Parametry procesu konwencjonalnego zgrzewania tarciowego

ZGRZEWANIA TARCIOWEGO

Jak w każdym procesie, tak i w zgrzewaniu tarciowym, główny wpływ na właściwości powstającego złącza mają jego parametry. Ich dobór jest

zróżnicowany, w zależności od rodzaju zgrzewanych materiałów, średnicy i kształtu części w obszarze łączenia, co ma przede wszystkim związek z powierzchnią tarcia oraz rozkładem wydzielanego ciepła.

Podstawowymi parametrami konwencjonalnego procesu zgrzewania tarciowego są: prędkość obrotowa, docisk tarcia, czas tarcia (nagrzewania), docisk spęczania, czas spęczania, skrócenie w okresie tarcia, prędkość liniowa obwodowa, czas hamowania oraz opóźnienie spęczania (rys. 6.2). Głównymi wielkościami, które decydują o pracy tarcia, przez co mają bezpośredni wpływ na ilość wydzielonego ciepła w okresie tarcia, są [1]:

• Prędkość obrotowa – jest dobierana w zależności od rodzaju oraz geometrii łączonych materiałów i mieści się w przedziale 400–10000 obr/min. Parametr ten ma kluczowe znaczenie na wzrost temperatury w złączu. Większa temperatura pozwala otrzymać złącze przy zastosowaniu mniejszych docisków. Po przekroczeniu prędkości około 800 obr/min, temperatura zatrzymuje swój raptowny przyrost i utrzymuje do końca procesu stałą wartość, w zależności od łączonego materiału. Wzrost prędkości obrotowej zmniejsza strefę wpływu ciepła i jednocześnie sprawia, że nagrzewanie powierzchni stykowych przebiega bardziej równomiernie, natomiast jej spadek prowadzi do zwiększenia ilości wypływającego do wypływki materiału. Dlatego też metale o dużej przewodności cieplnej powinny być zgrzewane z dużymi prędkościami obrotowymi. Przy łączeniu niektórych materiałów zbyt duża prędkość obrotowa może prowadzić do osiągnięcia temperatury eutektycznej, a następnie wydzielenia kruchych związków międzymetalicznych w zgrzeinie, co jest bardzo niepożądane. Stąd też

prędkość obrotowa powinna być dobierana optymalnie, w zależności od właściwości łączonych elementów. W tym celu zaleca się, aby iloczyn

prędkości obrotowej n oraz średnicy zewnętrznej łączonego elementu

d mieścił się w przedziale wyznaczanym zgodnie z zależnością (6.1),

z wyjątkiem tytanu, dla którego odpowiednia jest zależność (6.2).

1,2 ∙ 10ସ< ݊ ∙ ݀ < 6,0 ∙ 10ସ _(6.1)

ܰ ∙ ݀ = ሺ8 − 10ሻ ∙ 10ସ

98 Praktycznie przyjmuje się zazwyczaj prędkość obrotową procesu w przedziale od 450 do 3600 obr/min.

• Docisk tarcia – jest kolejnym parametrem mającym wpływ na nagrzewanie obszaru styku. Jego optymalny dobór powinien zapewnić osiągnięcie

temperatury zgrzewania w możliwie najkrótszym czasie okresu tarcia i minimalnym skróceniu elementów. Wartość tego parametru, w zależności

od łączonych materiałów, mieści się zazwyczaj w przedziale 10–200 MPa. Zbyt mała wartość docisku tarcia znacznie zwiększa czas trwania procesu, gdyż spowalnia nagrzanie łączonych powierzchni. Natomiast zbyt duża wartość docisku tarcia może spowodować przekroczenie nominalnej mocy maszyny (zbyt duża wartość momentu tarcia). Dlatego też zaleca się sterowanie dociskiem tarcia, co gwarantuje uzyskanie odpowiednio nagrzanej powierzchni materiału, a dzięki temu otrzymanie prawidłowego połączenia (rys. 6.6).

