Przegląd spawania przez tarcie bezwładnościowe

Czym jest zgrzewanie tarciowe bezwładnościowe?

Spawanie tarciowe bezwładnościowe to proces spawania w stanie stałym, w którym materiały łączy się ze sobą za pomocą obrotu i tarcia generującego ciepło oraz siły bocznej, która powoduje plastyczne przemieszczanie materiału i łączenie ze sobą elementów obrabianych.

Od samego początku metoda ROSCHEN stała się preferowaną metodą spawania w wielu gałęziach przemysłu, od motoryzacji i lotnictwa, przez rolnictwo i wiertnictwo, po zastosowania drukarskie i opakowaniowe.

 

W miarę rozwoju technologii i automatyzacji w ciągu ostatnich dziesięcioleci spawanie tarciowe bezwładnościowe pozostaje jedną z najbardziej opłacalnych metod obróbki metali.

 

Jak działa spawanie tarciowe bezwładnościowe

Spawanie tarciowe bezwładnościowejest odmianą spawania ciernego, która wykorzystuje energię kinetyczną z przyłożoną siłą boczną do łączenia części. Energia kinetyczna jest uzyskiwana za pomocą kół zamachowych — zestawu ciężkich kół, które służą do magazynowania energii obrotowej.

Ilość niezbędnej energii kinetycznej zależy od dwóch czynników: rodzaju łączonych materiałów i geometrii spoiny.

Gdy znany jest materiał i geometria, można wstępnie obliczyć ilość energii kinetycznej, jaka będzie niezbędna do wykonania spoiny.

Postęp technologiczny i rozwój procesu spawania sprawiły, że zrozumienie stosunku energii kinetycznej do obrotu stało się łatwiejsze i bardziej powtarzalne, co skróciło czas cyklu i pozwoliło na uzyskanie powtarzalności niespotykanej w tradycyjnych technikach spawania.

 

 

Krok po kroku o spawaniu tarciowym bezwładnościowym

1. Przygotowanie

Określ kluczowe czynniki spawania – masę koła zamachowego, prędkość obrotową, siłę ciągu bocznego. Często optymalną jakość można uzyskać podczas początkowego przebiegu.

2. Rotacja przed kontaktem

Maszyna do spawania ciernego bezwładnościowego wygląda podobnie do tradycyjnej tokarki warsztatowej, z tą różnicą, że z jednej strony do koła zamachowego o specjalnie określonej masie przymocowany jest uchwyt.

Uchwyt ten przytrzymuje jeden element spoiny, natomiast przeciwległy, nieobrotowy uchwyt (który porusza się osiowo pod wpływem ciśnienia hydraulicznego) przytrzymuje drugi.

Koło zamachowe zacznie się szybko obracać, osiągając ustaloną prędkość i gromadząc energię kinetyczną.

3. Kontakt i tarcie

Gdy koło zamachowe osiągnie wymaganą prędkość i poziom energii kinetycznej, silnik wrzeciona zostaje wyłączony i odłączony (stan wolnego koła). Nieobrotowy siłownik hydrauliczny wciśnie element statyczny do elementu obrotowego, powodując ekstremalne tarcie.

Tarcie to nagrzewa oba materiały, zmiękczając powierzchnie spawane części (nie topiąc ich) do tego stopnia, że ​​są one w stanie połączyć się ze sobą pod wpływem znacznego nacisku bocznego.

4. Zwalnianie i wiązanie

W miarę jak elementy są ściskane razem, energia kinetyczna masy koła zamachowego wprawia element w ruch obrotowy, powodując obróbkę cieplną powierzchni styku metalu, usuwanie zanieczyszczeń lub pustych przestrzeni oraz rafinację powierzchni ziarna.

Nauka stojąca za określeniem masy koła zamachowego i prędkości obrotowej jest kluczowa dla stworzenia niezwykle mocnego połączenia. Uruchom silnik zbyt długo, a komponenty staną się zbyt gorące i ryzykujesz nierównym lub nieskutecznym połączeniem (i utratą materiału); wyłącz silnik zbyt wcześnie, a elementy nie staną się wystarczająco gorące, aby się połączyć.

5. Zakończenie i testowanie

Gdy koło zamachowe całkowicie się zatrzyma, spawanie jest zakończone, a proces spawania zakończony. Łącznie kroki 02-04 zajmują od 15 do 45 sekund, w zależności od rozmiaru i składu materiałów. (Dla porównania, jeśli czytasz ze średnią szybkością 300 słów na minutę, rolka mogłaby zostać wyprodukowana w krótszym czasie niż zajęło przeczytanie kroków 02-04.)

