Technologia Friction Stir Welding i jej modyfikacje w zastosowaniu do spajania i przetwarzania materiałów metalicznych. Dr inż. Krzysztof Mroczka*

Transkrypt

1 Gliwice, dn. 18 kwietnia 2012 r. Streszczenie referatu wygłoszonego na Zebraniu Komisji Metalurgiczno-Odlewniczej Polskiej Akademii Nauk w Instytucie Metali Nieżelaznych w Gliwicach Technologia Friction Stir Welding i jej modyfikacje w zastosowaniu do spajania i przetwarzania materiałów metalicznych Dr inż. Krzysztof Mroczka* Różnorodność materiałów metalicznych, często o wysublimowanej mikrostrukturze zapewniającej określone właściwości fizykochemiczne i mechaniczne oraz rosnące potrzeby w zakresie łączenia materiałów są przyczynami, dla których wciąż poszukuje się nowych technik spajania. Technologia Friction Stir Welding (FSW) została opracowana początkowo do zgrzewania stopów aluminium, które są niespawalne lub trudno spawalne, a które mają lub mogą mieć zastosowanie do budowy złożonych konstrukcji charakteryzujących się znaczną wytrzymałością i relatywnie małą masą. Prace badawcze i eksperymenty prowadzone od ponad 20 lat przyniosły znaczy postęp w odniesieniu zakresu stosowania, wydajności, jak również wykorzystania FSW nie tylko do spajania ale również przetwarzania materiałów. Technologia FSW została opracowana w The Welding Institute, Cambridge UK, natomiast w Polsce liderem w badaniach, upowszechnianiu i rozwijaniu tej metody zgrzewania jest Instytut Spawalnictwa w Gliwicach. Konwencjonalna metoda FSW umożliwia wykonywanie zgrzein doczołowych, w wyniku działania narzędzia wykonującego ruch obrotowy wokół własnej osi, przy jednoczesnym ruchu liniowym wzdłuż linii zgrzewania ideę procesu przedstawiono na schemacie przekroju poprzecznego zgrzeiny rysunek 1. Rys. 1. Schemat FSW zgrzewanie doczołowe, przekrój poprzeczny W przypadku, gdy narzędzie przemieszcza się przez lity materiał (nie dokonuje się łączenie elementów) dochodzi jedynie do zmodyfikowania mikrostruktury (w wyniku przeróbki plastycznej) a proces określany jest mianem Friction Stir Processing (FSP). Dla obu procesów, tj. FSW i FSP, kluczowym jest narzędzie wykonujące proces. Konwencjonalne narzędzie FSW składa się z wieńca opory (w literaturze również określanego, jako wieniec oporowy) oraz trzpienia. Obie te części narzędzia mogą posiadać powierzchnie o różnym profilu, np. spiralnie nacięty rowek. W przypadku trzpienia istotny jest również kształt, np. walec, stożek lub bardziej złożony. Kształt i wspomniana już modyfikacja powierzchni narzędzia wpływają na zakres i intensywność płynięcia materiału

