Gerando junções de regaço através da soldadura do ponto do stir da fricção no aço DP780

Engineering

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Summary

Aqui, nós apresentamos um protocolo da soldadura do ponto da agitação da fricção (FSSW) no aço duplo da fase 780. Um pino da ferramenta com rotação de alta velocidade gera o calor da fricção para amaciar o material, e então, o pino mergulha em 2 junções da folha para criar a junção de regaço.

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Hsu, T. I., Tsai, M. H. Generating Lap Joints Via Friction Stir Spot Welding on DP780 Steel. J. Vis. Exp. (150), e58633, doi:10.3791/58633 (2019).

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Abstract

A soldadura do ponto da agitação da fricção (FSSW), um derivado da soldadura do stir da fricção (FSW), é uma técnica do sólido-estado da soldadura que seja desenvolvida em 1991. Um aplicativo da indústria foi encontrado na indústria automotiva em 2003 para a liga de alumínio que foi usado nas portas traseiras de automóveis. A soldadura do ponto da agitação da fricção é usada na maior parte em ligas do Al para criar junções de regaço. Os benefícios da soldadura do ponto da agitação da fricção incluem uma temperatura de derretimento de quase 80% que abaixe as soldas da deformação térmica sem espirrar comparado à soldadura do ponto da resistência. A soldadura do ponto da agitação da fricção inclui 3 etapas: mergulhando, agitando, e retração. No presente estudo, outros materiais, incluindo aço de alta resistência, também são usados no método de soldagem por atrito para criar articulações. DP780, cujo o processo tradicional da soldadura envolve o uso da soldadura do ponto da resistência, é um de diversos materiais de aço de grande resistência usados na indústria automotriz. Neste trabalho, DP780 foi utilizado para a soldagem por fricção, e sua microestrutura e microdureza foram mensuradas. Os dados da microestrutura mostraram que havia uma zona da fusão com grão fino e uma zona do efeito do calor com Martensite do console. Os resultados da microdureza indicaram que a zona central exibiu maior grau de dureza em relação ao metal de base. Todos os dados indicaram que o atrito agitar ponto de solda usado em dupla fase de aço 780 pode criar uma boa junção de volta. No futuro, a soldadura do ponto do stir da fricção pode ser usada na soldadura de aço de grande resistência aplicada em processos industriais da fabricação.

Introduction

A soldadura do stir da fricção (FSW) foi relatada primeiramente em 1991 em TWI, Abington, Reino Unido1. Em 2003, Piccini e Svoboda determinaram um método superior de realçar as vantagens de FSW chamada soldadura do ponto da agitação da fricção (FSSW) para o uso em processos de fabricação comerciais do automóvel2. O método FSSW envolve a criação de uma junção de volta Spot sem derretimento da área em massa. O desenvolvimento mais importante para o uso da FSSW tem sido em ligas de alumínio, pois as ligas de Al se deformam no processo de soldagem condições de alta temperatura. O primeiro exemplo bem-sucedido foi na indústria automotiva, onde a fssw foi usada na fabricação de toda a porta traseira do RX-81,3,4 daMazda.

