Erzeugung von Rundengelenken über Friction Stir Spot Welding auf DP780 Stahl

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Reibungsrührpunktschweißen (FSSW) Protokoll auf Zweiphasen-Stahl 780. Ein Werkzeugstift mit Hochgeschwindigkeitsdrehung erzeugt Wärme aus Reibung, um das Material zu erweichen, und dann taucht der Stift in 2 Blattverbindungen, um das Rundengelenk zu erzeugen.

Zusammenfassung

Das Reibstichpunktschweißen (FSSW), ein Derivat des Reibrührschweißens (FSW), ist eine Festkörperschweißtechnik, die 1991 entwickelt wurde. Für die Aluminiumlegierung, die in den Hintertüren von Automobilen verwendet wurde, wurde 2003 in der Automobilindustrie eine Branchenanwendung gefunden. Reibungsrührpunktschweißen wird hauptsächlich in Al-Legierungen verwendet, um Rundenverbindungen zu erzeugen. Zu den Vorteilen des Reib-Rührpunktschweißens gehört eine Schmelztemperatur von fast 80 %, die die thermischen Verformungsschweißnähte senkt, ohne zu spritzen, verglichen mit dem Widerstandspunktschweißen. Das Reibungs-Rührpunktschweißen umfasst 3 Schritte: Tauchen, Rühren und Zurückziehen. In der vorliegenden Studie werden auch andere Werkstoffe, darunter hochfester Stahl, im Reibrührschweißverfahren zur Herstellung von Fugen verwendet. DP780, dessen traditionelles Schweißverfahren den Einsatz von Widerstandspunktschweißen beinhaltet, ist eines von mehreren hochfesten Stahlwerkstoffen, die in der Automobilindustrie verwendet werden. In diesem Papier wurde DP780 für das Reib-Rührpunktschweißen verwendet, und seine Mikrostruktur und Mikrohärte wurden gemessen. Die Mikrostrukturdaten zeigten, dass es eine Fusionszone mit feinem Korn und eine Wärmewirkungszone mit Inselmarderit gab. Die Ergebnisse der Mikrohärte zeigten, dass die Mittelzone im Vergleich zum Grundmetall einen höheren Härtegrad aufwies. Alle Daten deuteten darauf hin, dass das in zweiphasigem Stahl 780 verwendete Reibungsrührpunktschweißen eine gute Rundenverbindung erzeugen kann. In Zukunft kann das Reibrührpunktschweißen in hochfesten Stahlschweißen eingesetzt werden, die in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt werden.

Einleitung

Das Reibungsrührschweißen (FSW) wurde erstmals 1991 bei TWI, Abington, UK¹gemeldet. Im Jahr 2003 ermittelten Piccini und Svoboda ein überlegenes Verfahren zur Verbesserung der Vorteile von FSW, dem sogenannten Reibungsrührpunktschweißen (FSSW) für den Einsatz in kommerziellen Automobilherstellungsprozessen². Die FSSW-Methode beinhaltet die Schaffung eines Punkt-Rundengelenks ohne Schüttgutschmelzen. Die wichtigste Entwicklung für den Einsatz von FSSW war in Aluminiumlegierungen, da sich Al-Legierungen im Schweißprozess unter Hochtemperaturbedingungen verformen. Das erste erfolgreiche Beispiel war in der Automobilindustrie, wo FSSW in der Herstellung der gesamten Hintertür des Mazda RX-8^1,3,4verwendet wurde.

