Generowanie połączeń zakładkowych poprzez zgrzewanie punktowe z tarciem i przemieszaniem na stali DP780

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół zgrzewania punktowego z tarciem z przemieszaniem (FSSW) na dwufazowej stali 780. Kołek narzędziowy z dużą prędkością obrotową wytwarza ciepło z tarcia, aby zmiękczyć materiał, a następnie kołek zanurza się w 2 połączeniach arkuszy, tworząc połączenie zakładkowe.

Streszczenie

Zgrzewanie punktowe z przemieszaniem tarciowym (FSSW), pochodna zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (FSW), jest techniką spawania w stanie stałym, która została opracowana w 1991 roku. W 2003 roku w przemyśle motoryzacyjnym znaleziono zastosowanie przemysłowe dla stopu aluminium, który był używany w tylnych drzwiach samochodów. Zgrzewanie punktowe z tarciem z przemieszaniem jest najczęściej stosowane w stopach aluminium do tworzenia połączeń zakładkowych. Korzyści płynące ze zgrzewania punktowego z tarciowym przemieszaniem obejmują prawie 80% temperaturę topnienia, która obniża odkształcenia termiczne spoin bez rozpryskiwania w porównaniu ze zgrzewaniem punktowym oporowym. Zgrzewanie punktowe z przemieszaniem tarciowym składa się z 3 etapów: wgłębnego, mieszania i wycofywania. W niniejszym badaniu inne materiały, w tym stal o wysokiej wytrzymałości, są również stosowane w metodzie zgrzewania tarciowego z przemieszaniem do tworzenia połączeń. DP780, którego tradycyjny proces spawania polega na zastosowaniu punktowego zgrzewania oporowego, jest jednym z kilku materiałów stalowych o wysokiej wytrzymałości stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym. W artykule DP780 został użyty do zgrzewania punktowego z tarciem z przemieszaniem, a także zmierzono jego mikrostrukturę i mikrotwardość. Dane mikrostrukturalne wykazały, że istnieje strefa fuzji z drobnoziarnistym ziarnem i strefa efektu cieplnego z martenzytem wyspowym. Wyniki mikrotwardości wykazały, że strefa środkowa wykazywała większy stopień twardości w porównaniu z metalem nieszlachetnym. Wszystkie dane wskazują, że zgrzewanie punktowe z przemieszaniem tarciowym stosowane w stali dwufazowej 780 może stworzyć dobre połączenie zakładkowe. W przyszłości zgrzewanie punktowe z przemieszaniem tarciowym może być stosowane w spawaniu stali o wysokiej wytrzymałości stosowanej w przemysłowych procesach produkcyjnych.

Wprowadzenie

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSW) zostało po raz pierwszy zgłoszone w 1991 roku w TWI, Abington, UK¹. W 2003 roku Piccini i Svoboda opracowali lepszą metodę zwiększania zalet FSW, zwaną zgrzewaniem punktowym z przemieszaniem tarciowym (FSSW) do stosowania w komercyjnych procesach produkcji samochodów². Metoda FSSW polega na tworzeniu połączenia zakładkowego punktowego bez topnienia powierzchni masowej. Najważniejszym osiągnięciem w zakresie zastosowania FSSW było zastosowanie w stopach aluminium, ponieważ stopy aluminium odkształcają się w procesie spawania w warunkach wysokiej temperatury. Pierwszy udany przykład miał miejsce w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie FSSW został wykorzystany do produkcji całych tylnych drzwi Mazdy RX-8^1,3,4.

Tymczasem, stal o wysokiej wytrzymałości jest dominującym materiałem karoserii, szczególnie stal dwufazowa. Literatura wskazuje, że DP600 wyprodukowany z FSSW może mieć takie same właściwości jak metal nieszlachetny, gdzie wszystkie obszary spawania mają podobne mikrostruktury i stopnie twardości⁵. Metody FSSW dotyczące zastosowania stali DP w ich mikrostrukturze strefy mieszania (SZ), strefy wpływu termomechanicznego (TMAZ) oraz model uszkodzenia stali DP590 i DP600 były badane przez kilku badaczy. Zaobserwowali różnice w konsystencji mikrostruktury (ferryt, bainit i martenzyt) stali DP590 i DP600 przy różnych prędkościach obrotowych^6,7,8,9,10. Niektórzy badacze przeprowadzili badania porównawcze FSSW i RSW dla DP780 steel^8,9. Stwierdzili, że dłuższe czasy łączenia i wyższe prędkości obrotowe narzędzia skutkowały zwiększeniem powierzchni łączenia dla wszystkich wgłębów, co doprowadziło do większej siły ścinającej i przesunęło tryb z międzyfazowego na wyciąganie. Doszli również do wniosku, że FSSW ma wyższą wytrzymałość niż RSW. Proces FSSW składa się z 3 etapów: zanurzania, mieszania i wycofywania. Pierwszym krokiem jest zanurzenie za pomocą sworznia narzędzia obrotowego w pobliżu arkusza złącza zakładkowego i wpuszczonego w arkusz. Obracające się ramię narzędzia w procesie FSSW może generować ciepło tarcia. W drugim kroku ciepło może zmiękczyć arkusz i ułatwić zatkanie sworznia narzędzia w arkuszu, a także zamieszkać w materiałach, aby wymieszać ze sobą dwa elementy i wymieszać wokół obszaru kołka. Wreszcie, nacisk wywierany przez prasę ramienia narzędzia na obrabiane przedmioty może poprawić wiązanie. Po procesie spawania kołek można schować z dziurki od klucza. Zalety FSSW w porównaniu z RSW to niższa temperatura spawania, brak rozpryskiwania i większa stabilność w procesie produkcyjnym.

