Innovationen in der Nietschweißtechnik: von traditionellen Verfahren zu modernen Hybridlösungen (Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen im genieteten Kopfbereich)

NietschweißtechnikInnovation: von traditionellen Verfahren zu modernen Hybridlösungen
1 Überblick und Klassifizierung der Niettechnik
Nieten ist eine seit Jahrhunderten entwickelte, klassische mechanische Verbindungstechnik. Beim traditionellen Nieten wird durch plastische Verformung eine mechanische Verriegelung an der Verbindungsstelle erzeugt, um die Kraftübertragung zu erreichen. Mit dem technologischen Fortschritt, insbesondere dem Aufkommen neuer Technologien wie dem Rührreibnietschweißen, hat sich das Nietschweißen von einer rein mechanischen Verbindung zu einer hybriden Verbindungstechnik entwickelt, die mechanische Verriegelung und metallurgisches Verbinden kombiniert.

Die moderne Niettechnik lässt sich anhand der Nietform und der Nietstruktur in zwei Kategorien einteilen: das selbstnietende Rührreibnieten und das selbststanzende Spinnnieten. Beim selbstnietenden Rührreibnieten werden keine vorgefertigten Nieten für die Verbindung von Platten aus unterschiedlichen Materialien verwendet. In der unteren Platte vorgefertigte Löcher der entsprechenden Form, mit dem Rührkopf Bewegung, das obere Material in der Reibung unter der Wirkung von Wärme Erweichung und Extrusion nach unten fließen, in die untere Platte vorgefertigte Löcher, um eine ähnliche Struktur Niet bilden. Und der Prozess der Stanz-Spin-Nieten umfasst vor allem vier Phasen: Nietpunkt suchen, rühren selbst Gewindelöcher, rühren Verformung Verriegelung und Not-Aus solide Schweißen.

2 Reibrührnietschweißtechnik Details
2.1 Rührende ReibungNietschweißenGrundsätze und Verfahren
Das Rührreibnietschweißen ist eine aufstrebende Technologie zur Stabilisierung der Verbindung ungleicher Werkstoffe, bei der die Rotationsreibung von Nieten zur Erzeugung von Wärme genutzt wird, wobei die Verformungssicherung und die Festphasenschweißmerkmale der Nietschweißtechnik erhalten bleiben. Im Bereich des Rührreibnietschweißens wurden an verschiedenen Universitäten im In- und Ausland entsprechende Forschungsarbeiten durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf der Organisation und der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Rührreibnietschweißverbindungen sowie auf der Analyse der Versagensformen liegt.

Haris et al. untersuchte die Mikro-Rührreibniet-Schweißtechnik, um mehrschichtige Al/Cu ultradünne Platten zu verbinden, und die Testergebnisse zeigten eine gute Verbindung zwischen den Schichten und das Vorhandensein von nanoskaligen Diffusionsschicht.William studierte die doppelseitige gerührte Reibung selbst Nieten Schweißen Technik, und der Test in der vorgefertigten Löcher, um eine kontinuierliche Niet-ähnliche Verbindungsstellen zu bilden, Gelenke nicht nur eine metallurgische Kombination der Materialebene zu bilden, sondern auch in der Nietschweißverbindungen in den unteren Teil der Bildung einer wirksamen mechanischen Verriegelung. Die Verbindung bildet nicht nur eine metallurgische Verbindung auf der Materialebene, sondern auch eine effektive mechanische Verriegelung im unteren Teil des Nietschweißkopfes.

2.2 Verbindungsform und Verbindungsmechanismus beim Rührreibnietschweißen
Die Verbindungsformen des Rührreibnietens lassen sich je nach Nietform und Nietstruktur in vier Typen unterteilen: Rührreibblindniettechnik (FSBR), Rührspinnnieten (FSPR), Rotationsreibbohrnieten (RFDR) und Rotationsreibdrucknieten (RFPR).

