wysoką plastycznością i jego odkształcanie może przebiegać pod wpływem niewielkiego naprężenia, a co równie istotne, materiał na pewno pozostanie wówczas w stanie stałym.

Uważa się, że około 80% ciepła w procesie zgrzewania tarciowego z przemieszaniem pochodzi od tarcia pomiędzy materiałem a obracającą się wraz z trzpieniem oporą. Z drugiej strony, zasadniczą rolą obracającego się trzpienia jest odpowiednie przemieszanie materiału.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 8205785 B2 znany jest proces zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, w którym trzpień narzędzia do zgrzewania tarciowego obraca się z pierwszą prędkością w pierwszym kierunku, zaś wieniec opory obraca się w drugim kierunku, przy czym ruch ten kontynuuje się po zagłębieniu w materiał łączonych elementów, a przed wycofaniem trzpienia z materiału łączonych elementów zmienia się kierunek obrotu trzpienia.

Pod nazwą handlową re-stir znany jest sposób zgrzewania tarciowego obejmujący dwustronne obroty narzędzia roboczego, przy czym zmiana kierunku może nastąpić w trakcie jednego obrotu jak i po nim lub po kilku obrotach. Głównym celem rozwiązania jest lepsze przemieszanie materiału. Skuteczność metody re-stir została potwierdzona doświadczalnie dla powtarzających się kilku/kilkunastu obrotów narzędzia roboczego w jedną stronę i kilku/kilkunastu obrotów narzędzia roboczego w drugą. Rozwiązanie pozwala na poprawę jakości połączenia materiałów z powodu uzyskania lepszej symetryczności zgrzeiny, która przy jednokierunkowo obracanym narzędziu roboczym, jest słabsza od strony spływu. Nie zmienia to jednak faktu, że z energetycznego punktu widzenia dwustronne, kilkuobrotowe obracanie narzędzia roboczego jest znacznie mniej efektywnym sposobem tarciowego nagrzewania, a co za tym idzie i zgrzewania materiału, niż wywołane jednokierunkowym ruchem obrotowym ze stałą prędkością.

Z japońskiego opisu wynalazku JP 2004174508 A znany jest sposób zgrzewania mechanicznego charakteryzujący się tym, że w trakcie kontaktu części roboczej trzpienia z materiałem łączonych elementów, prowadzi się ruch obrotowy części roboczej trzpienia narzędzia oraz jednocześnie prowadzi się ruch oscylacyjny wahadłowy narzędzia w osi przecinającej oś obrotu narzędzia pod kątem ostrym.

Znane rozwiązania charakteryzują się duża energochłonnością zwiazana między innymi z często i J J i i i i i i Ł J J i występującą koniecznością wstępnego nagrzania materiału, ponadto występuje w nich niekontrolowana obróbka cieplna materiałów w zgrzeinie i jej otoczeniu, w szczególności przesycenie stopów, które prowadzi do obniżenia właściwości wytrzymałościowych zgrzeiny, a także nadmierne zużywanie narzędzia.

Sposób zgrzewania mechanicznego z wykorzystaniem narzędzia do zgrzewania mechanicznego zawierającego oporę oraz trzpień z częścią roboczą, w którym część roboczą trzpienia zagłębia się w obszarze wykonywanego złącza łączonych elementów i poprzez uplastycznienie materiału łączonych elementów wykonuje się zgrzeinę, a narzędzie wycofuje się z materiału łączonych elementów, przy czym w trakcie kontaktu części roboczej trzpienia z materiałem łączonych elementów prowadzi się ruch oscylacyjny części roboczej trzpienia, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stosuje się kąt oscylacyjnych obrotów części roboczej trzpienia, wokół jego własnej osi, z przedziału od ±2° do ±15°, a ponadto od momentu zagłębienia części roboczej trzpienia do jej wycofania kąt nachylenia trzpienia względem powierzchni łączonych materiałów jest stały.

Korzystnie stosuje się częstotliwość oscylacji nie mniejszą niż 1 Hz.