Inzwischen ist hochfester Stahl das dominierende Material der Karosserie, insbesondere Zweiphasenstahl. Die Literatur weist darauf hin, dass DP600, das mit FSSW hergestellt wird, die gleichen Eigenschaften wie das Grundmetall haben kann, wo alle Schweißbereiche ähnliche Mikrostrukturen und Härtegrade^{haben 5}. FSSW-Methoden zur Verwendung von DP-Stahl auf ihrer Mikrostruktur der Rührzone (SZ), der thermomechanisch betroffenen Zone (TMAZ) und dem Fehlermodell von DP590- und DP600-Stahl wurden von einigen Forschern untersucht. Sie beobachteten Unterschiede in der Konsistenz der Mikrostruktur (Ferrit, Köderit und Marderit) von DP590 und DP600 Stahl bei verschiedenen Drehzahlen^6,7,8,9,10. Einige Forscher führten vergleichende Studien mit FSSW und RSW für DP780-Stahl^8,9durch. Sie berichteten, dass längere Fügezeiten und höhere Werkzeugdrehgeschwindigkeiten zu einer erhöhten Verklebungsfläche für alle Tauchgänge führten, was zu einer höheren Scherkraft führte und den Modus von der Grenzfläche auf das Herausziehen verlagerte. Sie kamen auch zu dem Schluss, dass FSSW eine höhere Festigkeit als RSW hatte. Der FSSW-Prozess umfasst 3 Schritte: Tauchen, Rühren und Zurückziehen. Der erste Schritt ist das Tauchen mit einem Rotationswerkzeugstift in der Nähe des Blattes des Rundengelenks und in das Blatt gesteckt. Die rotierende Werkzeugschulter im FSSW-Prozess kann Reibungswärme erzeugen. Im zweiten Schritt kann die Wärme das Blech erweichen und das Einstecken des Werkzeugstifts in das Blech erleichtern sowie in den Materialien verweilen, um zwei Werkstücke zusammenzurühren und den Stiftbereich zu mischen. Schließlich kann der Druck durch die Werkzeugschulterpresse auf die Werkstücke die Verklebung verbessern. Nach dem Schweißvorgang kann der Stift aus dem Schlüsselloch zurückgezogen werden. Die Vorteile von FSSW im Vergleich zu RSW sind eine niedrigere Schweißtemperatur, kein Spritzen und mehr Stabilität im Herstellungsprozess.

Obwohl Studien über die FSSW von fortgeschrittenen hochfesten Stählen (AHSS) von verschiedenen Forschern berichtet wurden, konzentrierten sich Studien über die FSSW von DP590, DP600 und DP780 auf die Mikrostruktur und auf die mechanischen und Fehlermodelle mit verschiedenen Verfahren. rahmen. In der vorliegenden Studie wurde die FSSW aus DP780-Stahl berücksichtigt. Das Protokoll des FSSW-Prozesses wurde detailliert berichtet, und die individuelle Härte in der Rührzone, der thermomechanisch beeinflussten Zone und der wärmebeeinflussten Zone sowie des Grundmetalls wurden anhand der gemessenen Mikrohärte bewertet.

Mit dem kontinuierlichen Wachstum und der hohen Nachfrage nach Gewichtsreduktion in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie zeigt die Automobilindustrie ein wachsendes Interesse an AHSS und Rundenverbindungen. Zum Beispiel hat die herkömmliche Stahlkarosserie eines Autos im Durchschnitt mehr als 2.000 Punktschweißrundenverbindungen¹¹. Es gibt 3 gängige Schweißverfahren für Rundenverbindungen, die in der Industrie verwendet werden, einschließlich Widerstandspunktschweißen, Laserpunktschweißen und Reibpunktschweißen¹². Eine Möglichkeit, das Gewicht zu verringern, ist die Verwendung fortschrittlicher hochfester Stähle (AHSS). Die beliebtesten Werkstoffe sind zweiphasige und transformationsinduzierte Plastizitätsstähle(TRIP), die zunehmend in der Automobilindustrie 13^,14,15,16eingesetzt werden. Da die Automobilindustrie die Festigkeitsstandards aufgrund des verbesserten Kraftstoffverbrauchs und der Crash-Energieaufnahme unter einem verringerten Fahrzeuggewicht erhöht hat, wird der Einsatz unterschiedlicher Materialien und Schweißverfahren zu einem wichtigen Thema.