Enquanto isso, aço de alta resistência é o material dominante do corpo do carro, especificamente de aço de dupla fase. A literatura indica que DP600 produzidos com FSSW podem ter as mesmas propriedades que o metal de base, onde todas as regiões de soldagem possuem microestruturas e graus de dureza semelhantes5. Os métodos de FSSW para o uso do aço do DP em sua microestrutura da zona do stir (SZ), da zona thermos-mecanicamente afetada (TMAZ), e do modelo da falha de aço DP590 e DP600 foram estudados por alguns investigadores. Observaram diferenças na consistência da microestrutura (ferrite, bainite e martensita) de aço DP590 e DP600 em várias velocidades de rotação6,7,8,9,10. Alguns pesquisadores realizaram estudos comparativos de fssw e RSW para DP780 aços8,9. Eles relataram que tempos de junção mais longos e velocidades de rotação de ferramenta mais elevadas resultaram em uma área de colagem aumentada para todos os mergulhos, o que levou a uma maior força de cisalhamento e deslocou o modo de interfacial para puxar para fora. Concluíram também que a FSSW tinha uma força maior que a RSW. O processo FSSW inclui 3 etapas: mergulhando, mexendo e retração. A primeira etapa é mergulhar com um pino da ferramenta da rotação perto da folha da junção de regaço e obstruída na folha. O ombro giratório da ferramenta no processo de fssw pode gerar o calor de fricção. Na segunda etapa, o calor pode amaciar a folha e facilitar a obstrução do pino da ferramenta na folha, assim como habitar nos materiais para agitar dois peças junto e misturar em torno da área do pino. Finalmente, a pressão da imprensa do ombro da ferramenta nos peças pode realçar a ligação. Após o processo de soldagem, o pino pode ser retirado do buraco da fechadura. Os benefícios de FSSW comparado com o RSW são uma temperatura de soldadura mais baixa, nenhum espirro, e mais estabilidade no processo de manufactura.

Mesmo que estudos sobre o FSSW de aços avançados de alta resistência (AHSS) tenham sido relatados por vários pesquisadores, estudos sobre o FSSW de DP590, DP600 e DP780 têm se concentrado na microestrutura e nos modelos mecânicos e de falha usando vários processos Parâmetros. No presente estudo, considerou-se o FSSW de aço DP780. O protocolo do processo de FSSW foi relatado em detalhe, e a dureza individual na zona do stir, a zona thermos-mecanicamente afetada, e a zona calor-afetada, assim como o metal baixo foram avaliados baseou na microdureza medida.

Com o crescimento contínuo e a demanda pesada para a redução de peso nas indústrias automotrizes e aeroespaciais, a indústria automotriz mostrou um interesse crescente em AHSS e em junções de regaço. Por exemplo, o corpo de aço convencional de um carro, em média, tem mais de 2.000 junções de volta da solda do ponto11. Há 3 processos de soldadura comuns para as junções de regaço usadas na indústria, incluindo a soldadura do ponto da resistência, a soldadura do ponto do laser, e a soldadura do ponto da fricção12. Uma maneira de diminuir o peso é usando aços avançados de alta resistência (AHSS). Os materiais mais populares são os aços de dupla fase e de plasticidade induzida por transformação (Trip), que estão sendo cada vez mais utilizados na indústria automotiva13,14,15,16. Porque a indústria automotiva aumentou os padrões de força devido ao consumo de combustível melhorado e absorção de energia de colisão um peso reduzido do veículo, o uso de diferentes materiais e processos de soldagem está se tornando uma questão importante.

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Protocol

1. preparação do material

Nota: a máquina de 1,6 mm de espessura DP780 folhas em 40 mm x 125 mm cupons. As junções de FSSW são projetadas como espécimes da tesoura da volta para os testes mecânicos. Juntar 2 125 mm por folhas de 40 mm com uma sobreposição de 35 mm por 40 mm, seguindo a norma RSW NF ISO 18278-2; 2005. um projeto de geometria ferramenta de diamante policristalino com um ombro Cone truncado. O desenho da geometria é mostrado na Figura 1a. O diâmetro do pino é de 5 mm; o comprimento é 2,5 milímetros, e a largura do ombro é 10 milímetros. O pino de ferramenta real é mostrado na Figura 1b.

  1. Diretrizes de segurança
    1. Use dispositivos como um capuz ou defletor, óculos e luvas para proteção.
    2. Fique atrás do capô ou do defletor. Use óculos e luvas para evitar o contato com respingo ou danos causados pelo calor.
  2. Configuração da máquina FSSW
    1. Manufatura todas as junções usando uma máquina MIRDC-feita do soldador do stir da fricção.
    2. Registre a força axial Z e a profundidade de penetração durante cada operação de junção usando o sistema de aquisição de dados incorporado (DAQ).
  3. Configurações de parâmetro
    1. Neste estudo, use os seguintes parâmetros: uma velocidade de rotação do pino da ferramenta de 2.500 rpm, 4 s do tempo de permanência do pino da ferramenta, e uma taxa PF 0,5 mm/s do pino de ferramenta mergulha na folha.
    2. Otimize os parâmetros para o operador. A escala da velocidade de rotação é 1.000-2.500 rpm. A escala do tempo de permanência pode ser de 2-10 s, e a taxa de mergulho pode ser 0.1-0.5 mm/s.

