ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI OPOLSKIEJ Seria: Mechanika z. 109 Nr kol. 367/2018 TARCIOWE ŁĄCZENIE METALI Z MIESZANIEM

Transkrypt

1 107 DARIUSZ ANDRZEJEWSKI Wydział Mechaniczny Katedra Inżynierii Materiałowej TARCIOWE ŁĄCZENIE METALI Z MIESZANIEM Streszczenie: Tarciowe łączenie metali (FSW) jest nowoczesną metodą spajania materiałów, mało popularną na skalę przemysłową w Polsce. W metodzie FSW wykorzystywane są specjalne narzędzia (głowica z trzpieniem), które podczas pracy wykonują przemieszanie materiałów łączonych ze sobą. Podczas łączenia materiały są w fazie plastyczności i nie ma przejścia materiału w fazę ciekłą. Przy pomocy tej metody istnieje możliwość spajania ze sobą materiałów o odmiennych właściwościach i własnościach. Dobre rezultaty uzyskuje się przy łączeniu stopów aluminium, miedzi, litu, magnezu oraz stali. Możliwe jest również łączenie wielowarstwowe cienkich płytek z różnych materiałów jednocześnie. Proces jest wykonywany w jednym przejściu narzędzia roboczego. Słowa kluczowe: FSW, Spajanie, Przemieszanie materiału, Łączenie w fazie plastyczności. WPROWADZENIE Technologie wykorzystujące procesy tarciowego łączenia materiałów FSW (Friction Stir Welding) mogą skutecznie konkurować z innymi technikami spajania. Przy ich pomocy możliwe jest spajanie różnorodnych materiałów konstrukcyjnych, których nie można było do tej pory łączyć metodami spawalniczymi. Przykładem jest stop aluminium-lit. Badania mechanizmów tworzenia zgrzein tarciowych pokazują możliwości aplikacji tej metody w przemyśle przy uwzględnieniu, jakości, prawidłowości i powtarzalności złączy. Jest to również metoda pozwalająca łączyć elementy wielowarstwowe uzyskując konkurencyjną szybkość i jakość łączenia do metod spawania skoncentrowaną energią (laser, wiązka elektronów) przy znacznie mniejszych kosztach. PROCES ZGRZEWANIA METODĄ FSW Metoda ta opatentowana została w 1991 r. i jest przez cały czas rozwijana i modyfikowana. Uznana jest za technologię quasi-standardową (największej wiarygodności) w przemyśle lotniczym, kosmicznym i zbrojeniowym[1]. Nagrzanie i uplastycznienie materiału następuje poprzez zastosowanie obrotowej głowicy z trzpieniem w miejscu mocno dociśniętych blach. Proces tarcia zarówno trzpienia jak i części roboczej głowicy powoduje nagrzanie materiału blach i po uplastycznieniu obrabianego materiału następuje wolne przesuwanie trzpienia wzdłuż łączonych materiałów (rys. 1). Połączenie poprzez wzajemną penetrację materiałów w stanie stałym, gdy nie doszło jeszcze do topienia materiału, możemy używając mikroskopu zaobserwować strukturę drobnoziarnistą. Nie występuje skurcz krzepnięcia metalu, porowatość, segregacja pierwiastków. Uzyskuje się dużą powtarzalność procesu przy bardzo dobrych właściwościach mechanicznych. Trzpień po wykonaniu

2 złącza jest wyprowadzany ze strefy obróbki na płytkę wybiegową lub do strefy biernej. Proces nie wymaga skomplikowanego wstępnego przygotowania materiałów spajanych, jak również nie wymaga obróbki po procesie spajania. Istnieje możliwość zgrzewania w różnych usytuowaniach przestrzennych. a) b) V n V zg Rys. 1.a) Schemat procesu zgrzewania metodą FSW oraz przemieszczania się uplastycznionej masy metalu w złączu [2], b) przekrój złącza FSW. Oznaczenia stref i odpowiadające im struktury złącza: (a) DXZ (strefa dynamicznej rekrystalizacji); (b) TMAZ (strefa termomechanicznego oddziaływania); (c) HAZ (strefa wpływu ciepła); (d) PM (materiał rodzimy) [11] Fig. 1.a) Scheme FSW method with migration plasticized material in connection. b) cross section of joint FSW with zone can be identified; (a) DXZ -dynamically recrystallized zone, (b) TMAZ thermomechanically affected zone, (c) HAZ heat-affected zone, (d) unaffected zone Badania wykazały, że ilość ciepła wprowadzonego do złącza wykonanego metodą FSW jest mniejsza, niż przy innych metodach spawalniczych i wynosi dla blach aluminiowych o grubości 6mm 0,81 KJ/mm (spawanie plazmowe) a przy FSW tylko 0,45 KJ/mm [3, 4]. Rys. 2. Widok złącza FSW stopów 2024 i 6061 [9,10] T, M, B rys. 4. Fig. 2. View of the FSW connections alloys 2024 and

