Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem

Wykonali:

Karol Leszczyński

Kacper Krupa

Anna Łęcka

AiR, WIMiR, gr. 13

Jedną z najnowszych odmian zgrzewania tarciowego, jest metoda FSW (ang. Friction Stir Welding – zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny), będąca

przedmiotem bardzo intensywnych badań w ostatnich latach. Metoda FSW została

opracowana i opatentowana w 1991 roku przez Instytut Spawalnictwa (The Welding

Institute Ltd.) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. Początkowo nie znalazła większego

zastosowania w krajach europejskich, chociaż wykazywano wiele jej zalet i korzyści

wynikających z jej stosowania w warunkach przemysłowych. Duże nakłady

finansowe na rozwój metody FSW, poniesione w minionych latach w Europie, ale

przede wszystkim w Japonii i w Stanach Zjednoczonych, pozwoliły na jej intensywny

rozwój i wprowadzenie do przemysłu.

W metodzie FSW do wykonania połączenia niezbędne jest wykorzystanie obracającego się narzędzia, zakończonego wieńcem opory i trzpieniem mieszającym, którym penetruje materiał wzdłuż linii styku elementów (rys. 1). Wprowadzone w ruch obrotowy narzędzie, po chwili styku doprowadza do nagrzania i uplastycznienia materiału.

Obracanie się narzędzia przeciskającego się przez styk dociśniętych do siebie

elementów powoduje, że materiał w obszarze oddziaływania narzędzia wprawiany jest

w ruch wirowy zgodnie z kierunkiem ruchu narzędzia. Trzpień mieszający ma specjalny kształt, najczęściej stożka gwintowanego, co umożliwia mieszanie materiału i utworzenie zwartej spoiny. Wieniec opory narzędzia, trący o powierzchnie elementów, zabezpiecza obszar zgrzeiny przed utlenianiem, jak również nadaje licu zgrzeiny estetyczny wygląd.

Rys. 1. Schemat zgrzewania tarciowego metodą FSW :1 – krawędź tylna wieńca opory, 2 – trzpień mieszający, 3 – wieniec opory, 4 – łączone krawędzie; powstałe pole naprężeń i kąt nachylenia wieńca

W prawidłowo utworzonej zgrzeinie FSW można wyodrębnić kilka charakterystycznych obszarów (rys. 2.): strefę odkształconego termomechanicznie (SUTM) materiału od strony lica, wyraźnie wyodrębnioną warstwę wymieszanych partii materiału w centralnych obszarach złącza – zwaną jądrem zgrzeiny, strefę odkształconą plastycznie (SUTM) wokół jądra, strefę wpływu ciepła (SWC) i łagodne przejście w materiał podstawowy oraz obszar materiału wokół grani. Wielkość i kształt poszczególnych obszarów w makrostrukturalnej budowie zgrzeiny zależy od kształtu i wymiarów narzędzia, parametrów procesu oraz rodzaju zgrzewanego materiału.

Rys. 2. Schemat budowy makrostrukturalnej zgrzeiny powstałej w wyniku

zgrzewania metodą FSW

Stwierdzono, że najsilniej wymieszany jest obszar centralny złącza, czyli jądro. Jądro to, widoczne na przekroju w postaci koncentrycznych, nie w pełni uformowanych okręgów (rys. 3), tworzy się w wyniku przeciskania się materiału wokół trzpienia. Materiał przeciskany wokół trzpienia, w przeciwną stronę względem posuwistego ruchu narzędzia, wprawiany jest również w ruch okrężny, związany z odpowiednio wyprofilowanymi występami trzpienia. Powyżej jądra występuje warstwa silnie odkształconego materiału, na który oddziałuje głównie wieniec opory. Wielkość oraz kształt wieńca opory wpływa na ilość materiału przemieszczającego się w obszarze lica, od strony spływu ku stronie natarcia. Grubość tej warstwy zależy od wymiarów wieńca i profilu powierzchni styku wieńca z materiałem. W zależności od rodzaju zgrzewanych materiałów warstwa odkształcana wieńcem opory jest bardziej lub mniej widoczna. Jak podano w pracy, w przypadku zgrzewania czystego aluminium jest to stosunkowo cienka warstwa metalu dobrze spojona z warstwą jądra. W przypadku twardszych stopów aluminium, poza występowaniem grubej warstwy odkształcanej wieńcem opory, na granicy z jądrem może znajdować się cienka warstwa metalu zawierająca wtrącenia tlenkowe, znacznie osłabiająca wytrzymałość zgrzeiny.