Typische rührreibgeschweißte Schweißfittings unterscheiden sich in ihrer Konstruktion von stanzgeschweißten rührreibgeschweißten Schweißfittings. Beim Verbinden von Aluminiumlegierungen mit Stahl durch Rührreibnietschweißen wird die Aluminiumplatte in der Regel oben und die Stahlplatte unten angebracht. Im Allgemeinen werden in der Stahlplatte Löcher mit einer bestimmten Form vorgefertigt, um nach dem Nieten eine feste, nietähnliche Verbindung zu bilden. Nach den Forschungsergebnissen von Huang et al. folgt beim Schweißen von Aluminiumlegierung und Stahl durch Rühr- und Reibnieten die Reihenfolge der Materialfüllung folgendem Gesetz: Zuerst wird die Aluminiumlegierung an der Nietspitze verformt, dann wird die Aluminiumlegierung im Nietschaft gerührt und schließlich wird die Aluminiumlegierung durch den Vorschub des Niets eingepresst.

3 Zusammenhang zwischen Gefüge und Eigenschaften im Bereich der Nietschweißverbindung
3.1 Mikrostrukturelle Merkmale des Fugenbereichs
Die Untersuchung der Mikrostruktur der rührreibgenieteten Verbindungsregion kann zu einem tieferen Verständnis der Gewebe-Eigenschafts-Beziehung beitragen und so die Gesamtleistung von rührreibgenieteten Schweißverbindungen weiter kontrollieren.

Nach dem Gesetz der Organisationsentwicklung kann der Bereich des Rührreibschweißkopfes in den Rührbereich (SZ) oder Schweißblock (WNZ), die thermomechanische Einflusszone (TMAZ), die plastisch verformbare Metallflusszone (PDZ) oder den Selbstnietbereich (SRZ) unterteilt werden. Im Vergleich zur Matrixorganisation ist der SZ-Bereich deutlich feiner, mit feinsten Körnern und einem Gefüge aus feinen gleichachsigen Kristallen. Der PDZ-Bereich ist deutlich gröber, aber feiner als die Matrix, mit gröberen gleichachsigen Kristallen. Der TMAZ-Bereich ist feiner, und die Körner sind aufgrund der Auswirkungen des mechanischen Rührens deutlich verformt.

3.2 Intermetallische Verbindungen an der Grenzfläche und ihre Auswirkungen
Huang et al. zeigten, dass die Grenzfläche zwischen Aluminiumlegierung und Stahl beim Rührreibnietschweißen glatt und fest verbunden ist und dass keine offensichtlichen Risse, Löcher oder andere Defekte gefunden wurden. Die Ergebnisse der TEM-Inspektion zeigten, dass es sich bei den erzeugten intermetallischen Verbindungen um Fe4Al13 handelt. Sun et al. entdeckten flockiges Fe2Al5 und diffus verteiltes klumpiges FeAl6 an der Grenzfläche zwischen 6061 Aluminiumlegierung und kohlenstoffarmem Stahl. Sun et al. entdeckten flockige Fe2Al5 und diffus verteilte massive FeAl6 intermetallische Verbindungen an der Grenzfläche zwischen 6061er Aluminiumlegierung und Baustahl beim Rührreibnietschweißen.

Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass die Bildung von Al-reichen intermetallischen Verbindungen wie Fe2Al5 und FeAl3 im Vergleich zur Bildung von Fe-reichen intermetallischen Verbindungen wie FeAl und Fe3Al die Grenzflächenhaftung sowie die Verbindungsfestigkeit negativ beeinflusst. Diese Erkenntnis liefert einen wichtigen Hinweis für die Optimierung des Nietschweißprozesses.

4 NietschweißverfahrenStrategien zur Optimierung und Leistungsverbesserung
4.1 Optimierung der Prozessparameter
Die Parameter des Nietprozesses haben einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Verbindung. Beim Stanzdrallnieten sind der Wurzelschnitt d (der radiale Abstand von der Grenzfläche zwischen dem Niet und dem Blechverbund bis zur Nietspitze), die Niettiefe h (die Tiefe, bis zu der der Niet in das untere Blech eindringt) und der Blechabstand zwischen den Nieten in der Nähe des Nietstiels usw. alles kritische Parameter. Im Allgemeinen deuten größere Wurzelschnitte und Niettiefen auf eine stärkere mechanische Verriegelung hin, während größere Werte von δ eine geringere Niettiefe und eine schwächere mechanische Verriegelung bedeuten.

