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Article de méthode

Génération de joints de tour par le soudage de tache de friction sur l'acier dp780

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DOI :

10.3791/58633

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13 août 2019

 , 
1Department of Health and Beauty, Shu Zen College of Medicine and Management, 2Department of Mold and Die Engineering, National Kaohsiung University of Science and Technology

Dans cet article

Résumé

Ici, nous présentons un protocole de soudage de tache de friction (FSSW) sur l'acier de phase 780 de double. Une goupille d'outil avec rotation à grande vitesse génère la chaleur de la friction pour adoucir le matériel, et puis, la goupille plonge dans 2 joints de feuille pour créer l'articulation de tour.

Résumé

Le soudage par emuant (FSSW), un dérivé du soudage à friction (FSW), est une technique de soudage à l'état solide qui a été développée en 1991. Une application de l'industrie a été trouvée dans l'industrie automobile en 2003 pour l'alliage d'aluminium qui a été utilisé dans les portes arrière des automobiles. Le soudage de tache d'agitation de friction est principalement employé dans les alliages d'Al pour créer des joints de tour. Les avantages du soudage de tache de friction incluent une température de fonte de près de 80% qui abaisse les soudures thermiques de déformation sans éclaboussures comparées au soudage de tache de résistance. Le soudage de tache d'agitation de friction comprend 3 étapes : plongeant, remuant, et rétraction. Dans la présente étude, d'autres matériaux, y compris l'acier à haute résistance sont également utilisés dans la méthode de soudage à friction pour créer des joints. Le DP780, dont le processus traditionnel de soudage implique l'utilisation de soudage au point de résistance, est l'un des nombreux matériaux d'acier de haute résistance utilisés dans l'industrie automobile. Dans cet article, DP780 a été utilisé pour le soudage de tache de friction, et sa microstructure et microhardness ont été mesurés. Les données de microstructure ont montré qu'il y avait une zone de fusion avec des grains fins et une zone d'effet de chaleur avec martensite insulaire. Les résultats de microhardness ont indiqué que la zone centrale a montré un plus grand degré de dureté comparé au métal de base. Toutes les données indiquent que le soudage de tache de frottement utilisé dans l'acier 780 en double phase peut créer un bon joint de tour. À l'avenir, le soudage à la tache de frottement peut être utilisé dans le soudage à haute résistance en acier appliqué dans les procédés de fabrication industrielle.

Introduction

Le soudage de friction (FSW) a été rapporté pour la première fois en 1991 à TWI, Abington, ROYAUME-Uni1. En 2003, Piccini et Svoboda ont déterminé une méthode supérieure pour améliorer les avantages de FSW appelé soudage de tache de friction (FSSW) pour une utilisation dans les procédés commerciaux de fabrication d'automobiles2. La méthode FSSW consiste à créer un joint de tour de tache sans la fonte de zone en vrac. Le développement le plus important pour l'utilisation de FSSW a été dans les alliages d'aluminium que les alliages Al se déforment dans le processus de soudage dans des conditions de haute température. Le premier exemple réussi a été dans l'industrie automobile, où FSSW a été utilisé dans la fabrication de toute la porte arrière de la Mazda RX-81,3,4.

Pendant ce temps, l'acier à haute résistance est le matériau dominant de la carrosserie, en particulier l'acier à deux phases. La littérature indique que DP600 produit avec FSSW peut avoir les mêmes propriétés que le métal de base, où toutes les régions de soudage ont des microstructures similaires et des degrés de dureté5. Les méthodes FSSW pour l'utilisation de l'acier DP sur leur microstructure de la zone d'agitation (SZ), la zone thermos-mécaniquement affectée (TMAZ), et le modèle de défaillance de l'acier DP590 et DP600 ont été étudiés par quelques chercheurs. Ils ont observé des différences dans la cohérence de la microstructure (ferrite, bainite, et martensite) de l'acier DP590 et DP600 à diverses vitesses de rotation6,7,8,9,10. Certains chercheurs ont mené des études comparatives de FSSW et RSW pour d'acier DP7808,9. Ils ont signalé que des temps de jointment plus longs et des vitesses de rotation plus élevées des outils ont entraîné une augmentation de la zone de liaison pour tous les plongeons, ce qui a conduit à une force de cisaillement plus élevée et a déplacé le mode de l'interfacial à retirer. Ils ont également conclu que la FSSW avait une résistance plus élevée que RSW. Le processus FSSW comprend 3 étapes : plongeant, remuant et rétractant. La première étape est de plonger avec une goupille d'outil de rotation près de la feuille de l'articulation du tour et branché sur la feuille. L'épaule d'outil rotative dans le processus de FSSW peut produire la chaleur de friction. Dans la deuxième étape, la chaleur peut adoucir la feuille et faciliter le branchement de la goupille de l'outil dans la feuille, ainsi que d'habiter dans les matériaux pour remuer deux pièces ensemble et mélanger autour de la zone de broche. Enfin, la pression de la pression de l'épaule de l'outil sur les pièces de travail peut améliorer la liaison. Après le processus de soudage, la goupille peut être retirée du trou de serrure. Les avantages de FSSW par rapport à RSW sont une température de soudage plus faible, pas d'éclaboussures, et plus de stabilité dans le processus de fabrication.