2 podczas zgrzewania. Decyduje to również o ilości ciepła wydzielonego podczas procesu, które jest konieczne do uplastycznienia materiału. W konsekwencji modyfikując narzędzie poszukuje się rozwiązań dających optymalną jakość zgrzeiny. Modyfikacje metody (konwencjonalnej) FSW dotyczą wielu aspektów. Pod względem rodzaju zgrzein wykonuje się złącza nakładkowe, T-owe i pachwinowe, choć te ostatnie wymagają również zastosowania zmodyfikowanego narzędzia rysunek 2. Rys. 2. Schemat procesu FSW zgrzewanie pachwinowe Inne znane modyfikacje dotyczą narzędzia, np. narzędzie z podwójnym wieńcem opory (tzw. Bobbin-tool); drugi wieniec opory przemieszcza się od strony grani zgrzeiny. Modyfikowano także ruchu narzędzia odchylenie osi narzędzia od osi obrotu, co powoduje jego eliptyczny ruch. Bardzo dobre rezultaty zgrzewania uzyskuje się przy zastosowaniu narzędzia, w którym wieniec opory obraca się z inna prędkością niż trzpień rysunek 3. Rys. 3. Zgrzewanie FSW z dwoma prędkościami narzędzia (na podstawie danych eksperymentalnych udostępnionych przez Instytut Spawalnictwa w Gliwicach) Rozwój omawianej technologii doprowadził do opracowania narzędzi, metod i parametrów zgrzewania umożliwiających wykonywanie nie tylko zgrzein jednoimiennych (tzn. elementy zgrzewane są wykonane z tego samego materiału) takich metali i ich stopów jak: Al, Mg, Ni, Cu, Ti, Fe, ale również zgrzewanie materiałów znacznie różniących się pod względem właściwości fizykochemicznych. Wybrane przykłady zgrzein stopów aluminium: 6082/7075, 2017A/AlSi9Mg, oraz stop aluminium 1050/M1E z Cu 99,9E, czy stop aluminium 6013 zgrzewany ze X5CrNi18-10 stal nierdzewna. Należy ponadto dodać do wymienionych przykładów również szereg kompozytów na osnowie materiałów metalicznych, np. osnowa stop Al 6061/Al 2 O 3.

3 Na budowę każdej zgrzeiny FSW, pod względem makrostruktury, składają się dwa obszary: strefy wpływu ciepła (SWC) i strefa uplastycznienia termomechanicznego (SUTM), w skład której wchodzi również, tzw. jądro zgrzeiny (w konwencjonalnych zgrzeinach FSW). Natomiast mikrostruktura zgrzein wykonywanych zmodyfikowaną metodą FSW może być znacznie bardziej zróżnicowana, co zależy głównie od metody, rodzaju narzędzia oraz parametrów zgrzewania. Do istotnych aspektów związanych z mikrostrukturą zgrzein FSW i jej tworzeniem się, należą: niejednorodność mikrostruktury i bardzo duże jej zróżnicowanie (mikroskopowo obszary o znacznie rozdrobnionej mikrostrukturze oraz wydzieleniach, i makroskopowo, w tym asymetryczna budowa złącza), rozdrobnienie ziarna, stabilność/metastabilność mikrostruktury (obserwowane starzenie złącz niektórych stopów aluminium wzrost twardości), wielokierunkowość odkształcenia plastycznego z różnym stopnie (zgniotu), zróżnicowanie temperatury podczas procesu zgrzewania (inna temperatura po stronie natarcia w stosunku do strony spływu; wyższa temperatura przy licu złącza w stosunku do grani), zmiany mikrostruktury w SWC zwykle skutkujące spadkiem twardości, przy grani złącza często obserwowane ograniczone płynięcie materiału zgrzanie częściowe lub brak zgrzania. Niewłaściwie dobrane parametry zgrzewania lub narzędzie powoduje powstawanie wad. Wady w złączach FSW można podzielić na dwie podstawowe grupy: wady makroskopowe lica zgrzeiny (przykładową wadę pokazano na rysunku 4), oraz występujące w mikrostrukturze. Wady mikrostruktury polegają głównie na występowaniu obszarów niewypełnionych materiałem przykładową wadę pokazano na rysunku 5. Do wad zaliczyć należy również brak zgrzania w obszarach położonych przy licu zgrzeiny. Wynika to najczęściej z zastosowania zbyt krótkiego trzpienia. Rys. 4. Wada na powierzchni lica zgrzeiny FSW