Protokoll

1. Materialaufbereitung

HINWEIS: Maschine die 1,6 mm dicken DP780 Blätter in 40 mm x 125 mm Coupons. Die FSSW-Verbindungen sind als Rundenscherproben für die mechanischen Prüfungen konzipiert. Verbinden Sie zwei 125 mm x 40 mm Bleche mit einer Überlappung von 35 mm x 40 mm nach RSW-Norm NF ISO 18278-2; 2005. Ein Geometrie-Design polykristallines Diamantwerkzeug mit abgeschnittener Kegelschulter. Der Geometrieentwurf ist in Abbildung 1adargestellt. Der Durchmesser des Stiftes beträgt 5 mm; die Länge beträgt 2,5 mm, die Schulterbreite 10 mm. Der echte Werkzeugstift ist in Abbildung 1bdargestellt.

1. Sicherheitsrichtlinien
   1. Verwenden Sie Geräte wie Kapuze oder Blende, Schutzbrille und Handschuhe.
   2. Stehen Sie hinter der Kapuze oder der Waffel. Tragen Sie Eine Brille und Handschuhe, um Spritzkontakt oder Hitzeschäden zu vermeiden.
2. FSSW-Maschineneinstellung
   1. Herstellung aller Verbindungen mit einer MIRDC-geschweichen Schweißmaschine.
   2. Zeichnen Sie die Axialkraft und Eindringtiefe von Z bei jedem Fügevorgang mit dem Embedded Data Acquisition (DAQ)-System auf.
3. Parametereinstellungen
   1. Verwenden Sie in dieser Studie die folgenden Parameter: eine Werkzeugstiftdrehzahl von 2.500 Umdrehungen pro Minute, 4 s Werkzeugstiftverweilzeit und eine Rate von 0,5 mm/s Werkzeugstift,-Absturz in das Blech.
   2. Optimieren Sie die Parameter für den Operator. Der Bereich der Drehzahl beträgt 1.000- 2.500 Rpm. Der Bereich der Verweilzeit kann von 2-10 s sein, und die Tauchrate kann 0,1-0,5 mm/s betragen.

2. Verfahren

HINWEIS: Der Arbeitsbereich ist in Abbildung 2dargestellt. Alle Herstellungsverfahren werden im Arbeitsbereich abgeschlossen. Vor dem Verfahren bestehen die Schweißprozessabläufe aus einer Kombination von Werkzeugrotationen und Eindringtiefen sowie einer Reihe von Sequenzen, einschließlich Vorwärmung, Tauchen, Wohnen, Einziehen und Nachheizen. Alle Schritte sind in Abbildung 3 in Form eines Arbeitsflussdiagramms dargestellt.