Dalsze korzyści uzyskiwane są jeśli stosuje się narzędzie dzielone pozwalające na względy ruch części roboczej trzpienia i części opory.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeżeli razem z częścią roboczą trzpienia w ruch oscylacyjny wprowadza się część wieńca opory od strony części roboczej trzpienia.

Następne korzyści uzyskiwane są, jeśli stosuje się narzędzie, którego część robocza trzpienia przynajmniej na części swojej powierzchni ma chropowatość wyższą od chropowatości powierzchni łączonych elementów.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeśli stosuje się narzędzie, którego część robocza trzpienia jest co najmniej w części profilowana.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeśli w trakcie kontaktu części roboczej trzpienia z materiałem łączonych elementów prowadzi się chłodzenie tego materiału.

Następne korzyści uzyskiwane są, jeśli prowadzi się chłodzenie części roboczej trzpienia podczas pracy narzędzia.

Kolejne korzyści uzyskuje się, jeśli chłodzenie prowadzi się strumieniem cieczy, korzystnie o temperaturze pokojowej.

Następne korzyści uzyskiwane są, jeśli chłodzenie prowadzi się strumieniem gazu, korzystnie powietrza.

Dalsze korzyści uzyskuje się, jeżeli ruch oscylacyjny wywołuje się za pomocą układu korbowego.

Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku możliwa jest realizacja zgrzewania mechanicznego bez konieczności nagrzewania strefy styku łączonych materiałów, w tym w szczególności bez wykorzystania ciepła tarcia, przy czym ewentualne nagrzanie nie stanowi przeszkody w jego realizacji. Ponadto dla uzyskania trwałego połączenia nie jest wymagane przemieszanie łączonych materiałów, przy czym ewentualne przemieszanie nie stanowi przeszkody w realizacji sposobu. Wynalazek pozwala na aktywowanie w strefie styku mechanizmu lepkiego plastycznego płynięcia bez konieczności nagrzewania materiału oraz utworzenie silnego połączenia metalurgicznego bez realizacji dużego odkształcenia. Rozwiązanie pozwala na znaczne ograniczenie energochłonności procesu zgrzewania. Ponadto zgrzeina uzyskiwana sposobem według wynalazku jest stosunkowo wąska oraz ma wygląd drobnego, zygzakowatego ściegu krawieckiego i właściwości wytrzymałościowe zbliżone do właściwości łączonych materiałów, przy czym przy łączeniu jednakowych materiałów nie występuje ich zróżnicowanie po obydwu stronach zgrzeiny. Dominacja lepkiego płynięcia materiału istotnie wpływa na obniżenie energii odkształcenia w porównaniu z innymi mechanizmami odkształcenia, co przekłada się na możliwość stosowania mniejszych nacisków narzędzi roboczych nawet o ponad 50%. Dzięki temu, że zgrzewanie mechaniczne według wynalazku jest niskotemperaturowe, eliminuje się negatywny wpływ niekontrolowanej obróbki cieplnej materiałów w zgrzeinie i jej otoczeniu, w szczególności przesycenia stopów, co stwarza poważne problemy w przypadku zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, ponieważ prowadzi do obniżenia właściwości wytrzymałościowych zgrzeiny, a także rozrostu ziaren. Ruch oscylacyjny roboczej części trzpienia o kącie oscylacyjnych obrotów z przedziału od ±2° do ±15° pozwala na przemieszczanie się materiału łączonych elementów przylegającego do części roboczej trzpienia, wraz z tą częścią roboczą, względem pozostałej części materiału. Kąt oscylacyjnych obrotów roboczej części trzpienia > ± 2°, zapewnia przekroczenie stanu sprężystego w ścinanej warstwie materiału i osiągnięcie w niej stanu plastycznego. Z drugiej strony, kąt oscylacyjnych obrotów > ± 15°, nie wpływa znacząco na poprawę uplastycznienia ścinanej warstwy materiału, natomiast powoduje wzrost energochłonności procesu, nadmierne zużycie narzędzia oraz i zbędne nagrzewanie materiału. Odpowiednie przyleganie materiału do części roboczej trzpienia, uzyskiwane jest dzięki chropowatości części roboczej trzpienia większej od chropowatości powierzchni łączonych elementów lub poprzez zastosowanie narzędzia z profilowaną częścią roboczą trzpienia, przykładowo wykonaną poprzez specjalne nacięcia lub wybrzuszenia na jej powierzchni.