2. procedimento

Nota: o espaço de trabalho é mostrado na Figura 2. Todos os procedimentos de fabricação são concluídos no espaço de trabalho. Antes do procedimento, as sequências do processo de soldagem são compostas por uma combinação de rotações de ferramentas e profundidades de penetração, bem como uma série de sequências, incluindo pré-aquecimento, mergulhando, habitação, retracção e pós-aquecimento. Todas as etapas são mostradas na Figura 3 na forma de um fluxograma de trabalho.

  1. DP780 preparação da peça
    1. Antes do processo de soldagem, assegure-se de que não haja substratos de impureza contaminando as peças. Use tecidos de microfibras de malha para limpar a superfície da peça de trabalho para eliminar quaisquer partículas pequenas.
  2. Coloque a peça DP780 e prenda 2 DP780 folhas (tamanho: 125 mm x 40 mm) com uma sobreposição de 35 mm. fixe as peças de trabalho limpas numa bigorna para evitar a deslocação.
  3. Assegure-se de que o pino esteja limpo para evitar a contaminação do substrato impuro. Use tecidos de microfibra de malha para limpar a superfície do pino de ferramenta para eliminar pequenas partículas.
  4. Fixe o pino com um grampo na máquina.
    1. Aparafuse firmemente o pino de ferramenta novamente para fixação do pino de ferramenta.
    2. Preste atenção à etapa de aperto do pino. Assegure-se de que o pino esteja apertado firmemente na máquina para evitar o perigo. A ferramenta giratória é cercada por um anel de aperto nonrotatório com que os peças são pressionados firmemente um contra o outro antes e durante a soldadura aplicando uma força de aperto. A ilustração mostrada na Figura 3a observa o anel da braçadeira usado para fixar o pino de ferramenta. Após esta etapa, a produção é mostrada no fluxograma.
    3. Assegure a segurança.
    4. Confirme que o pino de rotação de alta velocidade sem um anel de aperto afrouxa. Quando o pino de ferramenta é colocado na máquina, assegure-se de que o pino de ferramenta não separe da braçadeira durante a rotação para razões da segurança. O pino de ferramenta usa uma baixa taxa de rotação de 10 a 100 RPM em 1 minuto. A velocidade pode acelerar de 100 a 1.000 rpm dentro de 1 minuto (Figura 3B).
  5. Configurações da máquina
    1. Use os seguintes parâmetros: uma velocidade de rotação de 3.000 rpm, uma permanência de 4 s e uma taxa de imersão de 0,5 mm/s (Figura 3C).
  6. Calibrar o local de soldagem (Figura 3D e o produto real mostrado na figura 4a).
    1. Ajuste o pino na máquina do soldador do ponto da agitação. A folga entre o pino e a peça de trabalho é menor que 5 cm para calibrar a localização conjunta. Depois que o local é confirmado, mova-se para o processo de soldagem.
  7. Durante a soldagem, use óculos e luvas para evitar ferimentos.
    1. Inicie o processo de soldagem com a ferramenta rotação de alta velocidade para mergulhar o pino da ferramenta na peça de trabalho. O ombro da ferramenta contata os peças e para a rotação e retrona o pino.
  8. Mergulhar
    1. Gire o botão de agitação. Quando a máquina aquece, confirme que o pino de ferramenta está operando consistentemente em uma velocidade de rotação de 2.500 rpm. Assegure-se de que o pino de ferramenta esteja apertado bem a rotação de alta velocidade em 2.500 rpm. O pino mergulha nos peças uma rotação de alta velocidade e o ombro contata os peças em uma velocidade angular elevada (Figura 3E). O produto real é mostrado na Figura 4B.
  9. Mexendo
    1. Como o pino de ferramenta mergulhou continua mexendo na peça de trabalho, suavizar a interface do pino e o material do calor de fricção para criar o grão. Quando o ombro do pino de ferramenta entra em contato com a parte superior da peça de trabalho, pare o processo porque a alta rotação do pino de ferramenta pode gerar altas temperaturas. É importante usar a engrenagem protetora que assegura a segurança operacional (veja Figura 3F.) O produto real é mostrado na Figura 4C.
  10. Retracção
    1. Desenhe o pino da ferramenta na direção vertical. Após o procedimento, o pino cria o ponto de solda da chave-furo na junção de volta. Observe que a solda de ponto de agitação de atrito pára nesta etapa (Figura 3G). O produto real é mostrado na Figura 4e.
  11. Retire as peças de trabalho.
    1. Desligue a alimentação da máquina.
    2. Depois que a soldadura é terminada, remova as peças de trabalho da bigorna. Observe as amostras para rachaduras e falta de fusão.
    3. Retire o pino da ferramenta.
    4. Após o procedimento, retire o pino da ferramenta do anel de aperto. A aparência do pino da ferramenta é observada e verificada (Figura 5).

