Niittihitsaustekniikan innovaatiot: perinteisistä prosesseista nykyaikaisiin hybridiratkaisuihin (mikrorakenne-ominaisuussuhteet niittihitsauspään alueella)

NiittihitsaustekniikkaInnovointi: perinteisistä prosesseista nykyaikaisiin hybridiratkaisuihin
1 Yleiskatsaus ja niittaustekniikan luokittelu
Niittausta on kehitetty vuosisatojen ajan klassisena mekaanisena liitostekniikkana. Perinteinen niittaus luo mekaanisen lukituksen liitoskohtaan plastisen muodonmuutoksen avulla voiman siirtämiseksi. Tekniikan kehittyessä, erityisesti uusien tekniikoiden, kuten sekoittavan kitkan niittaushitsauksen, myötä niittaushitsaus on kehittynyt puhtaasti mekaanisesta liitoksesta hybridi-liitostekniikaksi, jossa yhdistyvät mekaaninen lukitus ja metallurginen liimaus.

Nykyaikainen niittaustekniikka voi perustua niittauksen muotoon ja niittirakenteeseen, joka on jaettu pääasiassa itseliimautuvaan sekoitettuun kitkaniittaukseen ja itsepistävään kehräävään niittaukseen kahteen luokkaan. Itseliimautuvassa sekoitetussa kitkaniittauksessa ei käytetä valmiita niittejä erilaisten materiaalien levyjen liittämiseen. Alemmassa levyssä esivalmistettuja reikiä sopivan muotoinen, sekoittaen pään liikkeen, ylempi materiaali kitkan vaikutuksen alaisena lämmön pehmeneminen ja puristamiseen alaspäin virtaus, osaksi alemman levyn esivalmistettuja reikiä muodostaa samanlaisen niitti rakenne. Ja itsepistävän spin-niittauksen prosessi sisältää pääasiassa neljä vaihetta: niittipisteen etsiminen, itsepistävien reikien sekoittaminen, muodonmuutoksen lukitseminen sekoittamalla ja kiinteän hitsauksen hätäpysäytys.

2 Kitkapuristusniittihitsaustekniikan yksityiskohdat
2.1 SekoituskitkaniittihitsausPeriaatteet ja prosessit
Sekoituskitkan niittihitsaustekniikka on kehittyvä tekniikka erilaisten materiaalien liitoksen vakauttamiseksi, jossa niittien kiertokitka tuottaa lämpöä säilyttäen samalla niittihitsaustekniikan muodonmuutoslukitus- ja kiinteän faasin hitsausominaisuudet. Eri yliopistoissa kotimaassa ja ulkomailla on tutkittu kitkaseosniittien hitsausta, mutta pääpaino on ollut kitkaseosniittien hitsausliitosten organisoinnissa ja mekaanisten ominaisuuksien kuvaamisessa sekä vikaantumismuotojen analysoinnissa.

Haris et al. tutki mikro-sekoitettua kitkaneettihitsaustekniikkaa monikerroksisten Al / Cu ultra-ohuiden levyjen liittämiseksi, ja testitulokset osoittivat hyvän kerrosten välisen sidoksen ja nanokokoluokan diffuusiokerroksen olemassaolon.William tutki kaksipuoleista sekoitettua kitkakitkaista itsestään niittaavaa hitsaustekniikkaa ja testiä esivalmistetuissa rei'issä jatkuvan niittimäisen liitosliitoksen muodostamiseksi, nivelet eivät ainoastaan muodosta metallurgista yhdistelmää materiaalin tasosta, vaan myös niittaamalla hitsausliitokset tehokkaan mekaanisen lukituksen muodostumisen alaosassa. Liitos ei ainoastaan muodostanut metallurgista yhteyttä materiaalitasolla, vaan myös muodosti tehokkaan mekaanisen lukituksen niittihitsauspään alaosaan.

2.2 Liitosmuoto ja liimausmekanismi sekoituskitkan niittihitsauksessa
Sekoitetun kitkaneulatekniikan liitosmuodot voidaan jakaa neljään eri tyyppiin niittausmuodon ja niitin rakenteen mukaan: sekoitetun kitkan sokkaneulatekniikka (FSBR), sekoitetun spin-niittauksen tekniikka (FSPR), pyörivän kitkan porattu niittaus (RFDR) ja pyörivän kitkan paininniittaus (RFPR).