Même si des études sur la FSSW d'aciers à haute résistance de pointe (AHSS) ont été rapportées par divers chercheurs, des études sur la FSSW de DP590, DP600 et DP780 se sont concentrées sur la microstructure et sur les modèles mécaniques et de défaillance utilisant divers procédés Paramètres. Dans la présente étude, la FSSW de l'acier DP780 a été prise en considération. Le protocole du processus FSSW a été rapporté en détail, et la dureté individuelle dans la zone d'agitation, la zone thermos-mécaniquement affectée, et la zone affectée par la chaleur, ainsi que le métal de base ont été évalués en fonction de la microharditité mesurée.

Avec la croissance continue et la forte demande de réduction de poids dans les industries automobile et aérospatiale, l'industrie automobile a montré un intérêt croissant pour AHSS et joints de tour. Par exemple, le corps en acier conventionnel d'une voiture, en moyenne, a plus de 2.000 joints de soudure spottour 11. Il y a 3 processus communs de soudage pour des joints de tour utilisés dans l'industrie, y compris le soudage de tache de résistance, le soudage de tache de laser, et le soudage de tache de frottement12. Une façon de diminuer le poids est d'utiliser des aciers à haute résistance (AHSS) de pointe. Les matériaux les plus populaires sont les aciers plastiques à double phase et induits par la transformation (TRIP), qui sont de plus en plus utilisés dans l'industrie automobile13,14,15,16. Étant donné que l'industrie automobile a augmenté les normes de résistance en raison de l'amélioration de la consommation de carburant et de l'absorption d'énergie par accident sous une diminution du poids du véhicule, l'utilisation de différents matériaux et procédés de soudage devient un problème important.

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Protocole

1. Préparation des matériaux

REMARQUE : Machineles d'une épaisseur de 1,6 mm d'une drap d'un DP780 en coupons de 40 mm x 125 mm. Les joints FSSW sont conçus comme des spécimens de cisaillement des genoux pour les essais mécaniques. Joignez-vous à deux feuilles de 125 mm sur 40 mm avec un chevauchement de 35 mm sur 40 mm suivant la norme RSW NF ISO 18278-2; 2005. Un outil de diamant polycristallin de conception de géométrie avec une épaule tronquée de cône. La conception de la géométrie est indiquée dans la figure 1a. Le diamètre de la goupille est de 5 mm; la longueur est de 2,5 mm, et la largeur de l'épaule est de 10 mm. La vraie épingle à outils est indiquée dans La figure 1b.

  1. Directives de sécurité
    1. Utilisez des appareils tels qu'une hotte ou une déconcerte, des lunettes et des gants pour se protéger.
    2. Tenez-vous derrière le capot ou le déflecteur. Portez des lunettes et des gants pour éviter les éclaboussures ou les dommages causés par la chaleur.
  2. Réglage de la machine FSSW
    1. Fabriquer tous les joints à l'aide d'une machine à friction ruse faite par MIRDC.
    2. Enregistrez la force axiale Z et la profondeur de pénétration lors de chaque opération de jointure à l'aide du système d'acquisition de données embarquées (DAQ).
  3. Paramètres
    1. Dans cette étude, utilisez les paramètres suivants : une vitesse de rotation de la broche d'outil de 2 500 tr/min, 4 s de temps de séjour de goupille d'outil, et un taux pf 0.5 mm/s de goupille d'outil plongent dans la feuille.
    2. Optimiser les paramètres pour l'opérateur. La vitesse de rotation est de 1 000 à 2 500 tr/min. La plage du temps de séjour peut être de 2-10 s, et le taux de plongeon peut être 0.1-0.5 mm/s.