 

 

 

Zalety spawania tarciowego bezwładnościowego

Znacznie skrócony czas cyklu

Trudno przecenić, jak bardzo skraca się czas cyklu dzięki zastosowaniu procesu zgrzewania tarciowego.

1. Proces sterowany maszynowo

Kluczowe czynniki regulujące spoinę (prędkość obrotowa, masa koła zamachowego i siła ciągu) są sterowane maszynowo, co skutkuje minimalnymi (jeśli w ogóle) różnicami pomiędzy poszczególnymi produktami, w przeciwieństwie do procesów spawania MIG i TIG.

2. Ekstremalna spójność i powtarzalność

Po ustaleniu tych czynników (co jest szybkim procesem dla doświadczonych spawaczy) możliwe jest szybkie odtworzenie danego komponentu z niewielką przerwą w procesie, co zapewnia wyjątkową spójność i powtarzalność niemal każdego projektu.

3. Minimalne przygotowanie komponentów

Minimalnie przygotowana powierzchnia cięta piłą nadaje się do procesu spawania tarciowego bezwładnościowego, ponieważ przemieszczenie plastycznego metalu eliminuje pierwotne warunki powierzchni i usuwa wszelkie zanieczyszczenia ze strefy spawania.

4. Minimalna wymagana obróbka po spawaniu

Technika spawania ciernego bezwładnościowego wytwarza komponenty o kształcie zbliżonym do kształtu netto, które wymagają minimalnej obróbki końcowej. W niektórych przypadkach może być konieczne usunięcie pierścienia metalu błyskowego w miejscu połączenia.

5. Ogólnie szybszy czas realizacji

Krótko mówiąc, proces spawania tarciowego nie trwa dużo dłużej w porównaniu z tradycyjnymi metodami spawania lub obróbki skrawaniem.

 

 

Łączenie różnych metali

Zwykle duża różnica między temperaturami topnienia dwóch różnych metali (np. stali nierdzewnej i aluminium, miedzi i stali) uniemożliwiałaby ich spawanie tradycyjnymi metodami i wymagałoby jakiegoś rodzaju połączenia mechanicznego.

Proces spawania tarciowego bezwładnościowego nie wymaga stopienia łączonych powierzchni, więc gdy elementy obrabiane zostaną uplastycznione, ściśnięte razem, a następnie schłodzone (przy czym sąsiadujący, nieogrzany metal działa jak radiator), metale tworzą połączenie o wysokiej integralności bez wprowadzania stopu do materiału.

Możliwość wyboru różnych metali do wykonania danego komponentu pozwala producentowi wyeliminować konieczność stosowania drogich metali w częściach przedmiotu obrabianego, które nie wymagają użycia takiego metalu.

Nie tylko pozwala to obniżyć koszt materiałów potrzebnych do procesu spawania, ale również zwiększa wydajność procesu, ponieważ zmniejsza się ciężar cięższego materiału.

Redukcja kosztów w porównaniu do tradycyjnego spawania i obróbki CNC

Dzięki metodzie spawania tarciowego bezwładnościowego można osiągnąć znaczne oszczędności, zarówno pod względem robocizny, jak i kosztów materiałów.

1. Różne metale przynoszą oszczędności


 

Jak wspomniano, możliwość wykorzystania różnych metali może pomóc producentom zaoszczędzić na kosztach materiałów, eliminując potrzebę stosowania drogich metali w całym komponencie.

2. Niższe koszty materiałów, niższe koszty obróbki

Proces wymaga mniej surowców, aby osiągnąć takie same progi zmęczenia i momentu obrotowego jak części formowane innymi metodami. Oznacza to redukcję zarówno kosztów surowców, jak i czasu obróbki po spawaniu w celu usunięcia dodatkowego materiału.

3. Minimalna ilość odpadów

W porównaniu do elementów wyprodukowanych na tokarce CNC, spawanie tarciowe bezwładnościowe nie powoduje powstawania odpadów materiałowych lub powoduje ich niewielkie zużycie, co pozwala producentowi zakupić znacznie mniej materiałów, aby uzyskać taką samą wielkość produkcji.


