PL B1. Sposób spawania pian aluminiowych oraz pian kompozytowych na osnowie stopów aluminium

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B23K 9/167 ( ) B23K 26/32 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób spawania pian aluminiowych oraz pian kompozytowych na osnowie stopów aluminium (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 23/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/16 (73) Uprawniony z patentu: ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JERZY NOWACKI, Szczecin, PL KACPER MORANIEC, Szczecin, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Renata Zawadzka

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób spawania pian aluminiowych oraz pian kompozytowych na osnowie stopów aluminium zbrojonych cząstkami ceramicznymi. Piany aluminiowe to materiały o porowatości przeważnie przekraczającej 80%, charakteryzujące się w szczególności niską gęstością, wysoką sztywnością i zdolnością pochłaniania energii. Unikalne połączenie wymienionych cech, przy stosunkowo wysokiej odporności termicznej sprawiają, że piany aluminiowe są materiałami o szerokim zakresie zastosowań, w szczególności w motoryzacji, lotnictwie oraz innych gałęziach budowy maszyn. Do podstawowych ograniczeń spawania pian aluminiowych należą: trudność w przygotowaniu krawędzi do spawania, niewielki udział metalu w objętości materiału, zmienna grubość ścianek komórek piany. Wykorzystanie praktyczne pian aluminiowych wiąże się z koniecznością opracowania efektywnych metod ich łączenia. M. F. Ashby, A. G. Evans, N. A. Fleck, L. J. Gibson, J. W. Hutchinson i H. N. G. Wadley w publikacji Metal Foams: A Design Guide: 2000 (Butterworth Heineman, 2000) wskazują możliwości łączenia pian aluminiowych różnymi znanymi sposobami takimi, jak skręcanie, lutowanie czy też klejenie. Odnośnie spawania stwierdzone jest, że technika ta przynosi najlepsze efekty w przypadku łączenia pian posiadających warstwę naskórkową czyli niewielkiej grubości warstwę nieporowatego metalu na powierzchni piany. W publikacji J. Burzera, T. Bernarda oraz H. W. Bergmana Joining of aluminium structures with aluminium foams (Materials Research Society, 1998), przedstawione są badania wytrzymałości złączy spawanych laserowo piany aluminiowej z blachą aluminiową. Wytrzymałość na ścinanie uzyskanych złączy wyniosła przy najbardziej korzystnym zestawie parametrów spawania spośród rozpatrywanych, maksymalnie ok. 35 MPa wobec ok. 5 MPa dla złącza klejonego. Jakkolwiek przedstawiony w pracy sposób spawania pian metalicznych pozwala na osiągnięcie zadowalającej wytrzymałości złącza, metoda jest możliwa do stosowania w przypadku łączenia pian metalicznych z materiałem nieporowatym. O tym, że zachowanie ciągłości właściwości piany w złączu jest postrzegane jako istotna zaleta złącza, świadczą badania G. Campany i in. Laser foaming for joining aluminium foam cores inside hollow profile (Optics & Laser Technology, 48 (2013) ), gdzie badana jest możliwość spawania laserowego stalowych tulei wypełnionych pianą aluminiową, z umieszczoną w obszarze złącza kształtką będącą prekursorem piany sprasowaną mieszaniną proszku aluminium oraz środka poro twórczego. Podczas spawania próbka wykonywała ruch obrotowy względem wiązki lasera, której energia powodowała roztopienie się proszku aluminium oraz rozkład środka poro twórczego. Wytworzono w ten sposób pianę metaliczną w złączu podczas jego wykonywania. Połączeniu uległy także tuleje. Metoda ta, chociaż dająca zadowalające rezultaty, także nie odnosi się jednak bezpośrednio do spawania pian metalicznych. H. Haferkampf wraz z zespołem w pracy Potential of Laser Welding of Metal Foams (Cellular metals and metal foaming technology, International Conference, MIT Verlag, Bremen, 2001, ) przedstawiają badania możliwości laserowego spawania pian aluminiowych. Dokonują prób z materiałem dodatkowym pod postacią ręcznie podawanego drutu, blachy z nieporowatego aluminium oraz prekursora piany, umieszczonych przed rozpoczęciem spawania pomiędzy łączonymi pianami. W przypadku materiałów dodatkowych w postaci drutu i blachy, uzyskano złącza mało estetyczne, z dużym udziałem materiału dodatkowego, skutkującego wzrostem masy złącza. Przy zastosowania prekursora uzyskano złącza o zbliżonych parametrach do materiału rodzimego, jednak o niejednorodnym rozkładzie porowatości w spoinie, co daje podstawę do obawy o powtarzalność parametrów wytrzymałościowych tak uzyskiwanych złączy. Wadą metody jest także brak dostępności w handlu prekursorów pian metalicznych, co powoduje konieczność samodzielnego ich wytwarzania z zastosowaniem trudno dostępnych substancji (TiH 2 ) oraz konieczność posiadania kosztownych urządzeń do ich wytworzenia. Wymienione znane metody spawania pian aluminiowych, wiążą się z licznymi ograniczeniami i mają raczej charakter procesów laboratoryjnych niż przemysłowych. Największą jednorodność złączy zapewniają metody oparte o spienianie prekursora piany metalicznej ciepłem doprowadzonym w czasie spawania, jednak pozyskanie samego prekursora jest kłopotliwe i kosztowne a wynik spieniania w trakcie procesu spawania nie zawsze cechuje się wysoką powtarzalnością. Nie jest znana metoda spawania pian, zapewniająca wysoką powtarzalność procesu, niewielką objętość i wysoką wytrzymałość złącza, większą od materiału rodzimego.

