Συγκόλληση τριβής

Η συγκόλληση με τριβή είναι μια μέθοδος συγκόλλησης υπό πίεση που χρησιμοποιεί τη θερμότητα που παράγεται από την αμοιβαία τριβή κατά τη σχετική κίνηση των ακραίων επιφανειών επαφής των συγκολλήσεων για την επίτευξη αξιόπιστης σύνδεσης υλικών. Η διαδικασία συγκόλλησης περιλαμβάνει την εφαρμογή πίεσης, προκαλώντας τριβή μεταξύ των συγκολλούμενων υλικών, που οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας στη διεπιφάνεια και τις κοντινές περιοχές, φτάνοντας τελικά σε μια θερμοπλαστική κατάσταση. Υπό την επίδραση της δύναμης ανατροπής, η μεμβράνη οξειδίου της διεπαφής σπάει και το υλικό υφίσταται πλαστική παραμόρφωση και ροή, σχηματίζοντας αρμούς μέσω της διάχυσης των στοιχείων διεπαφής και των μεταλλουργικών αντιδράσεων ανακρυστάλλωσης. Είναι σημαντικό ότι αυτή η διαδικασία συγκόλλησης δεν απαιτεί μέταλλο πλήρωσης, ροή ή προστατευτικό αέριο και ολόκληρη η διαδικασία μπορεί να ολοκληρωθεί σε λίγα δευτερόλεπτα.

Η σχετική τριβή που προκαλείται από υψηλή πίεση μεταξύ των επιφανειών των δύο συγκολλημένων εξαρτημάτων σε υψηλές ταχύτητες έχει ως αποτέλεσμα δύο αποτελέσματα:

• Εξαλείφει το φιλμ οξειδίου ή οποιαδήποτε άλλα μολυσματικά στρώματα στην επιφάνεια της άρθρωσης, αποκαλύπτοντας καθαρό μέταλλο.
• Παράγει θερμότητα και σχηματίζει γρήγορα ένα θερμοπλαστικό στρώμα στην επιφάνεια της άρθρωσης. Κάτω από την επακόλουθη ροπή τριβής και αξονική πίεση, αυτά τα σπασμένα οξείδια και μέρος του πλαστικού στρώματος εξωθούνται από την επιφάνεια της άρθρωσης για να σχηματίσουν φλας και το υπόλοιπο πλαστικά παραμορφωμένο μέταλλο αποτελεί το μέταλλο συγκόλλησης. Η τελική ανατροπή επιτρέπει στο μέταλλο συγκόλλησης να σφυρηλατηθεί περαιτέρω, με αποτέλεσμα μια καλής ποιότητας συγκολλημένη ένωση.

Μπορεί να φανεί από τη διαδικασία συγκόλλησης ότι ο σύνδεσμος συγκόλλησης με τριβή σχηματίζεται κάτω από το σημείο τήξης του μετάλλου που πρόκειται να συγκολληθεί, επομένως η συγκόλληση με τριβή είναι μια μέθοδος συγκόλλησης στερεάς κατάστασης.

Η συγκόλληση με τριβή μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε διάφορους τύπους με βάση τους διακριτούς τρόπους κίνησης των συγκολλημένων εξαρτημάτων.

• Η συγκόλληση περιστρέφεται γύρω από τον άξονα και μπορεί να χωριστεί σε συγκόλληση με τριβή απευθείας μετάδοσης κίνησης και συγκόλληση με αδρανειακή τριβή
• Η συγκόλληση δεν κινείται και μπορεί να χωριστεί σε συγκόλληση με ακτινική τριβή και συγκόλληση με τριβή ανάδευσης
• Άλλες κινήσεις και μπορούν να χωριστούν σε επιφανειακή τριβή, γραμμική συγκόλληση τριβής και τροχιακή συγκόλληση τριβής

Συγκόλληση τριβής απευθείας μετάδοσης κίνησης

Αυτός είναι ένας κοινός τύπος συγκόλλησης με τριβή. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης, το τεμάχιο εργασίας κινείται συνεχώς από τον κινητήρα του άξονα και περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα. Μέχρι να επιτευχθεί ο καθορισμένος χρόνος τριβής ή η παραμόρφωση τριβής, το τεμάχιο εργασίας σταματά αμέσως να περιστρέφεται και αναποδογυρίζεται για συγκόλληση.