 

4. Zmniejszone koszty operacyjne

Koszty są redukowane poprzez wyeliminowanie potrzeby gazów, materiałów wypełniających i topników, które są wymagane w metodach spawania fuzyjnego. Koszty obróbki są również redukowane poprzez obniżenie kosztów narzędzi i zwiększenie produktywności.

Wysoka integralność spoiny

Spawanie tarciowe bezwładnościowe jest procesem spawania w stanie stałym, który nie dopuszcza porowatości gazowej ani wtrąceń żużla.

Spawanie tarciowe tworzy 100% wiązanie powierzchni styku, tworząc połączenia o jakości równej wiązaniom kutym. Właściwości spoiny są lepsze od spoin tworzonych tradycyjnymi procesami łączenia, takimi jak spawanie MIG lub TIG.

Proces ten ostatecznie pozwala na uzyskanie wytrzymałości połączeń porównywalnej z wytrzymałością materiałów macierzystych, a nawet większej.

Brak ograniczeń ilościowych

Zgrzewanie tarciowe bezwładnościowe jest opłacalnym rozwiązaniem do produkcji prototypów, małych serii lub dużych, powtarzalnych serii w ramach bieżących projektów.

Bezpieczeństwo pracowników

Wyeliminowanie szkodliwego jasnego światła i rozpryskiwania się stopionego materiału znacznie zmniejsza ryzyko obrażeń na podłodze.


 

Jak najlepiej wykorzystać spawanie tarciowe bezwładnościowe

Chociaż spawanie tarciowe bezwładnościowe jest niezwykle przydatną i ekonomiczną metodą łączenia metali i innych materiałów, nie nadaje się ono do wszystkich zastosowań i ma kilka ograniczeń:

• Materiały muszą być plastyczne w wysokich temperaturach
• Ograniczenia pojawiają się w przypadku obecności kruchej fazy w strukturze (np. w materiałach takich jak grafit, siarczek manganu, wolny ołów lub tellur)
• Żeliwo jest wyłączone z listy materiałów spawalnych
• Brązy i mosiądze nie są objęte wykazem, jeżeli zawierają dużo ołowiu (> 0,3%).
• W chwili obecnej nie jest możliwe kątowe ustawienie spawanych części
• Podstawowym połączeniem musi być spoina czołowa
• Ogólnie rzecz biorąc, powierzchnia styku przynajmniej jednej z części musi mieć kształt zasadniczo okrągły

Zastosowania, w których korzystne jest spawanie tarciowe bezwładnościowe

1. Produkcja rolek

 

Proces spawania tarciowego bezwładnościowego zmniejsza koszty i czas cyklu dla producentów, którzy opierają się na rolkach przemysłowych.

• Wałki dociskowe: Wałki dociskowe to napędzane rolki używane do dociskania dwóch lub więcej arkuszy razem, tworząc laminowany produkt. Ciśnienie wytwarzane w punkcie docisku powoduje kontakt arkuszy i wyciska pęcherzyki lub pęcherze.
• Rolki podające: W maszynach do druku arkuszowego rolka podająca jest jednym z zestawu gumowych kółek, które transportują arkusz papieru ze stołu arkuszowego do chwytaków.
• Rolki przenoszące ciepło: Rolki przenoszące ciepło zapewniają kontrolę temperatury poprzez cyrkulację podgrzanego lub schłodzonego płynu przez cewki pod zewnętrzną powłoką rolki. Płyn chłodzi lub podgrzewa powierzchnię rolki do pożądanej temperatury dla danego zastosowania.
• Rolki przenośnikowe
• Fuser/Rolki dociskowe
  
  
  
  
  
   

  2. Wiercenie i górnictwo

  Przeczytaj studium przypadku dotyczące zastosowania spawania tarciowego bezwładnościowego do tworzenia prętów wiertniczych dla firmy z branży wydobycia gazu ziemnego

• Drążenie w poszukiwaniu ropy
• Wiercenie gazu ziemnego
• Wiercenie studni wodnych

• 3. Elementy lotnicze wymagające metali o dużej wytrzymałości

  4. Zespoły ciśnieniowe pneumatyczne

  Sprzęt spawalniczy i możliwości wymiarowe w Pierce Industries
  
  
  
  
  
   

  Zwiększ wydajność swojej działalności
   

  Rozpocznij od rozmowy 1 na 1 z inżynierem w Pierce Industries. Zadaj pytania, uzyskaj odpowiedzi i zacznij oszczędzać pieniądze dla swojej organizacji
  
  roschen@roschen.com www.roschen.com