W różnych gałęziach przemysłu, między innymi w budowie środków transportu, wykorzystuje się szereg różnych technologii łączenia metalowych elementów konstrukcyjnych. Wraz z rosnącym udziałem nowych, lekkich i wytrzymałych stopów metali, przede wszystkim w lotnictwie i motoryzacji, producenci rozglądają się za nowymi metodami ich łączenia – w sposób bardziej ekonomiczny, szybszy i zużywający mniej energii.
Inżynierowie PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) od lat prowadzą badania nad innowacyjnymi technikami łączenia metali, o czym informowaliśmy już wcześniej:
Najnowsza koncepcja rodem z PNNL nosi nazwę HiVe (od High-Velocity Joining) i wykorzystuje energię pochodzącą z wysokich prędkości (od 50 do 300 m/s) do generowania ciepła i ciśnienia na potrzeby połączenia. W odróżnieniu od konwencjonalnego nitowania, technologia HiVe nie wymaga wstępnie nawiercanych otworów. W odróżnieniu od różnych metod nitowania (w tym nitowania bezotworowego), powstałe połączenie ma charakter nie mechaniczny, a metalurgiczny, co przekłada się na zwiększoną nośność.
Vineet Joshi z PNNL wyjaśnia, że uzyskane metodą HiVe połączenie od zewnątrz wygląda podobnie do analogicznych połączeń, wykonywanych przy użyciu nitowania bezotworowego, jednak odróżnia się poprzez metalurgiczny charakter złącza. Jego zdaniem technologia HiVe łączy praktyczność typową dla nitowania z zaletami połączeń typu solid state, a więc uzyskiwanych za pomocą deformacji plastycznej zamiast przetopu termicznego.
Jak tłumaczy Joshi, metoda HiVe zapewnia większą lub co najmniej porównywalną nośność jak w przypadku zgrzewania punktowego, jednak pozwala na osiągnięcie efektu znacznie szybciej – połączenie realizowane jest w ułamek sekundy.
Taki efekt uzyskano dzięki inspiracji zaczerpniętej z analizy działania osadzaków prochowych, wykorzystujących energię eksplozji ładunku pirotechnicznego do osadzenia elementów złącznych. Podczas eksperymentów, nit wystrzelony osadzakiem przebił dwa arkusze blachy aluminiowej o grubości 3 mm bez nawierconego otworu. Zaobserwowano też, że energia wystrzału posłużyła nie tylko do przebicia metalu, lecz także do formacji metalurgicznego połączenia na interfejsie pomiędzy nitem a arkuszami blachy. Dalszej inspiracji dostarczyła próba wystrzelania ładunku z osadzaka bez załadowania elementu złącznego. Stempel osadzaka uderzył w blachę z taką siłą, że nastąpiło zgrzanie obu arkuszy. Analiza złącza pod mikroskopem wykazała obecność drobnoziarnistej struktury krystalicznej w zgrzeinie. Podczas prób wytrzymałościowych, do uszkodzeń doszło w materiale bazowym, a nie w obrębie złącza.
Na podstawie eksperymentów opracowano cztery różne warianty technologii:
- klinczowanie HiVe bez elementów złącznych;
- nitowanie bezotworowe HiVe dla wytrzymałych połączeń warstw różnych metali przy użyciu nitów;
- nitowanie HiVe dla wymagających zastosowań o charakterze strukturalnym;
- przybijanie gwoździ HiVe w zastosowaniach bez dostępu do tylnej powierzchni łączonych elementów.
Prezentowana technologia i różne jej warianty mogą stanowić atrakcyjną alternatywę dla szeregu metod nitowania i zgrzewania oporowego, zapewniającą możliwość łączenia metali o różnych właściwościach, np. aluminium i stali. Na potrzeby wdrożenia przemysłowego procesu HiVe, inżynierowie PNNL pracują nad zastąpieniem ładunków prochowych napędem elektromagnetycznym, który ma zapewnić lepszą powtarzalność energii poruszającej stempel.
pnnl.gov