Wang Xijing et al. untersuchten die Auswirkungen von zwei Verbindungsformen des implantierten Rührreibnietschweißens auf die Leistungsfähigkeit, und die Versuchsergebnisse zeigten, dass bei der Verbindungsform mit einer Nagelkappe auf der Rückseite die Aluminiumsäule während des Streckvorgangs entlang der Schnittstelle in zwei Teile abgeschert wurde, während bei der Verbindungsform ohne Nagelkappe auf der Rückseite die Aluminiumsäule während des Streckvorgangs direkt aus dem Loch herausgezogen wurde. Um eine mechanische Verriegelung der Nieten zu erreichen, d.h. um eine Nagelkappenstruktur zu bilden, muss daher eine passende Form unter die vorgefertigten Löcher gelegt werden, was höhere Anforderungen an die Platzierung und den Abstand der Nieten stellt.

4.2 Materialoptimierung und Oberflächenbehandlung
Die Leistung von Nietschweißverbindungen kann durch eine Optimierung des Materials und der Oberflächenbehandlung erheblich verbessert werden. Der Zusatz von Zn oder die Verwendung von verzinktem Stahl beim Rührreibnietschweißen von Aluminium und Stahl fördert die Bildung von intermetallischen Al-Zn-Verbindungen und verringert die Bildung von schädlichen intermetallischen Fe-Al-Verbindungen.

Min et al. haben die Entwicklung des Mikrogefüges von Stanznieten aus der Aluminiumlegierung AA611 und verzinktem Stahl beobachtet und charakterisiert. Der Verbindungsbereich kann entsprechend der Mikrostrukturentwicklung in drei typische Regionen unterteilt werden, die alle in einem kreisförmigen Bogen um den Niet herum verteilt sind: Region X (>773 μm vom Rand des Niets), Region A (im Bereich von 363~773 μm vom Rand des Niets) und Region B (im Bereich von 88~363 μm vom Rand des Niets). Die verschiedenen Regionen weisen unterschiedliche Korngrenzeneigenschaften und Kornverfeinerungen auf, was auf unterschiedliche thermomechanische Vorgänge zurückzuführen ist.

5 Aussichten für die Anwendung der Nietschweißtechnik und Entwicklungstrend
5.1 Perspektiven für Anwendungen beim Fügen unterschiedlicher Materialien
Mit dem zunehmenden Bedarf an Leichtbau und Energieeinsparung im industriellen Bereich steigt die Nachfrage nach Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Aluminium- und Magnesiumlegierungen allein haben eine geringe Festigkeit und Steifigkeit und müssen mit hochfesten Werkstoffen wie Stahl kombiniert werden. Daher ist die Verbindung ungleicher Werkstoffe, insbesondere die Verbindung von Leichtmetalllegierungen wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen mit Stahl, besonders wichtig, wobei der Schwerpunkt auf der Notwendigkeit liegt, das Problem der Kombination ungleicher Werkstoffe mit hoher Festigkeit und hoher Präzision zu lösen.

Zu den herkömmlichen Methoden zum Verbinden unterschiedlicher Materialien gehören Nieten, Schweißen und Kleben. Diese Methoden haben jedoch viele Nachteile, wie z. B. mangelnde Universalität, geringe Festigkeit und Stabilität der Verbindung sowie Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Genauigkeit. Aufstrebende Technologien wie das Rührreibnieten und -schweißen bieten wirksame Lösungen für diese Herausforderungen, insbesondere in hochwertigen Fertigungsbereichen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie usw., die ein breites Anwendungsspektrum aufweisen.

5.2 Trends in der Technologieentwicklung
Die künftige Entwicklung der Niettechnologie wird der Prozesspräzision, der Verbesserung der Effizienz und der Erweiterung der Anpassungsfähigkeit mehr Aufmerksamkeit schenken. Einerseits wird die Konsistenz der Verbindungsqualität durch die präzise Kontrolle der Prozessparameter und die Verstärkung der Prozessüberwachung verbessert, andererseits wird die Produktionseffizienz verbessert und die Produktionskosten werden durch die Innovation von Ausrüstungen und die Optimierung von Prozessen gesenkt.

Digitalisierung und Intelligenz sind ebenfalls wichtige Richtungen in der Entwicklung der Niettechnik. Durch die Integration von Sensoren, Datenanalyse und Steuerungssystemen kann eine Echtzeitüberwachung und adaptive Steuerung des Nietprozesses realisiert werden, um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Verbindungsqualität zu gewährleisten. Gleichzeitig wird die Prozessoptimierung auf der Grundlage der digitalen Zwillingstechnologie ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Qualität des Nietschweißens werden.