Mimo że badania nad FSSW zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS) były zgłaszane przez różnych badaczy, badania nad FSSW DP590, DP600 i DP780 koncentrowały się na mikrostrukturze oraz na modelach mechanicznych i uszkodzeń wykorzystujących różne parametry procesu. W niniejszym badaniu uwzględniono FSSW stali DP780. Szczegółowo opisano protokół procesu FSSW, a na podstawie zmierzonej mikrotwardości oceniono indywidualną twardość w strefie mieszania, strefie wpływu termomechaniczno-mechanicznego i strefie wpływu ciepła, a także metal nieszlachetny.

Wraz z ciągłym wzrostem i dużym zapotrzebowaniem na redukcję wagi w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, przemysł motoryzacyjny wykazał rosnące zainteresowanie AHSS i przegubami zakładkowymi. Na przykład konwencjonalna stalowa karoseria samochodu ma średnio ponad 2 000 połączeń zakładkowych do spawania punktowego¹¹. Istnieją 3 popularne procesy spawania połączeń zakładkowych stosowanych w przemyśle, w tym punktowe zgrzewanie oporowe, laserowe zgrzewanie punktowe i tarciowe zgrzewanie punktowe¹². Jednym ze sposobów na zmniejszenie masy jest zastosowanie zaawansowanych stali o wysokiej wytrzymałości (AHSS). Najpopularniejszymi materiałami są stale dwufazowe i plastyczne indukowane transformacją (TRIP), które są coraz częściej stosowane w przemyśle motoryzacyjnym^13,14,15,16. Ponieważ przemysł motoryzacyjny podniósł standardy wytrzymałości ze względu na lepsze zużycie paliwa i absorpcję energii zderzenia przy zmniejszonej masie pojazdu, stosowanie różnych materiałów i procesów spawania staje się ważną kwestią.

Protokół

1. Przygotowanie materiału

UWAGA: Obrabiaj arkusze DP780 o grubości 1,6 mm na kupony o wymiarach 40 mm x 125 mm. Połączenia FSSW są zaprojektowane jako próbki do badań mechanicznych na ścinanie. Połączyć dwa arkusze o wymiarach 125 mm na 40 mm z zakładką 35 mm na 40 mm zgodnie z normą RSW NF ISO 18278-2; 2005. Narzędzie z polikrystalicznego diamentu do projektowania geometrii z kołnierzem ze ściętym stożkiem. Projekt geometrii jest pokazany w Rysunek 1a. Średnica sworznia wynosi 5 mm; Długość wynosi 2,5 mm, a szerokość ramion 10 mm. Prawdziwy pin narzędzia jest pokazany w Rysunek 1b.

1. Zasady bezpieczeństwa
   1. Do ochrony używaj urządzeń, takich jak kaptur lub przegroda, gogle i rękawice.
   2. Stań za maską lub przegrodą. Noś okulary i rękawice, aby zapobiec kontaktowi z rozpryskami lub uszkodzeniom cieplnym.
2. Ustawienia maszyny FSSW
   1. Wyprodukuj wszystkie połączenia za pomocą zgrzewarki tarciowej z przemieszaniem wyprodukowanej przez MIRDC.
   2. Rejestruj siłę osiową Z i głębokość penetracji podczas każdej operacji łączenia za pomocą wbudowanego systemu akwizycji danych (DAQ).
3. Ustawienia parametrów
   1. W tym badaniu należy wziąć pod uwagę następujące parametry: prędkość obrotową sworznia narzędzia wynoszącą 2 500 obr./min, czas przebywania sworznia narzędzia wynoszący 4 s oraz szybkość zanurzania sworznia narzędzia w arkuszu o wartości 0,5 mm/s.
   2. Zoptymalizuj parametry dla operatora. Zakres prędkości obrotowej wynosi 1 000- 2 500 obr./min. Zakres czasu przebywania może wynosić od 2 do 10 s, a szybkość zanurzania może wynosić 0,1-0,5 mm/s.