Sposób zgrzewania mechanicznego według wynalazku w przykładzie realizacji został bliżej wyjaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia poglądowo realizacje sposobu dla wykonania zgrzeiny połączenia zakładkowego, fig. 2 - szczegół A z fig. 1 w powiększeniu, pokazujący część roboczą trzpienia narzędzia stosowanego w pierwszym przykładzie realizacji, fig. 3 - szczegół A z fig. 1 w powiększeniu, pokazujący część roboczą trzpienia narzędzia stosowanego w drugim przykładzie realizacji.

Sposób zgrzewania mechanicznego według wynalazku, w pierwszym przykładzie realizacji, prowadzony jest z wykorzystaniem dzielonego narzędzia 1 do zgrzewania mechanicznego, które zawiera oporę 2 oraz luźno w niej osadzony trzpień 3 o walcowej części roboczej 4 do zagłębiania w materiale łączonych elementów 5. Stosowane narzędzie 1 ma powierzchnię części roboczej 4 trzpienia 3 o chropowatości wyższej niż chropowatość powierzchni łączonych elementów 5. Wykonywane jest połączenie zakładkowe. Łączone elementy 5 są w postaci arkuszy blachy z twardego, wysokowytrzymałego stopu aluminium z głównymi dodatkami stopowymi w postaci cynku i magnezu, w gatunku 7075. Łączone elementy 5 mocuje się na płycie podpierającej. Następnie część roboczą 4 trzpienia 3, wokół jego własnej osi, wprowadza się w ruch oscylacyjny o kącie obrotu oscylacyjnego wynoszącym ± 2° oraz o częstotliwości wynoszącej nie mniej niż 1 Hz, po czym część roboczą 4 trzpienia 3 zagłębia się w materiale łączonych elementów 5 i przesuwa się ze stałą prędkością wzdłuż założonej linii wykonania zgrzeiny 6, kontynuując ruch oscylacyjny trzpienia 3. Po zagłębieniu części roboczej 4 trzpienia 2 w materiale łączonych elementów 5 rozpoczyna się chłodzenie tego materiału, w strefie styku oraz narzędzia 1 roboczego, podczas wykonywania zgrzeiny 6, za pomocą strumienia powietrza o temperaturze pokojowej. Ruch oscylacyjny trzpienia 3 posiadającego częścią roboczą 4, wywołuje się za pomocą układu korbowego. W trakcie prowadzenia zgrzewania, opora 2 posiadająca gładką powierzchnię wieńca od strony części roboczej 4 trzpienia 3, nie jest wprowadzana w ruch oscylacyjny. Cykliczna zmiana drogi odkształcenia zagłębionej części roboczej 4 trzpienia 3 w materiale łączonych elementów 5 prowadzi do generacji w nim silnie ponad-równowagowej koncentracji defektów punktowych, która w aluminium dla atomów międzywęzłowych własnych wynosi 10^-7, co sprawia, że pomimo niskiej temperatury zgrzewania, ma miejsce zwiększenie współczynnika dyfuzji w materiale o kilkanaście rzędów wielkości, w stosunku do stanu równowagowego, umożliwiając jego lepkie płynięcie. Ponadto cykliczna zmiana drogi odkształcenia, od samego początku jej aktywowania w materiale, pozwala na zainicjowanie i dominację podczas wykonywania zgrzeiny 6, mechanizmu zlokalizowanego plastycznego płynięcia w pasmach ścinania. Pasma ścinania przesuwając względem siebie mikro-warstwy materiału stykających się ze sobą łączonych elementów 5, odsłaniają „czyste”, nieutlenione powierzchnie zdolne do metalurgicznego połączenia. Na koniec wycofuje się część roboczą 4 trzpienia 3 z materiału łączonych elementów 5. Po wycofaniu części roboczej 4 i ostudzeniu materiału, na całej długości linii wykonywanego połączenia, uzyskuje się stosunkowo wąską zgrzeinę 6 o wyglądzie drobnego ściegu krawieckiego i właściwościach wytrzymałościowych zbliżonych do właściwości materiału łączonych elementów 5, bez zróżnicowania materiału po obydwu stronach zgrzeiny 6.

