Techniki wytwarzania 1 TW1-L15 Kierunek : Inżynieria Materiałowa Przedmiot obowiązkowy (IM.SIK515 B)

Transkrypt

1 Techniki wytwarzania 1 TW1-L15 Kierunek : Inżynieria Materiałowa Przedmiot obowiązkowy (IM.SIK515 B) Ćwiczenie twl6 Temat: Spajanie metali na zimno (spajanie zgniotowe) St.Erbel, L.Olejnik, C.Jasiński Obowiązkowa literatura dodatkowa: materiały z wykładów przekazane w dokumencie o nazwie [ TW1 w11 spajanie 03.pdf ] (mogą być pobierane z: oraz [1] A.Służalec: "Zgrzewanie zgniotowe metali", Wydaw. Politechniki Częstochowskiej, 1995 [2] A.Klimpel: "Technologie zgrzewania metali i tworzyw termoplastycznych", Wydaw. Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999 ZZaakkł łaadd Obbr róóbbkki i PPl laasst tyy cczznneej j i Oddl leewnni icct twaa Instytut Technik Wytwarzania, Politechnika Warszawska Warszawa Cel ćwiczenia Zbadanie wpływu wielkości odkształcenia plastycznego na jakość uzyskanego złącza. Zadanie problemowe Dobrać odpowiedni zestaw stempli dla uzyskania właściwego połączenia dwóch pasków blachy aluminiowej. TW1 kier.przedmiotu: prof. ndz. dr hab. inż. L.Olejnik, UFGbySPD

2 Wiadomości podstawowe Spajaniem metali nazywamy proces zmierzający do nierozłącznego montażu dwóch części metalowych zachodzący z udziałem odkształcenia plastycznego. Spajanie na zimno zachodzi w temperaturze niższej od temperatur rekrystalizacji łączonych materiałów a złącze powstaje bez jakichkolwiek materiałów wiążących. Sposobem spajania zgniotowego powstaje złącze analogiczne do spoiny uzyskiwanej metodą zgrzewania. Najczęściej stosowana metoda spajania zgniotowego na zimno polega na jednoczesnym wywołaniu znaczących odkształceń w łączonych materiałach. Uzyskuje się to z reguły przez wgłębianie dwóch stempli w materiał (Rys. 1). Rys. 1. Schemat spajania na zimno blach za pomocą dwóch stempli Kształt roboczych powierzchni stempli zależy od kształtu wymaganej spoiny. Mechanizm spajania Ponieważ do spajania nie używa się żadnych środków wiążących, a obserwacją pod mikroskopem przekroju poprzecznego spoiny nie uwidacznia wyraźnie granicy między łączonymi jednakowymi metalami, można przypuszczać, że spajanie jest najprawdopodobniej wynikiem powstania wiązań metalicznych. Przypuszczenia te potwierdzają próby niszczenia złącza, z których wynika, że wytrzymałość spoiny jest zbliżona do wytrzymałości materiałów łączonych. Warunkiem podstawowym uzyskania spajania jest dostateczne zbliżenie do siebie atomów łączonych metali. Na ogół panuje pogląd, że zbliżenie powinno nastąpić na odległość rzędu parametru siatki podstawowej. Może to mieć miejsce tylko w przypadku powierzchni idealnie czystych. Przygotowanie powierzchni materiałów spajanych Uzyskanie bardzo czystych powierzchni jest właściwe możliwe tylko w próżni, ponieważ w obecności powietrza powierzchnie metalu pokrywają się natychmiast tlenkami oraz absorbują cząsteczki gazów, które zarówno izolują od siebie spajane metale jak i zobojętniają siły powierzchniowe. Klasyczny sposób uzyskiwania przez wypompowywanie powietrza z zamkniętej przestrzeni może być stosowany tylko przy niektórych doświadczeniach i to w warunkach laboratoryjnych. W praktyce próżnię, a przynajmniej bardzo utrudniony dostęp powietrza do czystych powierzchni uzyskuje się w przypadkach, kiedy najpierw spajane metale zostaną do siebie dociśnięte, co powoduje usunięcie powietrza i uszczelnienie powierzchni styku, a następnie odsłania się czyste powierzchnie przez odkształcanie metalu w obszarach styku. Pojawianie się czystych powierzchni rozpoczyna się od chwili rozerwania zanieczyszczonych warstw wierzchnich. Z tego względu pożądanym jest aby warstwy te były możliwie kruche. Nie mogą to być warstwy utworzone ze środków smarujących, gdyż są one bardzo ciągliwe, a przez to trudne do rozerwania. Im bardziej będzie ciągliwa warstwa przypowierzchniowa tym więcej trzeba będzie odkształcać powierzchnię styku. Stosunkowo najbardziej kruchą jest warstwa utworzona z tlenków metali. Możemy ją uzyskać w procesie oczyszczania powierzchni wirującą szczotką stalową. Końce drucików szczotki uderzając w powierzchnię z dużą szybkością, odrywają cząstki materiału wraz z pokrywającymi je zanieczyszczeniami. Ponieważ odbywa się to bardzo szybko, w punktach uderzeń drucików szczotki powstaje wysoka zszywka twl6 spajanie 07.doc UFGbySPD