2. Procedura

UWAGA: Przestrzeń robocza jest pokazana w Rysunek 2. Wszystkie procesy produkcyjne są wykonywane w przestrzeni roboczej. Przed zabiegiem sekwencje procesu spawania składają się z kombinacji obrotów narzędzia i głębokości wtopienia, a także serii sekwencji, w tym podgrzewania wstępnego, zagłębiania, osadzania, chowania i nagrzewania końcowego. Wszystkie kroki są pokazane w Rysunek 3 w formie schematu blokowego.

1. Przygotowanie detalu DP780
   1. Przed procesem spawania należy upewnić się, że nie ma zanieczyszczeń zanieczyszczających obrabiane przedmioty. Użyj dzianin z mikrofibry, aby wytrzeć powierzchnię obrabianego przedmiotu, aby wyeliminować wszelkie małe cząstki.
2. Umieść obrabiany przedmiot DP780 i zaciśnij 2 arkusze DP780 (rozmiar: 125 mm x 40 mm) z zakładką 35 mm. Zamocuj czyste elementy na kowadle, aby zapobiec przesuwaniu się.
3. Upewnij się, że kołek jest czysty, aby zapobiec zanieczyszczeniu podłoża. Użyj dzianiny z mikrofibry, aby przetrzeć powierzchnię kołka narzędzia, aby wyeliminować małe cząsteczki.
4. Zamocuj kołek za pomocą zacisku na maszynie.
   1. Ponownie mocno przykręć sworzeń narzędzia, aby zacisnąć sworzeń narzędzia.
   2. Zwróć uwagę na krok zaciskania sworznia. Upewnij się, że sworzeń jest mocno zaciśnięty w maszynie, aby uniknąć niebezpieczeństwa. Obracające się narzędzie jest otoczone nieobrotowym pierścieniem zaciskowym, za pomocą którego obrabiane elementy są mocno dociskane do siebie przed i podczas spawania poprzez przyłożenie siły zacisku. Ilustracja pokazana w Rysunek 3a przedstawia pierścień zaciskowy używany do mocowania trzpienia narzędzia. Po tym kroku produkcja jest pokazana na schemacie blokowym.
   3. Zadbaj o bezpieczeństwo.
   4. Upewnij się, że sworzeń obrotowy o dużej prędkości obrotowej bez pierścienia zaciskowego poluzował się. Po umieszczeniu sworznia narzędzia na maszynie należy upewnić się, że sworzeń narzędzia nie oddziela się od clamp podczas obracania ze względów bezpieczeństwa. Trzpień narzędziowy wykorzystuje niską prędkość obrotową od 10 do 100 obr./min w ciągu 1 minuty. Prędkość może wzrosnąć od 100 do 1000 obr./min w ciągu 1 minuty (Rysunek 3b).
5. Ustawienia maszyny
   1. Użyj następujących parametrów: prędkość obrotowa 3 000 obr./min, czas oporu 4 s i prędkość zanurzania 0,5 mm/s (Rysunek 3c).
6. Skalibruj miejsce spawania ( Rysunek 3d i rzeczywisty produkt pokazany na Rysunek 4a).
   1. Ustawić kołek w zgrzewarce punktowej z mieszadłem. Odstęp między sworzniem a obrabianym przedmiotem jest mniejszy niż 5 cm, aby skalibrować położenie złącza. Po potwierdzeniu lokalizacji przejdź do procesu spawania.
7. Podczas spawania noś okulary i rękawice, aby uniknąć obrażeń.
   1. Rozpocznij proces spawania, gdy narzędzie obraca się z dużą prędkością, aby zanurzyć kołek narzędzia w obrabianym przedmiocie. Ramię narzędzia styka się z obrabianymi przedmiotami i zatrzymuje obrót oraz chowa sworzeń.
8. Tłoczenie
   1. Włącz przycisk mieszania. Gdy maszyna się rozgrzeje, upewnij się, że sworzeń narzędzia stale pracuje z prędkością obrotową 2,500 obr./min. Upewnij się, że trzpień narzędzia jest dobrze zaciśnięty przy dużej prędkości obrotowej przy 2,500 obr./min. Sworzeń zanurza się w obrabianych przedmiotach pod wpływem dużego obrotu, a ramię styka się z obrabianymi przedmiotami z dużą prędkością kątową (Rysunek 3e). Rzeczywisty produkt jest pokazany w Rysunek 4b.
9. Mieszając
   1. Gdy zanurzony trzpień narzędzia nadal miesza się w obrabianym przedmiocie, zmiękcz powierzchnię styku kołka i materiału z ciepła tarcia, aby wytworzyć ziarno. Gdy ramię sworznia narzędzia zetknie się z górną częścią przedmiotu obrabianego, przerwij proces, ponieważ wysoki obrót sworznia narzędzia może generować wysokie temperatury. Ważne jest, aby nosić odzież ochronną, która zapewnia bezpieczeństwo operacyjne (patrz Rysunek 3f.) Rzeczywisty produkt jest pokazany w Rysunek 4c.
10. Wciągania
    1. Wyciągnij kołek narzędzia w kierunku pionowym. Po zabiegu kołek tworzy miejsce zgrzewania w kształcie dziurki od klucza w złączu zakładkowym. Zwróć uwagę, że zgrzewanie punktowe z przemieszaniem ciernym kończy się na tym etapie (Rysunek 3g). Rzeczywisty produkt jest pokazany w Rysunek 4e.
11. Usuń obrabiane przedmioty.
    1. Wyłącz zasilanie maszyny.
    2. Po zakończeniu spawania usuń elementy z kowadła. Obserwuj próbki pod kątem pęknięć i braku stopienia.
    3. Usuń kołek narzędziowy.
    4. Po zabiegu wyjmij kołek narzędziowy z clamp ring. Wygląd kołka narzędzia jest obserwowany i sprawdzany (Rysunek 5).