3. avaliação da propriedade mecânica

  1. Exame de microscopia das soldas FSSW (Figura 3h)
    1. Preparação microscópica da amostra
    2. Meça a área transversal da região ligada usando uma imagem do microscópio ótico e uma análise de imagem secundária do elétron. Prepare as amostras microscópicas usando papel de carboneto de silício aterrado com um tamanho de grão variando de 200 a 2.000 começando com um tamanho de grão de 200 e aumentando em seqüência. Polir as amostras com 0, 3% de alumina e etch com uma solução de nital de 4% para 7 – 10 s à temperatura ambiente.
    3. Observação da microscopia
    4. Observar e caracterizar as microestruturas utilizando microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. Use uma tensão de 20 kV, e uma distância de trabalho de 10 μm. Da microscopia ótica, toda a linha minúscula da rachadura ou a falta de uma zona da fusão podem ser determinadas. Use microscopia eletrônica de varredura para analisar a distribuição de martensita e austenita e o tamanho do grão.
  2. Microdureza
    1. Verifique os experimentos de microdureza mais de 3 vezes. Os valores eram muito pequenos para denotar claramente o desvio padrão.
    2. Pressione o indenter do diamante de Vickers com uma amostra da carga de teste de 300 g e 0,5 milímetros por o teste.
    3. Realize o teste de microdureza da chapa de aço DP780 usando uma máquina de teste de microdureza com uma carga de 300 g e um tempo de retenção de 15 s. O teste da microdureza revelou a distribuição da dureza e os valores individuais da dureza na zona do stir, na zona termomecânica do efeito, na zona afetada calor, e no metal baixo das soldas.

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Representative Results

Há um diagrama na Figura 3 que demonstra que o processo de soldagem por atrito de agitação é composto por 3 partes: mergulhando(figura 3E), mexendo (Figura 3F) e retraindo (Figura 3G). Em nossa pesquisa, o ponto de solda poderia ser gerado. A profundidade de penetração é um fator que foi avaliado. Na Figura 6a, o fssw cria o buraco da fechadura no centro para criar a junta para 2 folhas. A profundidade de medição da fechadura é da parte superior da folha até a superfície inferior da fechadura (Figura 6B). Os valores de medição são mostrados na Figura 6C, para o qual os valores de ajuste são de 2 cm e os valores reais são 1,92 a 1,98 cm. Na Figura 7, a imagem mostra a visão geral do orifício de chave do ponto de soldagem na folha DP780. A análise da microestrutura metálica de base mostrou ilhas martensias em matriz de ferrite (figura 8a). As microestruturas do TMAZ perto do buraco da fechadura mostram uma mistura de martensito agulha-like e ferrite acicular fina (Figura 8B,c). A região de agitação em torno do buraco da fechadura revelou um grão fino martensito e porosidade (Figura 8D).