1. DP780 Werkstückvorbereitung
   1. Stellen Sie vor dem Schweißprozess sicher, dass keine Verunreinigungssubstrate vorhanden sind, die die Werkstücke kontaminieren. Verwenden Sie gestrickte Mikrofasergewebe, um die Oberfläche des Werkstücks abzuwischen, um kleine Partikel zu beseitigen.
2. Legen Sie das Werkstück DP780 und klemmen Sie 2 DP780-Platten (Größe: 125 mm x 40 mm) mit einer Überlappung von 35 mm. Befestigen Sie die sauberen Werkstücke auf einem Amboss, um eine Verschiebung zu verhindern.
3. Stellen Sie sicher, dass der Stift sauber ist, um eine Verunreinigung des unreinen Substrats zu verhindern. Verwenden Sie gestrickte Mikrofasergewebe, um die Oberfläche des Werkzeugstifts abzuwischen, um kleine Partikel zu beseitigen.
4. Befestigen Sie den Stift mit einer Klemme an der Maschine.
   1. Schrauben Sie den Werkzeugstift wieder fest für Werkzeugstiftklemmen.
   2. Achten Sie auf den Stiftspannschritt. Stellen Sie sicher, dass der Stift fest in der Maschine geklemmt ist, um Gefahren zu vermeiden. Das rotierende Werkzeug ist von einem nicht rotierenden Spannring umgeben, mit dem die Werkstücke vor und während des Schweißens durch Aufbringen einer Spannkraft fest gegeneinander gedrückt werden. In der Abbildung 3a wird der Klemmring notiert, mit dem der Werkzeugstift befestigt wird. Nach diesem Schritt wird die Produktion im Flussdiagramm angezeigt.
   3. Sorgen Sie für Sicherheit.
   4. Vergewissern Sie sich, dass sich der Hochgeschwindigkeitsdrehstift ohne Klemmring löst. Wenn der Werkzeugstift auf der Maschine platziert wird, stellen Sie sicher, dass sich der Werkzeugstift während der Drehung aus Sicherheitsgründen nicht von der Klemme trennt. Der Werkzeugstift verwendet eine niedrige Rotationsrate von 10 bis 100 Rpm in 1 Minute. Die Geschwindigkeit kann innerhalb von 1 Minute von 100 auf 1.000 Rpm beschleunigt werden (Abbildung 3b).
5. Maschineneinstellungen
   1. Verwenden Sie die folgenden Parameter: eine Drehzahl von 3.000 Umdrehungen pro Minute, eine Verweilleistung von 4 s und eine Tauchgeschwindigkeit von 0,5 mm/s (Abbildung 3c).
6. Kalibrieren Sie den Schweißort (Abbildung3d und das in Abbildung 4adargestellte reales Produkt ).
   1. Stellen Sie den Stift in die Rührpunktschweißmaschine ein. Der Abstand zwischen stiftundig und werkstück ist kleiner als 5 cm, um die Fugenposition zu kalibrieren. Nachdem der Standort bestätigt wurde, gehen Sie zum Schweißprozess über.
7. Tragen Sie beim Schweißen Eine Brille und Handschuhe, um Verletzungen zu vermeiden.
   1. Beginnen Sie den Schweißprozess mit dem Werkzeug unter Hochgeschwindigkeitsdrehung, um den Werkzeugstift in das Werkstück zu stürzen. Die Werkzeugschulter kontaktiert die Werkstücke und stoppt die Drehung und zieht den Stift zurück.
8. tief
   1. Schalten Sie die Rührtaste ein. Wenn sich die Maschine erwärmt, vergewissern Sie sich, dass der Werkzeugstift konstant mit einer Drehzahl von 2.500 Umdrehungen arbeitet. Stellen Sie sicher, dass der Werkzeugstift gut unter der Hochgeschwindigkeitsdrehung bei 2.500 U/min geklemmt ist. Der Stift taucht unter einer Hochgeschwindigkeitsdrehung in die Werkstücke ein und die Schulter kontaktiert die Werkstücke mit hoher Winkelgeschwindigkeit (Abbildung3e). Das reale Produkt ist in Abbildung 4bdargestellt.
9. bewegend
   1. Wenn der gestürzte Werkzeugstift weiter im Werkstück rührt, erweichen Sie die Schnittstelle des Stifts und des Materials von der Reibungswärme, um das Korn zu erzeugen. Wenn die Schulter des Werkzeugstifts mit der Oberseite des Werkstücks in Kontakt kommt, stoppen Sie den Prozess, da die hohe Drehung des Werkzeugstifts hohe Temperaturen erzeugen kann. Es ist wichtig, Schutzausrüstung zu tragen, die die Betriebssicherheit gewährleistet (siehe Abbildung 3f.) Das reale Produkt ist in Abbildung 4cdargestellt.
10. Zurückziehen
    1. Zeichnen Sie den Werkzeugstift in vertikaler Richtung aus. Nach dem Eingriff erzeugt der Stift den Schlüsselloch-Schweißpunkt im Rundengelenk. Beachten Sie, dass die Reibungsrührpunktschweißung in diesem Schritt stoppt (Abbildung 3g). Das reale Produkt ist in Abbildung 4edargestellt.
11. Entfernen Sie die Werkstücke.
    1. Schalten Sie die Maschinenleistung aus.
    2. Nachdem das Schweißen abgeschlossen ist, entfernen Sie die Werkstücke aus dem Amboss. Beobachten Sie die Proben auf Risse und mangelnde Fusion.
    3. Entfernen Sie den Werkzeugstift.
    4. Entfernen Sie nach dem Eingriff den Werkzeugstift aus dem Klemmring. Das Aussehen des Werkzeugstifts wird beobachtet und überprüft (Abbildung 5).