2. Procédure

REMARQUE : L'espace de travail est indiqué dans la figure 2. Toutes les procédures de fabrication sont effectuées dans l'espace de travail. Avant la procédure, les séquences de processus de soudage sont composées d'une combinaison de rotations d'outils et de profondeurs de pénétration, ainsi que d'une série de séquences, y compris le préchauffage, le plongeon, l'habitation, la rétractation et le post-chauffage. Toutes les étapes sont indiquées dans la figure 3 sous la forme d'un diagramme de flux de travail.

  1. Préparation de la pièce DP780
    1. Avant le processus de soudage, assurez-vous qu'il n'y a pas de substrats impureté contaminant les pièces. Utilisez des tissus tricotés en microfibres pour essuyer la surface de la pièce afin d'éliminer les petites particules.
  2. Placez la pièce DP780 et pincez 2 feuilles DP780 (taille : 125 mm x 40 mm) avec un chevauchement de 35 mm. Fixer les pièces propres sur une enclume pour éviter le déplacement.
  3. Assurez-vous que la goupille est propre pour prévenir la contamination impure du substrat. Utilisez des tissus tricotés en microfibre pour essuyer la surface de la goupille d'outil pour éliminer les petites particules.
  4. Fixer la goupille avec une pince sur la machine.
    1. Vis sur la goupille de l'outil fermement à nouveau pour le serrage de goupille d'outil.
    2. Faites attention à l'étape de serrage de goupille. Assurez-vous que la goupille est serrée dans la machine pour éviter le danger. L'outil rotatif est entouré d'un anneau de serrage non rotatif avec lequel les pièces sont serrées fermement les unes contre les autres avant et pendant le soudage en appliquant une force de serrage. L'illustration montrée dans la figure 3a note l'anneau de pince utilisé pour fixer la goupille d'outil. Après cette étape, la production est affichée dans le diagramme de flux.
    3. Assurer la sécurité.
    4. Confirmez que la goupille de rotation à grande vitesse sans anneau de pince se desserre. Lorsque la goupille d'outil est placée sur la machine, assurez-vous que la goupille d'outil ne se sépare pas de la pince pendant la rotation pour des raisons de sécurité. La goupille d'outil utilise un faible taux de rotation de 10 à 100 tr/min en 1 minute. La vitesse peut s'accélérer de 100 à 1000 tr/min en 1 minute (figure 3b).
  5. Paramètres de la machine
    1. Utilisez les paramètres suivants : une vitesse de rotation de 3 000 tr/min, une dilanéde de 4 s et un taux de plongeon de 0,5 mm/s (figure3c).
  6. Calibrer l'emplacement de soudage (figure3d et le produit réel présenté à la figure 4a).
    1. Mettre la goupille dans la machine à remuer spot soudeur. L'espace entre la goupille et la pièce est plus petit que 5 cm pour calibrer l'emplacement de l'articulation. Une fois l'emplacement confirmé, passez au processus de soudage.
  7. Pendant le soudage, portez des lunettes et des gants pour éviter les blessures.
    1. Commencez le processus de soudage avec l'outil sous rotation à grande vitesse pour plonger la goupille de l'outil dans la pièce. L'épaule de l'outil contacte les pièces et arrête la rotation et rétracte la broche.
  8. plongeant
    1. Allumez le bouton remuer. Lorsque la machine se réchauffe, confirmez que la goupille de l'outil fonctionne constamment à une vitesse de rotation de 2 500 tr/min. Assurez-vous que la goupille de l'outil est bien serrée sous la rotation à grande vitesse à 2 500 tr/min. La broche plonge dans les pièces sous une rotation à grande vitesse et l'épaule entre en contact avec les pièces à une vitesse angulaire élevée (Figure 3e). Le produit réel est indiqué dans la figure 4b.
  9. passionnant
    1. Pendant que la goupille d'outil plongeante continue d'remuer dans la pièce, adoucir l'interface de la goupille et le matériel de la chaleur de frottement pour créer le grain. Lorsque l'épaule de la goupille d'outil entre en contact avec le dessus de la pièce, arrêtez le processus parce que la rotation élevée de la goupille d'outil peut générer des températures élevées. Il est important de porter un équipement de protection qui assure la sécurité opérationnelle (voir la figure 3f.) Le produit réel est indiqué dans la figure 4c.
  10. Rétractant
    1. Dessinez la goupille d'outil dans la direction verticale. Après la procédure, la goupille crée la tache de soudage du trou de clé dans l'articulation du tour. Notez que la soudure de tache de frottement s'arrête dans cette étape (figure 3g). Le produit réel est indiqué dans la figure 4e.
  11. Retirez les pièces.
    1. Éteignez l'alimentation de la machine.
    2. Une fois le soudage terminé, retirez les pièces de l'enclume. Observez les échantillons pour les fissures et le manque de fusion.
    3. Retirez la goupille de l'outil.
    4. Après la procédure, retirer la goupille de l'outil de l'anneau de pince. L'apparence de la goupille d'outil est observée et vérifiée (Figure 5).