3 T [ C] rpm rpm / [mm] Rys. 3. Poziomy pomiaru rozkładów temperatury [9, 10] Fig. 3. Measurements of temperature distribution [9, 10] Mikrotwardość_[HV] Poziom: B dolny M środkowy T górny Odległość od środka zgrzeiny [mm] Rys. 4. Rozkłady mikrotwardości [9, 10] Fig. 4. The distribution of the Microhardness tests [9, 10] ZASTOSOWANIE METODY FSW Metoda ta jest głównie wykorzystywana do doczołowego łączenia blach i płyt z aluminium i jego stopów, ale używana jest coraz częściej w innych aplikacjach np. do spajania trudno spawalnych stali, wysoko wytrzymałych stopów aluminium, miedzi i tytanu jak również niektórych stopów niklu i cyrkonu [5]. Zgrzewanie FSW stosuje się również do łączenia stopów magnezowych oraz cynku i ołowiu [6]. Prace badawcze nad zgrzewaniem stali niskowęglowej 109

4 i stopowej wykazały, że jest możliwe wykonanie krótkich, bardzo poprawnie wykonanych złącz o wytrzymałości ok. 450 MPa (stal węglowa) i do 540MPa (stal chromowa) [7, 8]. FSW jest efektywną metodą łączenia materiałów wielowarstwowych gwarantującą, jakość, szybkość i zmniejszoną energochłonność w zestawieniu z innymi metodami używanymi do spajania tego typu materiałów. Można zmieniać tą metodą strukturę warstwy wierzchniej materiału (rys. 5.) i wykorzystać m.in. do tworzenia powłok antykorozyjnych. Rys. 5. Struktura złącza warstwy po powierzchniowej obróbce FSW [9, 10] Fig. 5. Structure after surface treated FSW method [9, 10] CECHY METODY ZGRZEWANIA FSW Zestawienie pozytywnych cech metody FSW, do których zaliczyć można następujące [3, 4, 5, 6]: proces zgrzewania przebiega w stanie stałym a struktura zgrzeiny jest zwarta, proces jest nieszkodliwy dla środowiska; wynika to z braku gazów osłonowych oraz niewydzielania się w procesie zgrzewania gazów i pyłów, istnieje możliwość zgrzewania w różnych atmosferach, także pod lustrem wody, proces FSW jest energooszczędny; w wyniku jego stosowania można obniżyć koszty produkcji o około 30% do 50%, proces FSW można łatwo mechanizować i automatyzować; do zgrzewania tą metodą można zaadoptować konwencjonalną frezarkę, metoda FSW eliminuje konieczność ukosowania blach; zaleca się zachowanie czystości łączonych blach, ale samo przygotowanie elementów do zgrzewania jest mniej skomplikowane i pracochłonne, można łączyć tą metodą, jednym przejściem, materiały o grubości od 1,5 mm do 60 mm, 110

5 co wyklucza wielowarstwowe spawanie łukowe z wymaganą międzyściegową kontrolą jakości spoiny, eliminuje materiał dodatkowy, w przypadku grubych elementów można zastosować jednoczesne zgrzewanie dwustronne, złącza wykonane z zastosowaniem metody FSW wykazują znacznie mniejsze odkształcenia i wymagają mniejszych nakładów na wyrównanie powierzchni, niż w przypadku spawania łukowego, konstrukcje ze zgrzeinami wykonanymi metodą FSW cechują się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi: własności statyczne zgrzein są równe lub wyższe niż uzyskiwane metodą spawania łukowego, wysokie własności zmęczeniowe zgrzein, zgrzeiny są odporne na kruche pękanie, w strefie wpływu ciepła właściwości zmęczeniowe są wyższe niż materiału rodzimego, ze względu na dopuszczalne uszkodzenia technika FSW wykazuje znaczną poprawę właściwości statycznych i zmęczeniowych w stosunku do tradycyjnego łączenia nitowego, uzyskuje się dużą powtarzalność parametrów użytkowych, metoda FSW pozwala na uzyskanie właściwego połączenia w całej płaszczyźnie łączenia, bez widocznych wad w styku między ściegami oraz od strony grani zgrzeiny, proces FSW jest bezpieczny ze względu na brak szkodliwego promieniowania ultrafioletowego oraz oddziaływania promieniowania wysokiej częstotliwości, braku kontaktu z topionym metalem; operator swobodnie może śledzić przebieg procesu zgrzewania, metoda pozwala na poprawne wykonanie złączy dla różnych stopów i ich kombinacji, w tym wytłaczanych lub po przeróbce plastycznej, dotychczas uznawanych za niespawalne. Ograniczenia związane z metodą FSW można scharakteryzować następująco [3, 4, 5, 6,12]: wymagane jest sztywne mocowanie elementów, wymagane jest stosowanie podpór po przeciwnej stronie narzędzia, w przypadku zgrzewania profili zamkniętych wystąpić może problem z małą sztywnością elementów, trwałość narzędzia jest ograniczona, na początku oraz na końcu ściegu występuje obszar o obniżonej jakości, co wymaga stosowania płytek dobiegowych i wybiegowych, prędkości zgrzewania są stosunkowo niskie, 111