Συγκόλληση τριβής αδράνειας

Το περιστρεφόμενο άκρο του τεμαχίου εργασίας στερεώνεται στον σφόνδυλο. Στην αρχή της διαδικασίας συγκόλλησης, ο σφόνδυλος και το περιστρεφόμενο άκρο του τεμαχίου κατεργασίας επιταχύνονται πρώτα σε μια ορισμένη ταχύτητα και στη συνέχεια ο σφόνδυλος αποσυνδέεται από τον κύριο κινητήρα. Ταυτόχρονα, το κινούμενο άκρο του κατεργαζόμενου τεμαχίου κινείται προς τα εμπρός και η θέρμανση με τριβή ξεκινά μετά την επαφή του τεμαχίου εργασίας. Κατά τη διαδικασία θέρμανσης με συγκόλληση με τριβή, ο σφόνδυλος φρενάρει από τη ροπή τριβής και η ταχύτητα περιστροφής του μειώνεται σταδιακά. Όταν η ταχύτητα περιστροφής φτάσει στο μηδέν, η διαδικασία συγκόλλησης τελειώνει.

Ακτινική συγκόλληση τριβής

Ένας λοξότμητος δακτύλιος είναι στερεωμένος στις ακραίες επιφάνειες δύο σωλήνων με αντίθετες λοξοτμήσεις. Στη διαδικασία της συγκόλλησης με τριβή, ο δακτύλιος υφίσταται περιστροφή και ασκείται ακτινική τριβή στα δύο άκρα του σωλήνα. Με την ολοκλήρωση της φάσης τριβής, η περιστροφή του δακτυλίου σταματά και εφαρμόζεται πίεση ανατροπής.

Συγκόλληση με τριβή ανάδευσης

Η αρχή λειτουργίας της συγκόλλησης με τριβή ανάδευσης είναι η εξής: ένα περιστρεφόμενο εργαλείο FSW συγκεκριμένου σχήματος κατασκευασμένο από ανθεκτικό σε υψηλή θερμοκρασία σκληρό υλικό περιστρέφεται βαθιά στην άκρη όπου συνδέονται τα δύο υλικά που πρόκειται να συγκολληθούν και η κεφαλή ανάδευσης ρυθμίζεται και περιστρεφόμενος.Μια μεγάλη ποσότητα θερμότητας τριβής δημιουργείται στο συνδετικό άκρο των δύο συγκολλήσεων, με αποτέλεσμα μια ζώνη μαλακώματος μετάλλου-πλαστικού στη σύνδεση. Αυτή η ζώνη μαλακώματος πλαστικού αναδεύεται και συμπιέζεται υπό τη δράση της κεφαλής ανάδευσης.Καθώς το εργαλείο πείρου περιστρέφεται, ρέει προς τα πίσω κατά μήκος της συγκόλλησης για να σχηματίσει μια πλαστική μεταλλική ροή και εξωθείται κατά τη διαδικασία ψύξης αφού η κεφαλή ανάδευσης φύγει για να σχηματίσει μια συγκολλημένη άρθρωση στερεάς φάσης.

Επιφάνεια τριβής

Η επιφάνεια τριβής είναι μια μέθοδος συγκόλλησης στερεάς κατάστασης όπου μια επικάλυψη ή ένα στρώμα υλικού εναποτίθεται σε ένα υπόστρωμα χρησιμοποιώντας θερμότητα και πίεση που παράγονται μέσω της τριβής. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται για τη βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων ενός υλικού ή για τη δημιουργία ενός προστατευτικού στρώματος με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Συνήθως, περιλαμβάνει τη χρήση μιας περιστρεφόμενης αναλώσιμης ράβδου ή σύρματος που έρχεται σε επαφή με το υλικό του υποστρώματος, οδηγώντας στη δημιουργία σημαντικής θερμότητας τριβής.

