การเชื่อมด้วยแรงเสียดทานแบบกวนของทองแดง T2 และทองเหลือง H62: พารามิเตอร์กระบวนการ โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติของข้อต่อ

เหตุใดทองแดง T2 และทองเหลือง H62 จึงยากต่อการเชื่อมฟิวชั่น

การรวมทองแดง T2 กับทองเหลือง H62 ช่วยให้ส่วนประกอบเดียวใช้ประโยชน์จากทั้งพฤติกรรมทางไฟฟ้าและความร้อนของทองแดงที่มีความบริสุทธิ์สูง- และความแข็งแกร่งที่สูงขึ้นและความสามารถในการแปรรูปที่ดีขึ้นของทองเหลืองสองเฟส- อุปสรรคคือโลหะวิทยา ทองแดง T2 ละลายที่อุณหภูมิ 1,085 องศา ทองเหลือง H62 แข็งตัวใกล้ 900 องศา และทองแดงดึงความร้อนออกจากข้อต่อได้เร็วกว่าทองเหลืองมาก ในการเชื่อมอาร์ค เลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอน ด้านที่อุดมด้วยสังกะสี-จะมีช่วงการเดือดก่อนที่ด้านทองแดงจะละลายจนหมด สังกะสีจึงสูญเสียไป มีควันเกิดขึ้น และข้อต่อจะเกิดความพรุน ฟิล์มอินเตอร์เมทัลลิกหยาบ และการแตกร้าวจากความร้อน การเจือจางแทบจะควบคุมไม่ได้ภายในการเหลื่อมแคบระหว่างช่วงการหลอมเหลวทั้งสอง ช่วงซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงนิยมใช้เส้นทางโซลิดสเตต-สำหรับแผ่นทองแดงและทองเหลืองบาง

การเชื่อมด้วยแรงเสียดทานแบบกวน (FSW) เป็นกระบวนการที่เป็นของแข็ง-: เครื่องมือที่หมุนจะเสียดสีกับชิ้นงาน แรงเสียดทานและงานพลาสติกจะทำให้เกิดความร้อน และโลหะที่อ่อนตัวแล้วจะถูกกวนและหลอมขึ้นด้านหลังเครื่องมือโดยไม่ต้องถึงจุดหลอมเหลว โลหะผสมถูกทำให้เป็นพลาสติกโดยการทำงานร่วมกันของส่วนไหล่และหมุด จากนั้นจึงอัดขึ้นรูปรอบหมุดและรวมเข้าด้วยกันที่ขอบท้าย สำหรับโลหะผสมทองแดง เครื่องมือต้องมีขนาดเพื่อให้หมุดสั้นกว่าความหนาของแผ่น 0.2–0.3 มม. ดังนั้นจึงมีการปลอมแปลงทั้งส่วนแทนที่จะเจาะ และแกนเครื่องมือเอียงห่างจากแนวตั้งประมาณ 2 องศา เพื่อรักษาแรงกดในการปลอมด้านหลังไหล่

ตั้งค่าการทดลอง-และประมวลผลพารามิเตอร์

การศึกษากระบวนการเชื่อมทองแดง T2 หนา 2 มม. และ 4 มม. เข้ากับแผ่นทองเหลือง H62 บนเครื่องเชื่อมแบบเสียดทานแบบกวนโดยเฉพาะ เนื่องจากทองเหลืองละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่าและนำความร้อนได้น้อยกว่าทองแดง แผ่นทองเหลืองจึงถูกวางไว้ที่ด้านที่เคลื่อนตัวและแผ่นทองแดงที่ด้านที่กลับ ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิทั่วทั้งแนวเชื่อมสมดุลและลดความร้อนสูงเกินไปของทองเหลือง ความเร็วในการหมุนและความเร็วในการเชื่อมแตกต่างกันไปตามหน้าต่างที่แสดงด้านล่าง และใช้แรงกดไหล่เป็นตัวควบคุมความร้อนที่สองบนแผ่นทินเนอร์

การสร้างพื้นผิวการเชื่อมและความไวของพารามิเตอร์

บนเพลตขนาด 2 มม. ความเร็วในการหมุนจะมีอิทธิพลเหนือคุณภาพของพื้นผิว ที่ 700 รอบ/นาที ความร้อนที่ป้อนต่อหน่วยความยาวของการเชื่อมจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว พฤติกรรมการไหลของโลหะพลาสติกจะลดลง และวงแหวนพื้นผิวจะไม่สม่ำเสมออย่างเห็นได้ชัด ช่วงความเร็วการเชื่อมที่ยังคงสร้างเสียงบีดหดตัวในเวลาเดียวกัน เนื่องจากแผ่นบาง ความร้อนส่วนใหญ่จึงมาจากการเสียดสีที่ไหล่มากกว่าที่หมุด ดังนั้นแรงกดที่ไหล่จึงกลายเป็นการควบคุมที่สองซึ่งมีความสำคัญไม่แพ้กัน ความเร็วการหมุนคงที่และความดันไหล่ที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มการป้อนความร้อนและทำให้รูปแบบพื้นผิวหยาบขึ้นอีกครั้ง ในขณะที่ความดันคงที่ การเปลี่ยนแปลงความเร็วในการเชื่อมจะเปลี่ยนสมดุลระหว่างการสร้างความร้อนและการกำจัดความร้อน

ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติคือหน้าต่างกระบวนการแทนที่จะเป็นสูตรเดียว: ความเร็วในการหมุนระหว่าง 450 ถึง 600 รอบ/นาที ด้วยความเร็วการเชื่อมปานกลาง ทำให้เกิดพื้นผิวที่ขึ้นรูปอย่างต่อเนื่อง -โดยไม่มีข้อบกพร่องบนความหนาของแผ่นทั้งสอง

โครงสร้างจุลภาคของนักเชื่อมและเฟสการเชื่อมต่อ

การผสมโลหะผสมทั้งสองจะเข้มข้นในนักเชื่อม ซึ่งวัสดุทั้งสองจะไหลเข้าหากันและเกิดรูปแบบวงแหวนหัวหอม- ส่วนประกอบที่โดดเด่นของนักเก็ตคือทองเหลืองซึ่งมีทองแดงกระจายอยู่ และในตำแหน่งทั้งสองจะปรากฏเป็นส่วนที่ยื่นออกมาเป็นบล็อกขนาดใหญ่ล็อคเข้าด้วยกัน ทองเหลืองจากด้านที่ก้าวหน้าถูกขับเคลื่อนภายในเส้นผ่านศูนย์กลางไหล่และรอบๆ หมุด ดังนั้นโลหะพลาสติกจากด้านที่ก้าวหน้าจึงถูกวางทับด้านที่กลับ ในขณะที่ทองแดงจากด้านที่กลับจะตัดผ่านศูนย์กลางของนักเก็ตและขึ้นไปยังด้านที่ก้าวหน้า โลหะที่อยู่ใกล้ไหล่สามารถเข้าถึงเทอร์โม-โซนที่ได้รับผลกระทบทางกลของฝั่งที่กำลังรุกได้ ในข้อต่อขนาด 2 มม. วัสดุทั้งสองจะติดกันตามระนาบเอียง และทองแดงที่เข้าไปในนักเก็ตจะกระจายตัวอยู่ในทองเหลืองอย่างสมบูรณ์

โครงสร้างเกรนแตกต่างกันไปในแต่ละโซน เม็ดทองแดงที่อยู่ติดกับทองเหลืองจะหยาบอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากความร้อนที่มาจากด้านทองแดงสะสมอยู่ในนักเก็ต และทองแดงที่อยู่ใกล้กับทองเหลืองจะมีอุณหภูมิสูง-คงอยู่เป็นเวลานาน ในด้านทองเหลือง ความร้อนส่วนเกินจะทำให้เกิดเม็ดหยาบที่เท่ากัน ในขณะที่เม็ดทองเหลืองที่อยู่ภายในนักเก็ตยังคงละเอียดและกระจายอย่างสม่ำเสมอ โซนรับผลกระทบทางกลของเทอร์โม-ที่ด้านทองเหลืองขั้นสูงนั้นถูกล้อมรอบด้วยเส้นแบ่งที่ชัดเจนสองเส้น ซึ่งมีความสมมาตรโดยประมาณเกี่ยวกับนักเก็ต ระหว่างโลหะผสมทั้งสองจะมีชั้นทรานซิชันที่มีความกว้าง 1–10 µm การเลี้ยวเบนรังสี X- ระบุว่าเป็น Cu5Zn8 ระหว่างโลหะ

สมบัติความแข็งระดับจุลภาคและแรงดึงของข้อต่อ

วัดตามหน้าตัดตั้งแต่ทองแดงถึงทองเหลือง ร่องรอยความแข็งจะติดตามโลหะฐาน: โลหะต้นกำเนิดทองแดงมีค่าเฉลี่ย 95 HV และโลหะต้นกำเนิดทองเหลือง 160 HV ดังนั้น ความแข็งระดับไมโครจึงไต่ขึ้นอย่างชันผ่านโซนการเปลี่ยนแปลง ข้อต่อทุกจุดจะอ่อนตัวลงเมื่อเทียบกับโลหะฐานของตัวเอง และด้านทองเหลืองจะอ่อนตัวลงมากกว่าด้านทองแดง: ทองเหลืองสูญเสีย 40–60 HV ในขณะที่ทองแดงสูญเสียเพียง 10–20 HV เท่านั้น ซึ่งเป็นความแตกต่างที่ตามมาโดยตรงจากจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าของทองเหลือง และความไวต่ออุณหภูมิสูงเกินไปที่อุณหภูมิสูง ข้อต่อที่เชื่อมที่ 450 รอบ/นาที และ 80 มม./นาที นั้นยากกว่าข้อต่อที่ทำด้วยความเร็วการหมุนที่สูงกว่ารวมกับความเร็วในการเชื่อมที่สูงกว่า ความแตกต่างที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดที่ด้านทองเหลือง