W obszarze grani stopień wymieszania materiału zależy od kształtu i długości

trzpienia. Jak zaznaczono, materiał w obszarze oddziaływania narzędzia wprawiany

jest w ruch wirowy, zgodnie z kierunkiem ruchu narzędzia. Złożenie ruchów narzędzia

i uplastycznionego materiału powoduje, że kierunek ruchu mieszania materiału w jądrze jest przeciwny do kierunku ruchu materiału w obszarze lica (rys. 3).

Złożony ruch materiału powoduje dosyć dobre wymieszanie materiału w obszarze styku, wiąże się jednak z możliwą nieciągłością budowy strukturalnej zgrzeiny w miejscu styku warstw, przemieszczających się w przeciwnych kierunkach.

W wyniku wymieszania, uplastyczniony materiał zyskuje wysoką temperaturę, która

wywołuje powstanie pola naprężeń, a to z kolei rozpoczyna proces dyfuzji.

W rezultacie powstaje bardzo dobrej jakości złącze, o dobrych właściwościach mechanicznych, a szczególnie wytrzymałości na rozciąganie, która często przekracza wytrzymałość materiału rodzimego. Wynika to z tego, że mikrostruktura złącza nie jest dendrytyczna, jak w spoinach wykonanych metodami z przetopem, a zrekrystalizowana dynamicznie, o ziarnach osiągających rozmiary ok. 1–10 μm. Zmniejszenie rozmiarów ziaren zwiększa wytrzymałość materiału w zgrzeinie.

Metoda FSW różni się znacznie od metody konwencjonalnego zgrzewania tarciowego, stąd też w procesie występują inne parametry:

− prędkość obrotowa narzędzia n,

− prędkość zgrzewania V – jest uzależniona od grubości i typu materiału,

− kąt nachylenia powierzchni wieńca opory do zgrzewanej powierzchni α,

− głębokość penetracji trzpienia w materiale,

− wymiary narzędzia (kształt, średnica i długość trzpienia, kształt i średnica powierzchni, opory).

Istotny wpływ na proces tworzenia zgrzeiny wywiera prędkość zgrzewania dobierana w ścisłej korelacji z prędkością obrotową narzędzia. Dla stałej prędkości obrotowej, temperatura materiału w obszarze styku zmienia się w zależności od prędkości zgrzewania.

Ogromny wpływ na jakość zgrzewania metodą FSW ma sztywność zamocowania łączonych elementów. Nagrzewanie i uplastycznianie metalu odbywa się przez tarcie, dlatego w obszarze zgrzewania występują znaczne siły i momenty, które mogą doprowadzić do odkształceń i przemieszczeń zbyt luźno mocowanych elementów. Uchwyty lub szczęki mocujące powinny unieruchomić i zabezpieczyć przed przesuwaniem się poszczególne elementy blach lub cały zespół zgrzewanej konstrukcji.

Ze względu na geometrię narzędzia, metoda stosowana jest zwykle do łączenia doczołowego blach, przede wszystkim złączy aluminiowych o jednakowych właściwościach, ale również ze stopów magnezu, cyrkonu, miedzi, tytanu oraz stali nierdzewnej. Znajduje także coraz to szersze zastosowanie do wykonywania złączy o różnych właściwościach i ma wiele odmian.

Zalety metody:

• wykonywanie nawet bardzo długich spoin, wolnych od pęknięć i porowatości

• właściwości wytrzymałościowe spoin są wyższe niż spoin uzyskanych technikami spawania łukowego

• brak konieczności stosowania kosztownych zabezpieczeń przed szkodliwymi dymami i wypryskami metalu

• eliminacja konieczności ukosowania blach

• możliwość łączenia jednym przejściem materiału o grubości do ok. 15 mm (eliminuje wielowarstwowe spawanie łukowe z wymaganą międzyściegową kontrolą jakości spoiny oraz eliminuje materiał dodatkowy)

• nie jest wymagany gaz osłonowy przy zgrzewaniu aluminium i jego stopów (także aluminium i miedzi)

• konstrukcja wykazuje znacznie mniejsze odkształcenia i wymaga mniejszych nakładów na wyrównanie powierzchni niż w przypadku spawania łukowego,

• konstrukcje cechują się lepszymi właściwościami mechanicznymi

• brak w złączach porowatości i pęknięć właściwych dla metod spawania łukowego

• brak problemów w łączeniu różnego typu stopów aluminium (także aluminium i miedzi), trudno spawalnych innymi metodami

Powyższe cechy metody zgrzewania z mieszaniem materiału zgrzeiny bardzo silnie wpływają na obniżenie kosztów spajania metali. Związane jest to zarówno z tanim i nieskomplikowanym przygotowaniem blach do procesu łączenia, brakiem gazów osłonowych i oczywiście brakiem urządzeń służących do właściwego dozowania i przechowywania gazów, znacznym ograniczeniem konieczności stosowania różnego rodzaju zabezpieczeń niezbędnych przy spawaniu łukowym aluminium i jego stopów (względy BHP oraz wymogi ekologiczne), jak i nakładów na obróbkę wykańczającą po procesie spajania.