Rys. 6.6. Przykładowe przebiegi zmian docisku tarcia Pt i spęczania Ps, stosowane przy konwencjonalnym zgrzewaniu tarciowym

Należy podkreślić, że zastosowane w miejscu styku obciążenie powinno mieć

taką wartość, by łączone powierzchnie mogły zbliżyć się do siebie na odległość działania sił atomowych, co umożliwi powstawanie lokalnych

sczepień materiałów. Prowadzi to do wzrostu momentu tarcia, praca zamienia się w ciepło i dochodzi do wzrostu temperatury.

• Czas tarcia – jest parametrem w pełni uzależnionym od dwóch powyższych. Zależy również od średnicy łączonych elementów oraz powierzchni łączenia.

99

na odpowiednią głębokość. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że wydzielanie się ciepła na powierzchni tarcia nie ma charakteru

równomiernego. Największa ilość ciepła wydziela się na obwodzie

powierzchni tarcia (tutaj prędkość liniowa zyskuje wartości maksymalne) i właśnie w tym obszarze temperatura sięga największych wartości, a co za tym idzie osiąga się również największą plastyczność. Obszar

środkowy, w którym ciepło wydziela się w nieznacznych ilościach, ogrzewany jest wskutek przewodzenia ciepła z warstw zewnętrznych. Dlatego im większa średnica oraz im mniejszy współczynnik przewodności cieplnej metalu, tym mniejsza temperatura wydzieli się w części środkowej powierzchni tarcia, podczas gdy na obwodzie materiał uzyska temperaturę zgrzania. W związku z tym, w celu wyrównania temperatury w całym obszarze zgrzewania, należy uwzględnić odpowiednio długi czas trwania procesu. Należy jednak zwrócić uwagę na to, aby czas tarcia nie był zbyt długi, co może doprowadzić do zmniejszenia momentu tarcia i zwiększenia

skrócenia elementów. Jego wartość zazwyczaj mieści się w przedziale od 1 do 120 s.

Nagrzanie powierzchni, poza czasem tarcia, może być również kontrolowane poprzez zadanie odpowiedniego skrócenia materiału, co jest korzystne ze względu na jego oszczędność oraz estetykę złącza, jednak nie zawsze gwarantuje to uzyskanie dobrej jakości połączenia. Skróceniu elementów towarzyszy tworzenie się wokół

strefy łączenia kołnierza z uplastycznionego materiału, zwanego wypływką. Po zakończeniu zgrzewania wypływka może być usunięta, w procesie toczenia,

okrawania, lub pozostawiona.

Powyżej opisano parametry występujące w etapie tarcia, które mają kluczowe znaczenie w procesie. Należy jeszcze wspomnieć o pozostałych, takich jak docisk spęczania i czas spęczania, występujących w etapie spęczania, czy w czasie hamowania. Docisk spęczania pozwala otrzymać połączenie o pożądanej wytrzymałości, co dzieje się dzięki zwiększonemu dociskowi, przy jednoczesnym zahamowaniu obracającego się elementu, kiedy materiał jest wystarczająco uplastyczniony. Zazwyczaj przyjmuje się docisk spęczania w wielkości 20–400 MPa, co stanowi wzrost względem docisku tarcia o 20–100%, w zależności od rodzaju łączonych materiałów. Czas spęczania pozwala sterować dociskiem spęczania, dzięki czemu można zapobiec przedostaniu się zbyt dużej ilości materiału do wypływki. Czas hamowania występuje tylko w procesie konwencjonalnego zgrzewania tarciowego i wyznacza granicę między etapem tarcia, a spęczania.

Optymalne parametry danego procesu zgrzewania tarciowego wyznacza się zazwyczaj przy wykorzystaniu modelowania metodą elementów skończonych MES. Wcześniej w tym celu prowadzono badania eksperymentalne lub stosowano metody matematyczne.

100