Технология клепки позволяет использовать легкие магниевые застежки для экономии топлива

Новая технология PNNL Rotating Hammer Riveting позволяет использовать легкие заклепки из магния без предварительного нагрева заклепок. Этот процесс также быстрее, чем при обычной клепке. Предоставлено: Андреа Старр | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория

Магний — один из самых легких металлов, что делает его идеальным для экономии топлива в транспортных средствах. Но в промышленном использовании он отстает от алюминия и стали, потому что иногда он хрупкий и его трудно превратить в конструкционные детали. Новая технология заклепок на основе трения, называемая заклепками с вращающимся молотком (RHR), позволяет избежать необходимости предварительного нагрева металла для формирования заклепки и улучшает крепежное соединение. Он также работает с алюминиевыми заклепками, которые используются в самолетостроении. Этот метод обработки также значительно ускоряется, что позволяет сэкономить время и деньги при строительстве самолетов и транспортных средств.

Делаем старый процесс новым

Клепка — один из старейших известных методов соединения различных материалов. Древние египтяне использовали деревянные заклепки для соединения металлических ручек с глиняными кувшинами. Затем клепки передавались через века и цивилизации, и их можно увидеть в римских постройках, кораблях викингов, средневековых доспехах и других исторических предметах.

С появлением новых материалов в XIX и XX веках стальная клепка стала повсеместной в широком спектре структурных применений, от зданий до мостов, от линкоров до самолетов. Но процесс клепки практически не изменился. Возьмите цилиндрический кусок металла с шляпкой в ​​форме гриба на одном конце, проденьте стержень или стержень через отверстия в двух материалах, которые вы хотите соединить, затем ударьте молотком по одному концу стержня, чтобы сформировать вторую головку, которая зажимает два материала вместе.

Попробуйте сделать это с помощью магниевой заклепки, и она, вероятно, расколется. В то время как магниевый сплав обладает высокой прочностью при небольшом весе, магний имеет тенденцию быть хрупким при комнатной температуре. Обычно заклепки из магниевого сплава нагревают, чтобы они стали достаточно мягкими, чтобы их можно было сгибать и молотить, не ломаясь.

Нагревание каждой заклепки происходит медленно и дорого, поэтому магниевые заклепки используются редко, хотя они на 30% легче, чем алюминиевые заклепки, которые используются для соединения листового металла из магния.

Создание новой технологии клепки

Технология RHR, разработанная PNNL, не требует предварительного нагрева магниевых заклепок. В процессе, описанном в Journal of Magnesium and Alloys, используются заклепки из магния без предварительного нагрева. И он делает это в 4–12 раз быстрее, а также сокращает время, необходимое для предварительного нагрева заклепок при обычной ударной клепке, и обеспечивает дополнительные преимущества в виде повышенной прочности и антикоррозионных свойств.

RHR — это ответвление сварки трением с перемешиванием. В этой технике используется небольшой вращающийся инструмент, называемый молотком. Вращающая сила генерирует тепло за счет трения и деформации, которое смягчает магний настолько, чтобы сформировать головку заклепки, а также смешивает нижнюю сторону головки заклепки для металлургического соединения с нижележащим металлическим листом. Это слияние металлов образует непрерывную связь, предотвращающую коррозию.

«Потребовалось много попыток найти правильный баланс между скоростью вращения молота и скоростью, с которой мы врезали его в заклепку», — сказал ведущий исследователь Тяньхао Ван. «Но в конечном итоге мы нашли золотую середину в диапазоне обработки, когда головка заклепки не прилегала к инструменту и не треснула во время процесса RHR».

Недавно запатентованный процесс деформирует металл таким образом, что изменяется его кристаллическая структура. Используя мощные микроскопы, исследователи смогли увидеть, как зерна были очищены и переориентированы, чтобы сделать магний более пластичным и прочным.

Клепальные решения для авиастроения

Автор-корреспондент Скотт Уэлен отмечает, что RHR работает и с алюминиевыми заклепками, такими как те, которые используются в самолетах. С сотнями тысяч заклепок на каждом коммерческом самолете — в основном из алюминиевого сплава 2024 года — Уэлен говорит, что этот процесс может снизить затраты и повысить эффективность производственной линии.

Заклепки из алюминиевого сплава 2024 слишком прочные, чтобы их можно было заклепать при хранении при комнатной температуре. Таким образом, они должны быть отожжены или размягчены, а затем храниться в морозильной камере, чтобы они оставались мягкими перед клепкой.

«Попав на производственную линию, эти« заклепки для льда »необходимо использовать менее чем за 15–30 минут, в противном случае их становится слишком сложно клепать», — сказал Уэлен. «Однако RHR может клепать алюминиевые заклепки 2024 после того, как они полностью затвердели, поэтому хранение в холодильнике не требуется. Это означает, что заклепки больше не нужно хранить в морозильной камере, заклепки не зависят от времени, а неиспользованные заклепки больше не нужно подвергать повторной термообработке и помещать в холодное хранилище ».

Более быстрая технология клепки на основе трения

Обработка алюминия методом RHR происходит очень быстро. Обычная заклепка занимает от 1 до 3 секунд на каждую заклепку, в то время как RHR требует всего 0,25 секунды. Эта экономия времени может привести к экономии 40 часов на 100 000 заклепок. «Это означало бы на одну целую неделю меньше потраченных на клепку всего лишь части одного коммерческого авиалайнера, если бы RHR был принят», — сказал Уэлен.

RHR — это лишь одна из ряда революционных производственных технологий для обработки металлических сплавов и композитов, разрабатываемых PNNL. Эти методы твердофазной обработки включают деформацию материалов без плавления для нагрева, смешивания, изготовления и соединения металлов и других материалов. Полученные в результате материалы обладают исключительными свойствами по сравнению с материалами, произведенными традиционными методами производства.