Hsu et al.25 estudaram a dureza de um metal de base em comparação com a propriedade material original. Na região intercrítica de HAZ, o valor da dureza foi encontrado em uma escala de aproximadamente 310 a 330 HV. A dureza do TMAZ foi de aproximadamente 360 HV. A dureza na zona de agitação das soldas do ponto de agitação da fricção é significativamente mais elevada do que em outras regiões; os valores encontrados foram de 370 HV (Figura 9, modificado de Hsu et al.25). Se o processo de soldagem não for bem-sucedido, haverá algumas rachaduras e falta de fusão na zona de solda.

Figure 1
Figura 1. Um diagrama do pino de ferramenta.
(a) o tamanho e a geometria do pino de ferramenta (b) o pino de ferramenta real por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2. Um diagrama para demonstrar o espaço de trabalho. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3. Um fluxograma para ilustrar o processo da soldadura do ponto do stir da fricção.
(a) pino de aperto(b) segurança confirmada (c) configuração da máquina confirmada (d) calibração (e) mergulhando (f) agitação (g) retraindo (h) validação das propriedades mecânicas das articulações Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4. O processo de soldagem. (a) calibração (b) mergulhando (c) mexendo (d) retracção por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5. Um diagrama que mostra o pino usado. Os pinos são consumidos em altas temperaturas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6. Confirmação da profundidade de permanência usando uma comparação das configurações.
(a) a visão macro do fssw criando o buraco da fechadura. (b) um diagrama ilustrando onde as profundidades são medidas (c) as profundidades de permanência são ajustadas a 2 cm. Os valores reais da medida variam de 1,92 a 1,98 cm. estale por favor aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7. Uma visão geral da fricção agitar ponto de solda. A área analisada continha 4 partes: (I) metal de base (II) HAZ (III) TMAZ, e (IV) a zona de agitação. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8. A composição da microestrutura da articulação criada com o uso do FSSW. (a) metal baixo: o metal baixo dos peças é compreendido de folhas do DP 780. O metal de base não mostra nenhuma mudança nas propriedades do material (b) Haz: o ciclo térmico ao redor do local de soldagem com transferência de calor. A zona Haz mostra as ilhas martensita. (c) tmaz: zona termomecanicamente afetada ao redor da zona de agitação. O martensito agulha-like e a ferrite acicular fina mostrados na zona de TMAZ. (d) zona de agitação: o orifício do pino criado no processo de soldagem com a formação de grãos de recristalização. Grãos finos menores que 10 μm apareceram na zona de agitação. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9. Os valores de microdureza da peça examinada usando uma máquina de teste Vickers com peso de carga de 300 g foram mantidos por 15 s. Este número foi modificado de Hsu et al.25. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

O estágio de mergulhando é o mais importante durante o processo de FSSW. Sem calor suficiente atrito proveniente do ombro do pino para suavizar a peça de trabalho, o pino vai fractura. Geometria da ferramenta, velocidade de rotação, tempo de permanência e profundidade de penetração da ferramenta26 os parâmetros do processo fssw desempenham um papel crítico na determinação da integridade articular. TPD e geometria da ferramenta27 particularmente têm um efeito importante sobre a soldabilidade e propriedades articulares foi relatado.