Γραμμική Συγκόλληση Τριβής

Το ένα από τα δύο τεμάχια εργασίας που προορίζονται για συγκόλληση παραμένει ακίνητο, ενώ το άλλο κινείται αντίστροφα με συγκεκριμένη ταχύτητα ή και τα δύο τεμάχια προς κατεργασία παλινδρομούν μεταξύ τους. Μέσω της εφαρμογής πίεσης, η τριβή στη διεπαφή μεταξύ των δύο τεμαχίων εργασίας παράγει θερμότητα, διευκολύνοντας έτσι τη διαδικασία συγκόλλησης.

Γραμμική Συγκόλληση Τριβής

Το ένα από τα δύο τεμάχια εργασίας που προορίζονται για συγκόλληση παραμένει ακίνητο, ενώ το άλλο κινείται αντίστροφα με συγκεκριμένη ταχύτητα ή και τα δύο τεμάχια προς κατεργασία παλινδρομούν μεταξύ τους. Μέσω της εφαρμογής πίεσης, η τριβή στη διεπαφή μεταξύ των δύο τεμαχίων εργασίας παράγει θερμότητα, διευκολύνοντας έτσι τη διαδικασία συγκόλλησης.

Τροχιακή Συγκόλληση Τριβής

Η τροχιακή συγκόλληση τριβής είναι μια πρόσφατα αναπτυγμένη μέθοδος συγκόλλησης, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως για τη συγκόλληση τεμαχίων μη κυκλικής διατομής

Στη συγκόλληση με τριβή γραμμικής τροχιάς, το τεμάχιο εργασίας ακολουθεί μια συγκεκριμένη γραμμική τροχιά με καθορισμένο πλάτος και συχνότητα. Αυτό διασφαλίζει ότι η ταχύτητα δόνησης επιτυγχάνει την απαραίτητη τιμή, επιτρέποντας στην επιφάνεια συγκόλλησης να υποστεί επαναλαμβανόμενους και σχετικούς κραδασμούς και τριβές.

Κάθε σωματίδιο του τεμαχίου εργασίας σε συγκόλληση τριβής κυκλικής τροχιάς κινείται σε σχέση με την επιφάνεια συγκόλλησης κατά μήκος μιας κυκλικής τροχιάς με σταθερή ακτίνα και ταχύτητα περιστροφής. Μόλις ο σύνδεσμος φτάσει στη θερμοκρασία συγκόλλησης, η κίνηση τριβής του τεμαχίου εργασίας σταματάει και ξεκινά η διαδικασία συγκόλλησης.

Συνοπτικά, καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας συγκόλλησης με τριβή, η μεταλλική επιφάνεια που προορίζεται για συγκόλληση υφίσταται μια εξέλιξη της θέρμανσης με τριβή από χαμηλές σε υψηλές θερμοκρασίες. Βιώνει συνεχείς μετασχηματισμούς που περιλαμβάνουν πλαστική παραμόρφωση, μηχανική εκσκαφή, πρόσφυση και μοριακή σύνδεση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός στρώματος πλαστικής παραμόρφωσης τριβής υψηλής ταχύτητας, όπου συγκεντρώνονται τα φαινόμενα παραγωγής θερμότητας, παραμόρφωσης και διάχυσης κατά τη συγκόλληση με τριβή. Στα στάδια της στάθμευσης και της διαδικασίας συγκόλλησης ανατροπής, το παραμορφωμένο στρώμα στην επιφάνεια τριβής και το μέταλλο στη ζώνη υψηλής θερμοκρασίας συνθλίβονται και αποβάλλονται μερικώς. Στη συνέχεια, το μέταλλο συγκόλλησης υφίσταται σφυρηλάτηση, οδηγώντας στη δημιουργία μιας υψηλής ποιότητας συγκολλημένης ένωσης.