Tyypilliset sekoituskitkaiset itsekiinnittyvät hitsausliitokset eroavat rakenteeltaan itsekierteittyvistä pyöröliitoksellisista sekoituskitkaisista hitsausliitoksista. Kun alumiiniseoksia liitetään teräkseen kitkasekoittavalla niittaushitsaustekniikalla, alumiinilevy asetetaan yleensä yläpuolelle ja teräslevy alapuolelle. Yleensä teräslevyyn tehdään valmiiksi tietyn muotoisia reikiä, jotta niittauksen jälkeen muodostuu vahva niittimäinen liitos. Huang et al. tutkimustulosten mukaan alumiiniseoksen ja teräksen hitsauksessa sekoittaen ja kitkaamalla itsestään niittaamalla alumiiniseoksen ja teräksen hitsauksessa materiaalin täyttymisjärjestys noudattaa seuraavaa lakia: ensiksi alumiiniseos deformoituu niitin kärjessä, toiseksi alumiiniseos sekoittuu niitin varren kohdalla ja lopuksi alumiiniseos puristuu sisään niitin syötön vuoksi.

3 Mikrorakenteen ja ominaisuuksien välinen suhde niitattujen hitsausliitosten alueella
3.1 Liitosalueen mikrorakenteelliset ominaisuudet
Kitkaseosniittien hitsatun liitosalueen mikrorakenteen tutkiminen voi edistää kudos-ominaisuussuhteen syvempää ymmärtämistä ja siten ohjata kitkaseosniittien hitsattujen liitosten yleistä suorituskykyä.

Organisaation kehityslain mukaan sekoituskitkaisen itsekiinnittyvän hitsauspään alue voidaan jakaa sekoitusalueeseen (SZ) tai hitsauslohkoon (WNZ), termomekaanisen vaikutuksen alueeseen (TMAZ), plastisen muodonmuutoksen metallivirtausvyöhykkeeseen (PDZ) tai itsekiinnittyvään alueeseen (SRZ). Matriisiorganisaatioon verrattuna SZ-alue on huomattavasti hienompaa, sillä siellä on hienojakoisimmat rakeet ja mikrorakenne koostuu hienoista tasaakselisista kiteistä, kun taas PDZ-alue on huomattavasti karkeampaa mutta hienompaa kuin matriisi, sillä siellä on karkeampia tasaakselisia kiteitä, ja TMAZ-alue on hienompaa, ja rakeet ovat merkittävästi deformoituneet mekaanisen sekoituksen vaikutuksesta.

3.2 Intermetalliset yhdisteet rajapinnassa ja niiden vaikutukset
Alumiiniseoksen ja teräksen kitkaseosniittaushitsauksen rajapinnassa muodostuu helposti FexAly (x<y) -tyyppisiä intermetalliyhdisteitä, mikä on haitallista liitoksen suorituskyvylle.Huang et al. osoittivat, että alumiiniseoksen ja teräksen kitkaseosniittaushitsauksen rajapinta on sileä ja tiukasti sidottu, eikä selviä halkeamia, reikiä tai muita vikoja havaittu.TEM-tarkastuksen tulokset osoittivat, että muodostuneet intermetalliyhdisteet ovat Fe4Al13.Sun et al. havaitsivat hiutaleista koostuvaa Fe2Al5:tä ja hajallaan jakautunutta muhkuraista FeAl6:a 6061-alumiiniseoksen ja matalahiilisen teräksen rajapinnoilla. et al. havaitsivat hilseileviä Fe2Al5- ja diffuusisti jakautuneita massiivisia FeAl6-metallien välisiä yhdisteitä 6061-alumiiniseoksen ja mietoteräksen rajapinnassa sekoituskitkan niittauksessa.

Lukuisat tutkimukset ovat osoittaneet, että Al-rikkaiden intermetalliyhdisteiden, kuten Fe2Al5 ja FeAl3, muodostuminen vaikuttaa negatiivisesti rajapinnan kiinnittymiseen ja liitoksen lujuuteen verrattuna Fe-rikkaiden intermetalliyhdisteiden, kuten FeAl ja Fe3Al, muodostumiseen. Tämä havainto antaa tärkeän suunnan niittikiinnitysprosessin optimoinnille.

4 NiittihitsausprosessiOptimointi- ja suorituskyvyn parantamisstrategiat
4.1 Prosessiparametrien optimointi
Niittausprosessin parametrit vaikuttavat ratkaisevasti liitoksen laatuun. Itsepierrettävässä pyöröliitoksessa juurileikkaus d (säteittäinen etäisyys niitin ja levyn liitoksen rajapinnasta niitin kärkeen), niitin syvyys h (niitin syvyys alempaan levyyn) ja niittien välinen etäisyys levyjen välillä lähellä niitin kantta ovat kaikki kriittisiä parametreja. Yleisesti ottaen suuremmat juurileikkaukset ja niittisyvyydet merkitsevät vahvempaa mekaanista lukitusyhteistyötä, kun taas suuremmat δ-arvot merkitsevät pienempää niittisyvyyttä ja heikompaa mekaanista lukitusyhteistyötä.