3 temperatura co sprzyja utlenianiu się metalu. Już po stosunkowo krótkim czasie oczyszczania prawie cała powierzchnia pokryta jest warstwą tlenków. Przygotowanie powierzchni metali do spajania, przez czyszczenie ich szczotką wirującą, jest szczególnie skuteczne dla tych materiałów, których tlenki są kruche, np. dla aluminium. Inne metody czyszczenia jak piłowanie, skrobanie czy trawienie chemiczne są mniej skuteczne, ponieważ nie powodują powstania na powierzchni warstwy kruchej. Przebieg i rozkład odkształceń Styk dwóch powierzchni metali, nawet doskonale wygładzonych, ogranicza się zazwyczaj do punktów najwyżej położonych. Rzeczywista powierzchnia styku jest więc znacznie mniejsza od powierzchni nominalnej. Dla uzyskania możliwie dużej rzeczywisty powierzchni styku, zbliżonej do powierzchni nominalnej, należy dociskać do siebie metale wywołując w nich naprężenia większe od granicy plastyczności, co często jest trudne do uzyskania. W większości przypadków spajania ograniczamy się więc tylko do naprężeń takich, jakie powstają w materiale w czasie wgłębiania się stempli w materiał. Stosowanie dociskaczy obejmujących stemple może powiększyć w pewnym stopniu wartość tych naprężeń. Proces odkształcania się powierzchni styku zależy od kształtu stempli i ich zagłębienia w materiał. Przy płaskiej powierzchni czołowej stempli, pod ich czołami, tworzy się obszar ściskany trójkierunkowo (ograniczony linią przerywaną na Rys. 2a), który nie odkształca się plastycznie. Przy zagłębianiu stempla w materiale o wartość Δg, największych odkształceń dozna powierzchnia styku w punkcie 0 (Rys. 2b), najmniejszych zaś w punktach skrajnych A i B. Dlatego też proces spajania z reguły rozpoczyna się od obszarów położonych w sąsiedztwie punktu 0 i rozprzestrzenia się w kierunku punktów A i B. W chwili zbliżania się wierzchołków stref nieodkształconych do punktu 0 odkształcenie powierzchni w tym punkcie powinno być nieskończenie duże. W rzeczywistości tak nie jest ponieważ wierzchołki ulegają zaokrągleniu. a) b) Rys. 2. Schemat rozkładu odkształceń przy spajaniu na zimno stemplami o płaskiej powierzchni czołowej: a) utworzenie obszaru (ograniczonego linią przerywaną) ściskających trójkierunkowo odkształceń sprężystych, b) rozkład odkształceń plastycznych na powierzchni styku o rozpiętości między punktami A-B; Δg zagłębienie stempla, g grubość blachy W przypadku użycia stempli o szerokości b > 2 g, obszary ograniczone linią przerywaną, zachodzą na siebie od samego początku wgłębiania się stempli w materiał (Rys. 3a), co powoduje, że proces odkształcania powierzchni styku przebiega mniej korzystnie. Przy użyciu stempli o szerokości b << g (Rys. 3b) intensywne odkształcenie powierzchni, w okolicy punktu 0, ma miejsce dopiero przy znacznych wartościach Δg, co z kolei bardzo osłabia połączenie spoiny z resztą materiału. Z tych względów zaleca się stosowanie stempli o szerokości lub średnicy zawartej w granicach g < b < 2 g Wartość odkształcenia koniecznego do uzyskania spajania zależy od szerokości wgłębionego stempla, stanu powierzchni spajanych i rodzaju materiałów. zszywka twl6 spajanie 07.doc UFGbySPD