• Μικρός χρόνος κατασκευής συγκόλλησης και υψηλή απόδοση παραγωγής
• Η παραμόρφωση συγκόλλησης που προκαλείται από τον θερμικό κύκλο συγκόλλησης είναι μικρή, η ακρίβεια διαστάσεων μετά τη συγκόλληση είναι υψηλή και δεν υπάρχει ανάγκη για διόρθωση παραμόρφωσης μετά τη συγκόλληση και ανακούφιση από τάσεις.
• Υψηλός βαθμός μηχανοποίησης και αυτοματισμού, σταθερή ποιότητα συγκόλλησης. Όταν δίνονται οι συνθήκες συγκόλλησης, η λειτουργία είναι απλή και δεν απαιτεί ειδικούς τεχνικούς συγκόλλησης.
• Κατάλληλο για συγκόλληση διαφόρων ανόμοιων υλικών. Μπορεί να συγκολλήσει αλουμίνιο-χάλυβας, αλουμίνιο-χαλκό, τιτάνιο-χαλκό, διαμεταλλική ένωση-χάλυβας κ.λπ. που δεν μπορούν να συγκολληθούν με συμβατική τήξη.
• Μπορεί να επιτύχει συγκόλληση ράβδων και σωλήνων ίδιας διαμέτρου ή διαφορετικής διαμέτρου
• Δεν παράγεται καπνός, φως τόξου, επιβλαβή αέρια κ.λπ. κατά τη συγκόλληση και το περιβάλλον δεν ρυπαίνεται. Ταυτόχρονα, σε σύγκριση με τη συγκόλληση με φλας, η ηλεκτρική ενέργεια εξοικονομείται 5-10 φορές.

Ωστόσο, η συγκόλληση με τριβή έχει επίσης τα ακόλουθα μειονεκτήματα και περιορισμούς:

• Είναι δύσκολο να συγκολληθούν μη κυκλικές διατομές και απαιτεί περίπλοκο εξοπλισμό. Είναι επίσης δύσκολο να συγκολληθούν λεπτά εξαρτήματα σε σχήμα δίσκου και εξαρτήματα σωλήνων με λεπτά τοιχώματα επειδή είναι δύσκολο να συσφίξουν.
• Είναι δύσκολο να επιτευχθεί συγκόλληση με τριβή για εξαρτήματα των οποίων το σχήμα και η θέση συναρμολόγησης έχουν καθοριστεί.
• Οι αρμοί είναι επιρρεπείς σε αναλαμπή και πρέπει να υποβληθούν σε μηχανική επεξεργασία μετά τη συγκόλληση.
• Το τμήμα σύσφιξης είναι επιρρεπές σε γρατσουνιές ή σημάδια σύσφιξης

Η συγκόλληση με τριβή, που χαρακτηρίζεται από την υψηλή ποιότητα, την αποδοτικότητα, την εξοικονόμηση ενέργειας και τη φιλικότητα προς το περιβάλλον, κερδίζει σταδιακά ευρεία υιοθέτηση τόσο στους νέους όσο και στους παραδοσιακούς βιομηχανικούς τομείς. Αυτές περιλαμβάνουν την αεροπορία, την αεροδιαστημική, την πυρηνική ενέργεια, τα όπλα, την αυτοκινητοβιομηχανία, την παραγωγή ενέργειας, την ανάπτυξη των ωκεανών και την κατασκευή μηχανημάτων.

Αεροδιαστημική: κινητήρες αεροσκαφών, εξαρτήματα στροφαλοφόρου άξονα κινητήρα εσωτερικής καύσης

Κατασκευή αυτοκινήτων: τροχοί, ράβδοι σύνδεσης, βαλβίδες εξαγωγής, ρότορες