3. Évaluation mécanique des biens

  1. Examen de microscopie des soudures FSSW (Figure 3h)
    1. Préparation microscopique de l'échantillon
    2. Mesurer la zone transversale de la région collée à l'aide d'une image au microscope optique et d'une analyse secondaire de l'image électronique. Préparer les échantillons microscopiques à l'aide de papier carbure de silicium moulu avec une taille de grain allant de 200 à 2000 en commençant par une taille de grain de 200 et en augmentant dans l'ordre. Polir les échantillons avec 0,03% d'alumine et d'équilage avec une solution nitale de 4% pour 7 à 10 s à température ambiante.
    3. Observation par microscopie
    4. Observez et caractérisez les microstructures à l'aide de la microscopie optique et de la microscopie électronique à balayage. Utilisez une tension de 20 kV et une distance de travail de 10 m. À partir de la microscopie optique, n'importe quelle ligne de fissure minuscule ou l'absence d'une zone de fusion peut être déterminée. Utilisez la microscopie électronique à balayage pour analyser la distribution de martensite et d'austenite et la taille du grain.
  2. Microhardité
    1. Vérifier les expériences de microdurité plus de 3 fois. Les valeurs étaient trop petites pour indiquer clairement l'écart type.
    2. Appuyez sur l'indenter de diamant Vickers avec un échantillon de charge d'essai de 300 g et 0,5 mm par essai.
    3. Effectuer les essais de microdurité de la tôle d'acier DP780 à l'aide d'une machine d'essai de microhardit avec une charge de 300 g et un temps de rétention de 15 s. Les tests de microdurité ont révélé la distribution de la dureté et les valeurs de dureté individuelles dans la zone d'agitation, la zone d'affect thermomécanique, la zone affectée par la chaleur, et dans le métal de base des soudures.

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Résultats

Il y a un diagramme dans la figure 3 qui démontre que le processus de soudage de tache de frottement est composé de 3 parties : plongeant ( figure3e),remuant (figure 3f),et rétractant (figure 3g). Dans nos recherches, le point de soudage pourrait être généré. La profondeur de pénétration est un facteur qui a été évalué. Dans la figure 6a, le...

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Discussion

L'étape de plongée est la plus importante pendant le processus FSSW. Sans assez de chaleur de frottement provenant de l'épaule de la broche pour adoucir la pièce, la broche se fracturera. La géométrie de l'outil, la vitesse de rotation, le temps d'arrêt et la profondeur de pénétration de l'outil26 paramètres du processus FSSW jouent un rôle essentiel dans la détermination de l'intégrité des articulations. La dpJ et la géométrie de l'outil27 ont particulièrement un effet imp...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

Nous remercions le Dr K. C. Yang de la China-Steel Company pour son soutien matériel et tenons à exprimer notre gratitude à M. L.D. Wang, C. K. Wang et B. Y. Hong au MIRDC pour leur aide auprès de la FSSW expérimentale. Cette recherche a été soutenue par le Metal Industries Research and Development Centre, Kaohsiung, Taiwan, ROC.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
enclumeMIRDCfabriquée par MIRDC
DP780China steel CorporationCSC DP780
machine à souder par points de malaxageMIRDCfabriquée par MIRDC
goupille d’outilKINIK COMPANYDBN2B005B

Références

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