4 Najłatwiej spaja się aluminium, nieco gorzej inne materiały nieżelazne takie, jak ind, ołów, cynk i miedź. Można spajać również metale różne jak np. miedź z aluminium. Natomiast bardzo trudno łączy się stal i mosiądz. Są jednak znane przypadki łączenia stali przez stosowanie odkształceń przy pomocy detonacji materiałów wybuchowych. a) b) Rys. 3. Niekorzystne przypadki odkształcania przy spajaniu: a) przypadek b > 2 g, b) b << g W technice znane są przypadki szkodliwego występowania zjawiska spajania się metali na zimno jak to ma miejsce w różnego rodzaju zatarciach oraz przy powstawaniu narostów na narzędziach skrawających i ciągadłach. Wykonanie ćwiczenia Stanowisko Do wykonania spajania przygotowano przyrząd SPK1 1 przedstawiony na Rys. 4. Przyrząd ma prostą budowę typu skrzynkowego. Składa się z dwóch płyt: dolnej (ozn. D na Rys. 4) i górnej (ozn. G), których odpowiednie położenie ustalono za pomocą dwóch kołków (ozn. C) osadzonych w płycie dolnej (Rys. 4c). W osi przyrządu wykonano otwór (ozn. A) na osadzenie dwóch stempli, z których jeden (dolny) pokazano na Rys. 4b. Próbki przeznaczone do spajania są układane w kanale (ozn. B), który poprowadzono na powierzchni podziału płyt. Paski przeznaczone do łączenia należy wsunąć przez okno kanału do zetknięcia ich czoła a kołkiem oporowym (ozn. E). Wybranie (ozn. F) służy do wsunięcia płetwy wkrętaka płaskiego, którym można rozłączyć płyty celem wyjęcia połączonych pasków z przyrządu SPK1. Do prób przygotowano kilka par 2 wymiennych stempli. Stemple różnię się wysokością h. Należy dobrać odpowiednie pary stempli celem uzyskania założonej wartości odkształcenia plastycznego planowanego dla spajania na zimno. Przebieg ćwiczenia 1. Dobrać parami stemple przyrządu SPK1 do spajania 2. Pomierzyć całkowitą wysokość poszczególnych stempli h (Rys. 4b) i przyrządu H (Rys. 4a) 3. Wyniki pomiarów odnotowywać w przygotowanym arkuszu pomiarowym 3 (załącznik TWL6Z1) 4. Oczyścić przy pomocy wirującej szczotki stalowej powierzchnie styku łączonych próbek Uwagi: Przy czyszczeniu używać okularów ochronnych. Miejsc oczyszczonych nie dotykać palcami ani nie dmuchać na nie, gdyż powoduje to natłuszczanie lub zwilgocenie powierzchni 1 Dokumentację konstrukcyjną przyrządu SPK1 zapisano w [ SPK1-dokumentacja szkicowa.pdf ] 2 Zestaw stempli dobieranych do wykonania zgrzeiny zgniotowej przez spajanie na zimno w przyrządzie SPK1 składa się z pary: stempla górnego i stempla dolnego 3 Przykład roboczego arkusza pomiarowego dostarczono w dokumencie [ twl1 arkusz pomiarowy - spajanie.doc ] zszywka twl6 spajanie 07.doc UFGbySPD