ผลลัพธ์แรงดึงเป็นไปตามตรรกะเดียวกัน การยืดตัวและความต้านทานแรงดึงสูงถึงสูงสุดที่ 600 รอบ/นาที ด้วยความเร็วในการเชื่อมที่ 55 มม./นาที และค่าความต้านทานแรงดึงโดยเฉลี่ยของข้อต่ออยู่ระหว่างค่าของทองเหลืองกับทองแดง การแตกหักเกิดขึ้นที่ด้านทองแดง การเพิ่มความเร็วในการหมุนเป็น 700 รอบ/นาที จะทำให้อินพุตความร้อนกว้างขึ้น และลดช่วงความเร็วการเชื่อมที่ใช้ได้ ดังนั้นความเร็วในการเชื่อมที่เลือกไม่ดีจะทำให้สูญเสียความเหนียวและความต้านทานแรงดึงอย่างเห็นได้ชัด คุณภาพของข้อต่อจึงควบคุมได้ยาก การรักษาความเร็วในการหมุนให้อยู่ระหว่าง 450 ถึง 600 รอบ/นาที ด้วยความเร็วการเชื่อมที่ตรงกัน ทำให้เกิดข้อต่อที่ผสมผสานระหว่างการยืดตัวและความแข็งแรงได้อย่างลงตัว

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: สามารถต่อทองแดง T2 และทองเหลือง H62 โดยไม่ละลายโลหะผสมได้หรือไม่
ใช่. การเชื่อมด้วยแรงเสียดทานแบบกวนเป็นกระบวนการ-ในสถานะของแข็ง ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงการเกิดรอยต่อที่อยู่ใต้จุดหลอมเหลวของโลหะผสมทั้งสอง และการสูญเสียสังกะสี ความพรุน และการแตกร้าวจากความร้อน โดยทั่วไปของการเชื่อมแบบฟิวชัน

ถาม: ควรวางแผ่นทองเหลืองด้านใด?
ทองเหลืองจะอยู่ในด้านที่ก้าวหน้าและทองแดงในด้านที่กลับ สิ่งนี้จะชดเชยจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าและค่าการนำความร้อนที่ต่ำกว่าของทองเหลือง และทำให้อุณหภูมิทั่วทั้งแนวเชื่อมสมดุล

ถาม: ความเร็วในการหมุนและการเชื่อมใดที่ทำให้ข้อต่อได้ดีที่สุด?
แนะนำให้ใช้ความเร็วในการหมุนระหว่าง 450 ถึง 600 รอบ/นาที ด้วยความเร็วการเชื่อมที่ตรงกัน 600 รอบ/นาที รวมกับ 55 มม./นาที ทำให้เกิดการยืดตัวและความต้านทานแรงดึงสูงสุดในการทดลอง

ถาม: ทำไมด้านทองเหลืองถึงอ่อนตัวมากกว่าด้านทองแดง?
ทองเหลืองละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่าทองแดงและอ่อนตัวลงได้ง่ายขึ้นที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นด้านทองเหลืองจะสูญเสีย 40–60 HV ในขณะที่ด้านทองแดงจะสูญเสียเพียง 10–20 HV

ถาม: เฟสใดเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานทองแดงและทองเหลือง
การเลี้ยวเบนรังสี X- ระบุชั้นการเปลี่ยนแปลงของ Cu5Zn8 ระหว่างโลหะผสมทั้งสองชนิด ชั้นนี้มีความกว้างเพียง 1–10 µm และเป็นสาเหตุที่ทำให้ความแข็งเพิ่มขึ้นอย่างสูงข้ามทางแยก

ถาม: ชิ้นงานทดสอบแรงดึงเสียหายที่ด้านใด
การแตกหักเกิดขึ้นที่ด้านทองแดง และค่าความต้านทานแรงดึงโดยเฉลี่ยของข้อต่อนั้นอยู่ระหว่างค่าความต้านทานแรงดึงของทองเหลืองกับค่าความต้านทานแรงดึงของโลหะต้นกำเนิดที่เป็นทองแดง