4 Rys. 5. Wady w mikrostrukturze zgrzeiny FSW stopów aluminium AlSi9Mg/2017A Analiza ruchu narzędzia sugeruje możliwość uzyskania bardzo znacznego wymieszania materiału/ów podczas zgrzewania. Niewątpliwie stopień odkształcenia jest bardzo duży natomiast zakres i sposób płynięcia w poszczególnych obszarach zgrzeiny już niekoniecznie. Na ten fakt wskazują pasma rozdrobnionych wydzieleń zaobserwowane w złączach stopów aluminium AlSi9Mg/2017A, powyżej jądra zgrzeiny rysunek 6. Analiza SEM-EDS potwierdza, obecność pierwotnych wydzieleń z udziałem pierwiastków Al-Fe-Mn, które zostały odkształcone i rozdrobnione podczas zgrzewania ale nie wymieszane. Rys. 6. Mikrostruktura SEM zgrzeiny stopów AlSi9Mg/2017A: a) obszaru powyżej jądra stop AlSi9Mg po przejściu narzędzia, b) materiału rodzimego AlSi9Mg Znaczące zróżnicowanie mikrostruktury w warstwach przy licu zgrzeiny potwierdzają również obserwacje wykonane na przekrojach wzdłużnych (powierzchnie równoległe do lica zgrzeiny). Badania dowodzą obecności w tych warstwach trzech typów obszarów zbudowanych ze: stopu AlSi9Mg, stopu 2017A oraz AlSi9Mg A, występujących po stronie natarcia złącza rysunek 7 (lewa strona). Skład chemiczny tych miejsc analizowano metodą SEM-EDS. Oznacza to, że podczas zgrzewania dochodzi do transportu materiału ze strony spływu na stronę natarcia. W prezentowanej warstwie, położonej ok. 0,1 mm od lica zgrzeiny, po obu stronach obserwowana jest również największa niejednorodność mikrostruktury. Trzeba zaznaczyć, że materiał w tych miejscach (położonych na krańcach zgrzeiny) odkształcany jest jedynie przez wieniec opory średnica trzpienia jest zwykle 2 3 razy mniejsza od średnicy wieńca.

5 Rys. 7. Makrostruktura (przekrój wzdłużny) warstwy oddalonej od lica o ok. 0,1 mm w zgrzeinie AlSi9Mg/2017A Na kolejnym rysunku (rysunek 8) przedstawiono natomiast makrostrukturę zgrzeiny stopów aluminium 6082/AlSi9Mg wykonaną przy wykorzystaniu narzędzia umożliwiającego zastosowanie różnej prędkości trzpienia i wieńca opory. Analiza wskazuje na różnice w budowie, w stosunku do konwencjonalnego zgrzewania, głównie w odniesieniu struktury jądra zgrzeiny i obszaru w pobliżu strony natarcia (prawa strona zgrzeiny). Rys. 8. Makrostruktura (przekrój poprzeczny) zgrzeiny stopów aluminium 6082/AlSi9Mg, wykonanej z różnymi prędkościami wieńca i trzpienia narzędzia FSW Wnioski 1. Ewolucja technologii FSW w kierunku zmian kształtu i ruchu narzędzia umożliwia wykonywanie różnych typów zgrzein. 2. Metoda umożliwia zgrzewanie różnych materiałów metalicznych, w tym materiałów niespawalnych i/lub o znacznie zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych. 3. Technologia FSW może być stosowane również jako metoda przetwarzania materiałów (lokalna przeróbka plastyczna), wówczas jest to określane jako FSP Friction Stir Processing. 4. Do głównych cech większości zgrzein FSW zalicza się niejednorodność mikrostruktury i jej znaczne rozdrobnienie w odniesieniu do ziaren osnowy, jak również wydzieleń występujących w materiałach poddanych procesowi.

6 Podziękowania i wsparcie Instytut Spawalnictwa w Gliwicach Zgrzeiny FSW wykonano w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach, na podstawie licencji udzielonej przez TWI. Podziękowania dla pana Prof. dr. hab. inż. Jana Pilarczyka, Dyrektor Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach oraz pana Dr. inż. Adama Pietrasa, Kierownika Zakładu Technologii Zgrzewania i Inżynierii Środowiska. Cześć prezentowanych badania zgrzein stopów aluminium 2017A, 6082 i AlSi9Mg wykonano w ramach projektu nr N N finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki, realizowanego przez autora referatu w Zakładzie Technologii i Inżynierii Materiałów, Instytut Techniki, Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, gdzie wykonano badania mikrostruktury LM, SEM, SEM-EDS oraz właściwości mechanicznych * Dr inż. Krzysztof Mroczka, Zakład Technologii i Inżynierii Materiałów, Instytut Techniki, Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, kmroczka@up.krakow.pl