6 prowadzone są próby zgrzewania z prędkością do 6 m/min; należy jednak podkreślić, że: w jednym przejściu mogą być zgrzewane elementy o grubości ponadstandardowej, uzyskiwane zgrzeiny mają stabilną, wysoką jakość, w przypadku większych prędkości liniowych głowicy roboczej w zgrzewie pojawiają się wady jako tzw. pustki strukturalne, które znacznie obniżają wytrzymałość statyczną i dynamiczną złączy, W przypadku małej prędkości rotacyjnej narzędzia roboczego, proces uplastycznienia materiału zależy od wielkości wieńca oporowego narzędzia roboczego. PODSUMOWANIE Zastosowanie metod FSW w wielu gałęziach polskiego przemysłu jest nieodzowne, biorąc pod uwagę zalety i konkurencyjność do obecnie stosowanych metod. Metody te są na skalę przemysłową używane w Japonii, USA i Europie Zachodniej. Głównie tą metodą wykonuje się złącza różnego rodzajów zbiorników, platform, płyt pancernych, obręczy kół, paneli, kratownic, bloków, żurawi itp. stosowanych w przemyśle obronnym, energetycznym, lotniczym, maszynowym, stoczniowym, budowlanym, górniczym, samochodowym i kolejowym [1]. Nie sposób nie wspomnieć o możliwości tworzenia przy zastosowaniu tej technologii cienkowarstwowych struktur wielowarstwowych i warstw antykorozyjnych na konstrukcyjnych materiałach nośnych [12]. LITERATURA [1] BOGUCKI R., PIETRAS A.: Rozwój technologii zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału uplastycznionego w strefie zgrzeiny. Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe 2005, (21), nr 1. [2] PIETRAS A., ZADROGA L., ŁOMOZIK M.: Charakterystyka zgrzeiny utworzonej metodą zgrzewania z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW). Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 3, Gliwice [3] SAMPATH D., MOLDENHAUER S.: Latest developments in aluminium materials for application in fast ferries. Proceedings of the Aluminium 98 Conference. Essen, Niemcy, wrzesień [4] LUMSDEN J., MAHONEY M., POLLOCK G.: Stress corrosion Susceptibility in 7050 T7541 Aluminium following Friction Stir Welding. 1st Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, California, USA, June [5] EUREKA Project EuroStir 2430 European Industrialisation of Friction Stir Welding. [6] KALLEE S.W.: Current and Potential FSW Applications. Second EuroStir Workshop, Cambridge, listopad, [7] THOMAS W.M.: Friction Stir Welding of Ferrous Materials: A Feasibility Study. 1st Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, California, USA, June

7 [8] THOMAS W.M., WOOLLIN P.L., JOHNSON K.I.: Friction Stir Welding of Steel. Welding: a novel technique for steel. Steel World, Vol. 4, No. 2. [9] Y. LI, MURR L.E., MCCLURE J.C.: Flow visualization and residua microstructures associated with the friction-stir welding of 2024 aluminum to 6061 aluminum, Elsevier Materials Science and Engineering A271, 1999, [10] SANTELLA M., STORJOHANN D., ENGSTROM T., PAN T.: Friction stir of cast aluminum alloys, Oak National Laboratory, Iowa City, October 7, 2003, presentation Ford. [11] LIM S., KIM S., LEE C., YIM C.D., KIM S.J.: Stress Corrosion Cracking Behavior of Friction-Stir-Welded Al T651, Communications Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 36A, June 2005, [12] KOCAŃDA D.,GÓRKA A.: Nowe technologie łączenia tarciowego metali, Biuletyn WAT, Vol. LIX, nr 2, 2010 JOINING MATERIALS BY FRICTION STIR WELDING Abstract: The Friction Stir Welding (FSW) is a modern and still not very popular in Poland joining material method. FSW method used special tool for joining material by mixing materials after plasticizing. It can also be used to join different materials difficult to weld. FSW has shown promising results in welding of alloys, copper, lithium, magnesium, steel and multilayer materials. The process is done in one working operation. The process is not expensive. Keywords: FSW, Mixing material, Plasticizing. 113