3 PL B1 3 Sposób spawania pian aluminiowych oraz pian kompozytowych na osnowie stopów aluminium metodą laserową, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że powierzchnie piany przeznaczone do spawania początkowo nagrzewa się łukiem TIG o prądzie 20 40A w pozycji podolnej, z prędkością przemieszczania się wiązki lasera 1 3 cm/s, aż do osiągnięcia powierzchniowego nadtopienia ścianek komórek piany. Po nagrzaniu powierzchnie piany przeznaczone do spawania dociska się płaskim narzędziem siłą wywierającą naprężenie 5 15 N/cm 2 i docisk utrzymuje się, aż do uzyskania częściowego wycieku metali poza obrys powierzchni dociskanych. Następnie ochładza się element przeznaczony do spawania do temperatury C, drogą obróbki mechanicznej usuwa się wyciśnięte pod wpływem nacisku aluminium z powierzchni bocznych, które szlifuje i oczyszcza powierzchnie znanymi metodami. Tak przygotowane krawędzie spawa się wiązką lasera impulsowego dobranymi, znanymi parametrami. Łączone elementy nagrzewa się łukiem TIG ruchem zależnym od wymiarów charakterystycznych łączonych elementów. Łączone elementy, których dłuższa krawędź jest co najmniej trzykrotnością krótszej krawędzi, nagrzewa się mchem ciągłym, zakosowym wykonując lukiem TIG linie równoległe do dłuższej krawędzi połączone krótkimi poprzecznymi odcinkami, tak że tworzą meander. Łączone elementy, których dłuższa krawędź jest mniejsza od trzykrotności krótszej krawędzi, nagrzewa się mchem ciągłym wykonując lukiem TIG linie równoległe do poszczególnych krawędzi, tak że tworzą spiralę. Sposób według wynalazku umożliwia spawanie pian aluminiowych, wytworzonych ze stopów odlewniczych układu Al-Si siluminów o zawartości 8 13% Si oraz pian aluminiowych kompozytowych, wytworzonych z tych samych stopów, zbrojonych cząstkami SiC w ilości 0,5 15% obj. lub AI 2 O 3 w ilości 0,5 30% obj. Sposób pozwala uzyskać połączenia spawane o wytrzymałości przewyższającej materiał rodzimy, bez zastosowania materiału dodatkowego oraz przy zachowaniu kontroli nad przebiegiem procesu oraz masą złącza. Przygotowanie warstwy wierzchniej piany sposobem według wynalazku powoduje zmniejszenie porowatości tej warstwy, co ułatwia spawanie laserowe i pozwala uzyskać wysokie właściwości mechaniczne złącza oraz wysoką powtarzalność spawania. Sposób według wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia trajektorię prowadzenia łuku TIG, jeżeli dłuższa krawędź łączonych elementy jest co najmniej trzykrotnością krótszej krawędzi, fig. 2 przedstawia trajektorię prowadzenia łuku TIG, jeżeli dłuższa krawędź jest mniejsza od trzykrotności krótszej krawędzi, fig. 3 rozkład porowatości po odkształceniu piany aluminiowej, fig. 4 przedstawia rozkład porowatości po odkształceniu piany aluminiowej kompozytowej zbrojonej cząstkami AI 2 O 3 w ilości 2% obj. P r z y k ł a d 1 Prostopadło ścienne fragmenty piany aluminiowej o wymiarach 3 x 3 x 10 cm wykonane z piany aluminiowej AlSi9 o porowatości ok. 90%, wycięte z arkusza piłą taśmową, nagrzano od strony mającej ulec połączeniu sekund palnikiem TIG w czasie 9 s stosując prąd 30A oraz argon jako gaz osłonowy a następnie dociśnięto ręcznym narzędziem wykonanym z blachy aluminiowej, stosując nacisk 70 N. Po ostudzeniu elementów na wolnym powietrzu do temperatury 30 C, przeszlifowano je na