3. Ocena właściwości mechanicznych

1. Badanie mikroskopowe spoin FSSW (Rysunek 3h)
   1. Przygotowanie próbki mikroskopowej
   2. Zmierz pole przekroju poprzecznego związanego obszaru za pomocą obrazu mikroskopu optycznego i analizy obrazu elektronów wtórnych. Przygotuj mikroskopijne próbki za pomocą zmielonego papieru z węglika krzemu o ziarnistości od 200 do 2 000, zaczynając od wielkości ziarna 200 i zwiększając się w kolejności. Wypoleruj próbki 0,03% tlenkiem glinu i wytrawiaj 4% roztworem nitalu przez 7–10 s w temperaturze pokojowej.
   3. Obserwacja mikroskopowa
   4. Obserwuj i charakteryzuj mikrostruktury za pomocą mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej. Stosować napięcie 20 kV i odległość roboczą 10 μm. Na podstawie mikroskopii optycznej można określić każdą drobną linię pęknięcia lub brak strefy fuzji. Użyj skaningowej mikroskopii elektronowej, aby przeanalizować rozkład martenzytu i austenitu oraz wielkość ziarna.
2. Mikrotwardość
   1. Sprawdź eksperymenty z mikrotwardością więcej niż 3 razy. Wartości były zbyt małe, aby jednoznacznie wskazać odchylenie standardowe.
   2. Dociśnij wgłębnik diamentowy Vickers za pomocą próbki obciążenia testowego 300 g i 0,5 mm na test.
   3. Badanie mikrotwardości blachy stalowej DP780 należy przeprowadzić za pomocą maszyny do badania mikrotwardości o obciążeniu 300 g i czasie utrzymywania 15 s. Badanie mikrotwardości ujawniło rozkład twardości i indywidualne wartości twardości w strefie mieszania, strefie oddziaływania termomechanicznego, strefie wpływu ciepła oraz w metalu podstawowym spoin.

Wyniki

Na schemacie przedstawionym na rysunku 3 zademonstrowano, że proces punktowego spawania tarciem z mieszaniem składa się z 3 etapów: zanurzania (rysunek 3e), mieszania (rysunek 3f) oraz wycofywania (rysunek 3g). W naszych badaniach uzyskano punkt spawania. Jednym z ocenianych czynników była głębokość penetracji. Na rysunku 6a pokazano, że FSS...

Dyskusja

Etap zagłębiania jest najważniejszy podczas procesu FSSW. Bez wystarczającej ilości ciepła tarcia pochodzącego z ramienia sworznia, aby zmiękczyć obrabiany przedmiot, sworzeń pęknie. Geometria narzędzia, prędkość obrotowa, czas przebywania i głębokość penetracji narzędzia²⁶ parametrów procesu FSSW odgrywają kluczową rolę w określaniu integralności połączenia. Stwierdzono, że TPD i geometria narzędzia²⁷ mają szczególnie istotny wpływ na spawalność i właściwości połączenia.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
kowadło	MIRDC		wykonane przez MIRDC
DP780	China steel Corporation	CSC DP780
zgrzewarka punktowa z mieszadłem	MIRDC		wykonana przez
trzpień narzędziowy	MIRDC FIRMA	KINIK DBN2B005B