Wang Xijing et al. tutkivat kahden implantoidun sekoitetun kitkaneulahitsauksen liitosmuodon vaikutusta suorituskykyyn, ja kokeelliset tulokset osoittivat, että liitosmuodossa, jossa oli naulakorkki takapuolella, alumiinipylväs leikkautui kahteen osaan rajapintaa pitkin venytysprosessin aikana, kun taas liitosmuodossa, jossa ei ollut naulakorkkia takapuolella, alumiinipylväs vetäytyi ulos suoraan reiästä venytysprosessin aikana. Niittien mekaanisen lukituksen aikaansaamiseksi eli naulakorkkirakenteen muodostamiseksi esivalmistettujen reikien alle on siis asetettava sopiva yhteensopiva muotti, mikä asettaa tiukempia vaatimuksia niittien sijoittelulle ja tilalle.

4.2 Materiaalin optimointi ja pintakäsittely
Niittihitsattujen liitosten suorituskykyä voidaan parantaa merkittävästi materiaalin optimoinnilla ja pintakäsittelyllä. Zn:n lisääminen tai galvanoidun teräksen käyttö alumiinin ja teräksen kitkaseosniittauksessa edistää Al-Zn intermetalliyhdisteiden muodostumista ja vähentää haitallisten Fe-Al intermetalliyhdisteiden muodostumista.

Min et al. ovat havainnoineet ja luonnehtineet itsekierteitettyjen AA611-alumiiniseoksesta ja sinkitystä teräksestä valmistettujen niittien mikrorakenteen kehitystä. Liitosalue voidaan jakaa mikrorakenteen kehittymisen mukaan kolmeen tyypilliseen alueeseen, jotka kaikki jakautuvat niitin keskelle keskitetylle ympyränkaarelle: alue X (>773 μm niitin reunasta), alue A (välillä 363~773 μm niitin reunasta) ja alue B (välillä 88~363 μm niitin reunasta). Eri alueilla on erilaiset raerajojen ominaisuudet ja rakeiden hienojakoisuus, mikä heijastaa erilaista termomekaanista historiaa.

5 Niittaushitsaustekniikan soveltamisnäkymät ja kehityssuuntaus
5.1 Näkymät erilaisten materiaalien liittämisessä käytettäväksi
Keveyden ja energiansäästön kasvavan kysynnän myötä alumiini- ja magnesiumseosten käyttö teollisuudessa on lisääntynyt, mutta alumiini- ja magnesiumseosten lujuus ja jäykkyys ovat yksinään alhaiset, ja niitä on käytettävä yhdessä lujien materiaalien, kuten teräksen, kanssa. Siksi erilaisten materiaalien, erityisesti kevyiden seosten, kuten alumiiniseosten ja magnesiumseosten, ja teräksen yhdistäminen on erityisen tärkeää, ja siinä keskitytään tarpeeseen ratkaista ongelma, joka liittyy erilaisten materiaalien yhdistämiseen suurella lujuudella ja tarkkuudella.

Perinteisiä menetelmiä erilaisten materiaalien yhdistämiseen ovat niittaus, hitsaus ja liimaus, mutta näissä menetelmissä on monia haittoja, kuten huono yleiskäyttöisyys, liitoksen heikko lujuus ja vakaus sekä tarkkuuden hallinnan vaikeus. Kehitteillä olevat tekniikat, kuten sekoituskitkan niittaus ja hitsaus, tarjoavat tehokkaita ratkaisuja näihin haasteisiin, erityisesti korkealuokkaisilla tuotantoaloilla, kuten autoteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusteollisuudessa jne., ja niillä on laajat sovellusnäkymät.

5.2 Teknologian kehityksen suuntaukset
Niittaustekniikan tulevassa kehityksessä kiinnitetään entistä enemmän huomiota prosessin tarkkuuteen, tehokkuuden parantamiseen ja sopeutumiskyvyn laajentamiseen. Yhtäältä liitosten laadun tasaisuutta parannetaan prosessiparametrien tarkalla valvonnalla ja prosessin seurannan tehostamisella; toisaalta tuotannon tehokkuutta parannetaan ja tuotantokustannuksia alennetaan laitteiden innovoinnin ja prosessien optimoinnin avulla.

Digitalisaatio ja älykkyys ovat myös tärkeitä suuntia niittitekniikan kehittämisessä. Antureiden, data-analyysin ja ohjausjärjestelmien integroinnin avulla voidaan toteuttaa niittausprosessin reaaliaikainen seuranta ja mukautuva ohjaus, jolla varmistetaan liitoksen laadun vakaus ja luotettavuus. Samalla digitaaliseen kaksoisteknologiaan perustuvasta prosessin optimoinnista tulee myös tärkeä keino parantaa niittaushitsauksen laatua.