3. Mechanische Eigenschaftsbewertung

1. Mikroskopische Untersuchung der FSSW-Schweißnähte (Abbildung 3h)
   1. Mikroskopische Probenvorbereitung
   2. Messen Sie den Querschnittsbereich des gebundenen Bereichs mit einem optischen Mikroskopbild und einer sekundären Elektronenbildanalyse. Bereiten Sie die mikroskopischen Proben mit geerdeten Siliziumkarbidpapier mit einer Körnungsgröße von 200 bis 2.000 ab einer Körnungsgröße von 200 und einer Vergrößerung in der Reihenfolge vor. Polieren Sie die Proben mit 0,03% Aluminiumoxid und Ätze mit einer 4% Nitallösung für 7-10 s bei Raumtemperatur.
   3. Mikroskopiebeobachtung
   4. Beobachten und charakterisieren Sie die Mikrostrukturen mittels optischer Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie. Verwenden Sie eine Spannung von 20 kV und einen Arbeitsabstand von 10 m. Aus der optischen Mikroskopie kann jede winzige Risslinie oder das Fehlen einer Fusionszone bestimmt werden. Verwenden Sie die Rasterelektronenmikroskopie, um die Martensit- und Austenitverteilung und die Korngröße zu analysieren.
2. Mikrohärte
   1. Überprüfen Sie die Mikrohärteexperimente mehr als 3 Mal. Die Werte waren zu klein, um die Standardabweichung eindeutig zu bezeichnen.
   2. Drücken Sie den Vickers-Diamanteinzug mit einer 300 g Prüflastprobe und 0,5 mm pro Test.
   3. Führen Sie die Mikrohärteprüfung des Stahlblechs DP780 mit einer Mikrohärteprüfmaschine mit einer Last von 300 g und einer Haltezeit von 15 s durch. Die Mikrohärteprüfung ergab die Härteverteilung und die einzelnen Härtewerte in der Rührzone, der thermomechanischen Einflusszone, der wärmebeeinflussten Zone und im Grundmetall der Schweißnähte.

Ergebnisse

Es gibt ein Diagramm in Abbildung 3, das zeigt, dass der Reibungsrührpunktschweißprozess aus 3 Teilen besteht: Tauchen (Abbildung 3e), Rühren (Abbildung 3f) und Einziehen (Abbildung 3g). In unserer Forschung konnte der Schweißfleck erzeugt werden. Die Eindringtiefe ist ein Faktor, der ausgewertet wurde. In Abbildung 6aerstellt die FSSW das S...

Diskussion

Die Sturzphase ist die wichtigste während des FSSW-Prozesses. Ohne genügend Reibungswärme, die von der Schulter des Stifts kommt, um das Werkstück zu erweichen, wird der Stift brechen. Werkzeuggeometrie, Rotationsgeschwindigkeit, Verweilzeit und Werkzeugeindringtiefe²⁶ Parameter des FSSW-Prozesses spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Gelenkintegrität. TPD und Werkzeuggeometrie²⁷ haben insbesondere einen wichtigen Einfluss auf die Schweißbarkeit und Fugene...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Amboss	MIRDC		hergestellt von MIRDC
DP780	China Steel Corporation	CSC DP780
Rührpunktschweißmaschine	MIRDC		hergestellt von MIRDC
Werkzeugstift	KINIK FIRMA DBN2B005B