Zastosowanie:

Technika zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny jest uważana

za jedno z największych osiągnięć w technice spajania materiałów w ostatnim

dwudziestoleciu. Początkowo proces FSW był opracowany dla łączenia aluminium i

jego stopów. Szybko okazało się, że zastosowanie metody FSW do łączenia innych

stopów metali daje także wiele korzyści. Wraz z rozwojem tej metody zaczęto ją

również stosować do zgrzewania takich materiałów jak miedź i jej stopy, ołów, magnez i stopy magnezu, tytan i jego stopy, cynk, stal miękka, niektóre stale nierdzewne i stopy niklu. Wykonuje się połączenia zarówno tych samych rodzajów materiałów, np. aluminium z aluminium, jak również są łączone różne stopy aluminium między sobą, bądź, np. aluminium z miedzią czy aluminium ze stalą.

Metoda FSW w krajach wysoko uprzemysłowionych (USA, Japonia, kraje

skandynawskie) jest stosowana na skalę przemysłową przeważnie przy produkcji

środków transportu i w przemyśle zbrojeniowym. Stosuje się ją do łączenia długich płyt materiału w przemysłach lotniczym, okrętowym i kolejowym (np. zbiorniki paliwa w rakietach nośnych, pokłady ładunkowe promów, dachy wagonów kolejowych). Technologia FSW umożliwia łączenie takich materiałów, które nie mogą być łączone za pomocą innych technologii spawania bez narażania na utratę własności mechanicznych. Tę metodę stosują przede wszystkim uznane firmy lotnicze Boeing, Lockheed Martin i NASA. Firma Boeing jako pierwsza zastosowała metodę FSW do łączenia elementów aluminiowych w rakietach nośnych z rodziny Delta. Obecnie Boeing z powodzeniem stosuje tę metodę przy produkcji samolotów Boeing C-17 Globemaster III i Boeing 747 Large Cargo Freight. Zastosowanie metody FSW w przypadku rakiet Delta pozwoliło na zredukowanie 60% kosztów produkcji i skróceniu cyklu produkcyjnego o kilkanaście dni. Spektakularnym zastosowaniem metody FSW jest samolot Eclipse 500, w którym wszystkie połączenia nitowane zostały zastąpione zgrzeinami FSW. Połączenia FSW sprawiły, że samolot uzyskał lepszą sztywność a sam czas produkcji połączeń był krótszy w porównaniu z nitowaniem. Firma NASA od 2001 roku stosuje z powodzeniem technologie FSW do budowy zewnętrznych zbiorników paliwa w rakietach kosmicznych. W 2012 roku ta sama firma podała, że technika FSW zostanie wykorzystana przy budowie nowej rakiety kosmicznej, której start jest przewidziany w 2017 roku, oraz przy budowie nowego statku kosmicznego Orion Pathfinder

Technologia FSW z powodzeniem jest stosowana w przemyśle transportowym.

Związane jest to z rozwojem nowych bardziej ekonomicznych pojazdów. Jednym z

pierwszych zastosowań FSW w transporcie było wykorzystanie tej metody do produkcji paneli podłogowych w wagonach superszybkich pociągów Shinkansen.

Metoda ta znalazła zastosowanie również przy produkcji samochodów osobowych

(Mazda RX-9, Ford GT). Metoda FSW bardzo dobrze sprawdza się do produkcji

długich paneli aluminiowych, które są stosowane przy budowie statków zarówno

pasażerskich jak i łodzi do połowu ryb. Zazwyczaj takie aluminiowe panele mają

grubość od 1,8 do 12 mm i wymiarach 16x20. Metoda FSW ma szeroki wachlarz zastosowania od budowy rakiet kosmicznych po elementy reaktorów nuklearnych. Popularność swoją zawdzięcza prostej metodologii i bardzo dobrym wysokowytrzymałym złączom. Wraz z rozwojem tej metody będą się również zwiększały możliwości aplikacyjne FSW.

Literatura:

• Andrzej Ambroziak „Zgrzewanie tarciowe materiałów o różnych właściwościach”

• Andrzej Ambroziak „Techniki wytwarzania. Spawalnictwo”