A geometria dos pinos era cilíndrica, whorl, MX Triflute, Flared-Triflute, A-skew, e re-stir projetada por TWI28. São apropriados para a soldadura de extremidade mas não para a soldadura do regaço porque o movimento da ferramenta e o torque da soldadura podem ser reduzidos pela força atravessando causada pela agitação intensa. Os pinos da ferramenta de Flared-Triflute, A-inclinação, e do re-stir são apropriados para A soldadura de volta; o projeto é pretendido aumentar o volume varrido do pino a fim expandir a região do stir para dar forma a uma junção de volta trabalhada mais larga29. Enquanto isso, durante a FSSW, a fricção gera calor na interface da ferramenta rotativa e na peça de trabalho. A geometria da ferramenta e os parâmetros FSSW afetam a força das soldas FSSW4. O ombro e o pino da ferramenta são as partes principais da ferramenta FSSW5. O pino gera o calor da fricção, deforma o material em torno dele, e agita o material aquecido6. O tamanho7, o ângulo8, a orientação da rosca9, o comprimento10 e o perfil11 do pino dependem da formação de pepita. Enquanto isso, o ombro da ferramenta gera calor durante o processo FSSW, forja o material aquecido, previne a expulsão de material e auxilia o movimento material em torno da ferramenta12. O tamanho e a concavidade do ombro são igualmente fatores importantes na soldadura do ponto do stir da fricção13.

Os materiais do pino são compostos dos seguintes componentes: aço do CR de 12%, aço de baixo carbono, liga de mo e de W, liga de W, nitreto cúbico policristalino do boro (PCBN), e boro cúbico policristalino. Porque o desgaste da ferramenta ocorreu no período de mergulho na fase inicial da soldadura, a deformação da ferramenta e o desgaste da fricção podiam ser encontrados na ferramenta. Este problema pode ser resolvido escolhendo um material adequado para o pino que é difícil e pode suportar temperaturas elevadas em comparação com as peças de trabalho para aumentar a vida útil da ferramenta. Em nossa pesquisa, utilizamos o diamante policristal para soldar a peça de trabalho.

O comprimento do pino e a profundidade de penetração também são fatores que podem influenciar o carregamento máximo no processo de soldagem. Indicou-se que haverá uma profundidade aumentada da penetração da ferramenta e um comprimento diminuído do pino, tendo por resultado uns2mais elevados.

A taxa de rotação é um fator importante que conduz para fixar o atrito nas peças de trabalho para começar o processo de soldagem. Uma velocidade que varia de 300-1000 RPM pode ser usada para detectar a temperatura máxima de aproximadamente 430 a 470 ° c na zona do centro da soldadura. Longe da zona da soldadura, a zona do efeito do calor exibiu uma diminuição na temperatura a 350 ° c para a liga do Al (6061Al-T6)30. De outras referências, a situação da fricção em uma baixa velocidade de rotação com uma vara pode transformar a uma vara/deslizamento em altas velocidades. A taxa de rotação é o factor-chave que conduz à geração do calor necessário para forjar a peça de trabalho. No passado, estudos têm sido focados em liga Al. No entanto, em nosso estudo, o foco está no aço DP. Não há nenhum valor de teste para identificar a temperatura. No entanto, com base no fato de que a microestrutura na linha de centro exibiu martensisite de grãos finos, pode-se inferir que a temperatura do substrato excedeu o padrão AC3.

O estudo das peças do FSSW no passado concentrou-se em ligas de alumínio porque a baixa temperatura de derretimento na soldadura do metal conduz às deformidades e à baixa resistência que exigem ser reparadas através de FSSW. Desde que o FSSW foi desenvolvido, os materiais diferentes foram usados, incluindo o aço de pouco peso. Os tipos diferentes do aço da DP soldadas com ligas do Al são áreas novas para a investigação. Com base em aplicações comerciais, o FSSW pode ser um método útil para diferentes ligas de componentes utilizados na produção industrial devido à poupança em termos de tempo e custo.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Agradecemos ao Dr. K. C. Yang na empresa China-Steel pelo apoio material e desejo expressar nossa gratidão ao Sr. RG Wang, C. K. Wang e B. Y. Hong no MIRDC para assistência com o FSSW experimental. Esta pesquisa foi apoiada pelo centro de pesquisa e desenvolvimento de indústrias metálicas, Kaohsiung, Taiwan, ROC.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
anvil MIRDC made by MIRDC
DP780 China steel Corporation CSC DP780
stir spot welder machine MIRDC made by MIRDC
tool pin KINIK COMPANY DBN2B005B

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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