Sposób zgrzewania mechanicznego według wynalazku w drugim przykładzie realizacji prowadzony jest dla wykonania połączenia elementów 5 w postaci arkuszy blachy z aluminium o niskich właściwościach wytrzymałościowych w gatunku 1050. Stosuje się narzędzie 1 dzielone o profilowanej powierzchni części roboczej trzpienia 3 zawierającej klinowe nacięcia o szerokości i głębokości 0,5 mm. Trzpień 3 wraz z jego częścią roboczą 4 oraz częścią wieńca opory 2 od strony części roboczej 4 trzpienia 2 wprowadza się w ruch oscylacyjny o kącie obrotu oscylacyjnego wynoszącym 15°. Chłodzenie materiału łączonych elementów 5, w strefie styku, oraz narzędzia 1 podczas wykonywania zgrzeiny 6 prowadzi się za pomocą strumienia zimnej cieczy. W trakcie prowadzenia zgrzewania, zewnętrzna, część opory 2 nie jest wprowadzana w ruch oscylacyjny. W pozostałym zakresie sposób realizuje się jak w przykładzie pierwszym.

Claims (11)

1. Sposób zgrzewania mechanicznego z wykorzystaniem narzędzia do zgrzewania mechanicznego zawierającego oporę oraz trzpień z częścią roboczą, w którym część roboczą trzpienia zagłębia się w obszarze wykonywanego złącza łączonych elementów i poprzez uplastycznienie materiału łączonych elementów wykonuje się zgrzeinę, a narzędzie wycofuje się z materiału łączonych elementów, przy czym w trakcie kontaktu części roboczej trzpienia z materiałem łączonych elementów prowadzi się ruch oscylacyjny części roboczej trzpienia, znamienny tym, że stosuje się kąt oscylacyjnych obrotów części roboczej (4) trzpienia (3), wokół jego własnej osi, z przedziału od ±2° do ±15°, a ponadto od momentu zagłębienia części roboczej trzpienia (3) do jej wycofania kąt nachylenia trzpienia (3) względem powierzchni łączonych materiałów jest stały.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się częstotliwość oscylacji nie mniejszą niż 1 Hz.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się narzędzie (1) dzielone pozwalające na względy ruch części roboczej (4) trzpienia (3) i części opory (2).

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że razem z częścią roboczą (4) trzpienia (3) w ruch oscylacyjny wprowadza się część wieńca opory (2) od strony części roboczej (4) trzpienia (3).

5. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że stosuje się narzędzie (1), którego część robocza (4) trzpienia (3) przynajmniej na części swojej powierzchni ma chropowatość wyższą od chropowatości powierzchni łączonych elementów (5).

6. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że stosuje się narzędzie (1), którego część robocza (4) trzpienia (3) jest co najmniej w części profilowana.

7. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że w trakcie kontaktu częściroboczej (4) trzpienia (3) z materiałem łączonych elementów (5) prowadzi się chłodzenie tego materiału.

8. Sposób według zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że prowadzi się chłodzenie części roboczej (4) trzpienia (3) podczas pracy narzędzia (1).

9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że chłodzenie prowadzi się stłumieniem cieczy, korzystnie o temperaturze pokojowej.

10. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że chłodzenie prowadzi się strumieniem gazu, korzystnie powietrza.

11. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 10, znamienny tym, że ruch oscylacyjny wywołuje się za pomocą układu korbowego.