szlifierce obrotowej papierem o gradacji 80 najpierw powierzchnie boczne a następnie powierzchnię styku, uzyskując w efekcie warstwę ok. 2 mm aluminium o niemal zerowej porowatości. Rozkład porowatości w kierunku normalnym do płaszczyzny zgniotu, przed szlifowaniem prezentuje fig. 3. Po unieruchomieniu elementów, oraz zapewnieniu ich ścisłego kontaktu, zespawano krawędzie laserowo punktowo, stosując moc 2,0 kw, przy czasie ekspozycji 3,6 ms oraz średnicy plamki lasera 0,2 mm. W wyniku przeprowadzonych procesów uzyskano złącze spawane o wytrzymałości na rozciąganie większej niż materiału rodzimego. P r z y k ł a d 2 Prostopadło ścienne fragmenty piany aluminiowej kompozytowej o wymiarach 3 x 3 x 10 cm wycięto z arkusza piłą taśmową. Zastosowana piana kompozytowa została wytworzona ze stopu AlSi9 zbrojonego cząstkami AI 2 O 3 w ilości 2% obj., porowatość to ok. 90%. Elementy nagrzano od strony mającej ulec połączeniu w czasie 9 sekund palnikiem TIG stosując prąd 40A oraz argon jako gaz osłonowy a następnie dociśnięto ręcznym narzędziem wykonanym z blachy aluminiowej, stosując nacisk 70 N. Rozkład porowatości w kierunku normalnym do płaszczyzny zgniotu, przed szlifowaniem prezentuje fig. 4. Po ostudzeniu elementów na wolnym powietrzu do temperatury 30 C, przeszlifowano je na szlifierce obrotowej papierem o gradacji 80 najpierw powierzchnie boczne a następnie powierzchnię syku, uzyskując w efekcie warstwę ok. 2 mm aluminium o niemal zerowej porowatości.

4 4 PL B1 Po unieruchomieniu elementów, oraz upewnieniu się, że są ze sobą w ścisłym kontakcie, zespawano krawędzie laserowo punktowo, stosując moc 2,0 kw, przy czasie ekspozycji 3,6 ms oraz średnicy plamki lasera 0,2 mm. W wyniku przeprowadzonych procesów uzyskano złącze spawane o wytrzymałości na rozciąganie większej niż materiału rodzimego. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób spawania pian aluminiowych oraz pian kompozytowych na osnowie stopów aluminium metodą laserową, znamienny tym, że powierzchnie elementów przeznaczonych do spawania nagrzewa się łukiem TIG o prądzie 20 40A w pozycji podolnej, z prędkością przemieszczania łuku po powierzchni 1 3 cm/s, aż do osiągnięcia powierzchniowego nadtopienia ścianek komórek piany, następnie powierzchnie dociska się płaskim narzędziem siłą wywierającą naprężenie 5 15 N/cm i docisk utrzymuje się, aż do uzyskania częściowego wycieku metali poza obrys powierzchni dociskanych, po czym ochładza się element przeznaczony do spawania do temperatury C, usuwa się wyciśnięte pod wpływem nacisku aluminium z powierzchni bocznych, szlifuje i oczyszcza powierzchnie i tak przygotowane krawędzie spawa się wiązką lasera impulsownego. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że łączone elementy, których dłuższa krawędź (a) jest co najmniej trzykrotnością krótszej krawędzi (b), nagrzewa się mchem ciągłym, zakosowym wykonując łukiem TIG linie równoległe do dłuższej krawędzi (a) połączone krótkimi poprzecznymi odcinkami. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że łączone elementy, których dłuższa krawędź (a) jest mniejsza od trzykrotności krótszej krawędzi (b), nagrzewa się mchem ciągłym wykonując łukiem TIG linie równoległe do poszczególnych krawędzi tworzące spiralę.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)