5 5. Przeprowadzić spajanie próbek możliwie natychmiast po ich oczyszczeniu. Do spajania użyć przyrządu SPK1. Stemple wciskać aż do zrównania się ich podstaw z powierzchniami płyt przyrządu (dolnej i górnej). Operację wykonać przy użyciu prasy dostępnej w laboratorium (ręcznej prasy hydraulicznej lub śrubowej albo zrywarki z napędem mechanicznym, której obsługę należy powierzyć doświadczonemu laborantowi z uwagi na wymóg zamknięcia przyrządu). Uwaga: Nie wywoływać nadmiernej siły ściskającej gdyż można uszkodzić przyrząd SPK1 6. Zrywać próbki na maszynie wytrzymałościowej, notując siłę zrywającą P 7. Sporządzić szkic przekroju poprzecznego przyrządu. A G H h D B a) b) B C c) Rys. 4. Przyrząd SPK1 do spajania na zimno pasków blach: a) korpus przyrządu, b) stempel, c) rozłączone płyty przyrządu SPK1 Opracowanie wyników Dla przeprowadzenia interpretacji otrzymanych wyników należy obliczyć wartości odkształceń jakich doznał materiał w czasie spajania. Z uwagi na występującą zmienność odkształcenia (patrz opis rysunków Rys. 2 i Rys. 3) posługujemy się wartościami wyrażonymi w % ε H = (Δg/g) 100 [%], Δg = g (H/2 h) Zatem odkształcenie ε H ε H = 1 (H/2 h) / g 100 [%] F E gdzie: H wysokość przyrządu, h wysokość stempla (kowadła), g grubość materiału. Wyniki pomiarów i obliczeń zestawić w tablicy (załącznik TWL6Z1). W oparciu o wyniki zawarte w tablicy wyników sporządzić wykres we współrzędnych: P, ε H. Na wykresie zaznaczyć optymalną wartość odkształcenia, przy której złącze ma największą wytrzymałość. zszywka twl6 spajanie 07.doc UFGbySPD

6 Sprawozdanie Sprawozdanie powinno odzwierciedlać przebieg ćwiczenia, a w szczególności zawierać następujące elementy: Rysunek 4 pokazujący wygląd przekroju poprzecznego przyrządu SPK1 wraz z wymiarami (zwłaszcza części roboczych) stempli, dla których uzyskano złącze o największej wytrzymałości Tablicę wypełnioną wynikami pomiarów i obliczeń, potwierdzających prawidłowość wykonania doświadczenia Wykres zależności siły maksymalnej przenoszonej przez złącze P w funkcji odkształcenia ε H zastosowanego przy spajaniu na zimno celem uzyskania złącza Opis przebiegu zniszczenia złącza wykonanego przy małym i dużym odkształceniu ε H Rysunek prezentujący charakterystyczne wymiary złącza o największej wytrzymałości Wartość odkształcenia ε H, którą dla badanego materiału uznano za optymalną z uwagi na uzyskanie największej wytrzymałości złącza. Pytania 1. Dlaczego przy małych odkształceniach nie następuje spojenie metali? 2. Dlaczego wzrasta wytrzymałość spoiny w miarę powiększania się wartości ε H? 3. Jakie zjawisko powoduje obniżenie siły zrywającej złącze przy dużych odkształceniach? 4. Jak przebiega zniszczenie złącza wykonanego przy małym i dużym odkształceniu? 5. Jak ustalić optymalną długość spoiny? Załączniki TWL6Z1 Propozycja roboczego arkusza pomiarowego dołączanego do sprawozdania Dane identyfikacyjne doświadczenia Charakterystyka badanego materiału Wysokość przyrządu SPK1, H = Szkic próbki przygotowanej do spajania na zimno w przyrządzie SPK1 Nr zestawu stempli Wysokość stempla h [mm] Grubość materiału g [mm] Odkształceni e ε H [%] Siła zrywająca P [kn] Uwagi 4 Zaleca się wykonywanie rysunków w programie Visio, ewentualnie przy użyciu AutoCAD zszywka twl6 spajanie 07.doc UFGbySPD