POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki AUTOREFERAT

Transkrypt

1 POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki AUTOREFERAT Załącznik nr 2 do wniosku o przeprowadzenie postępowania habilitacyjnego w dziedzinie Nauk Technicznych, w dyscyplinie Budowa i Eksploatacja Maszyn Autor: dr inż. Wojciech Więckowski Instytut Technologii Mechanicznych Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechnika Częstochowska Częstochowa 2019

2 Spis treści: I. Kwestionariusz osobowy... 3 II. Autoreferat dotyczący dorobku i osiągnięć naukowo-dydaktycznych oraz organizacyjnych 4 II.1. Opis dotyczący osiągnięć wynikających z art. 16 ust. 2 z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) 4 II.2. Opis dotyczący pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych niewymienionych w punkcie II II.2.1. Działalność prowadzona przed obroną pracy doktorskiej.. 21 II.2.2. Działalność prowadzona po obronie pracy doktorskiej II.3. Sumaryczne dane bibliograficzne 30 II.4. Krajowe, międzynarodowe i zagraniczne konferencje naukowe.. 32 II.5. Działalność recenzencka. 33 II.6. Nagrody i wyróżnienia. 33 II.7. Udział w projektach badawczych II.8. Członkostwo w organizacjach naukowych 35 II.9. Szkolenia i staże.. 35 II.10. Współpraca z przemysłem 36 II.11. Działalność organizacyjna. 36 II.12. Działalność popularyzująca naukę.. 37 II.13. Opis osiągnięć dydaktycznych 37 II.14. Zestawienie dorobku naukowo-badawczego

3 dr inż. Wojciech Więckowski Częstochowa, Instytut Technologii Mechanicznych Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechnika Częstochowska I. Kwestionariusz osobowy Imię i nazwisko: Wojciech Paweł Więckowski Data i miejsce urodzenia: Blachownia Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku uzyskania , tytuł zawodowy: magister inżynier, w zakresie Technologia Maszyn, Politechnika Częstochowska, Wydział Budowy Maszyn, tytuł pracy magisterskiej: Modelowe badania płynięcia materiału w procesie tłoczenia. Promotor pracy: prof. dr hab. inż. Monika Gierzyńska-Dolna, , stopień doktora nauk technicznych, dziedzina nauki: mechanika, dyscyplina: bioinżynieria, Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, tytuł pracy doktorskiej: Wpływ rodzaju materiału i kształtu trzpienia endoprotezy stawu biodrowego na obciążenie kości. Promotor pracy: prof. dr hab. inż. Monika Gierzyńska-Dolna, , studium pedagogiczne, Międzywydziałowe Studium Kształcenia i Doskonalenia Nauczycieli, Politechnika Częstochowska, Świadectwo ukończenia studium pedagogicznego, Częstochowa, 2006, , studia podyplomowe w zakresie: Zarządzanie jakością wg norm ISO 9000:2000, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska. Przebieg pracy zawodowej: asystent, Instytut Obróbki Plastycznej Metali i Tworzyw Sztucznych, Wydział Budowy Maszyn, Politechnika Częstochowska, doktorant, Wydział Budowy Maszyn, Politechnika Częstochowska, doktorant, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska, asystent, Instytut Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynierii, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska, adiunkt, Instytut Obróbki Plastycznej, Inżynierii Jakości i Bioinżynierii, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska, kierownik Zakładu Inżynierii Biomedycznej i Sprzętu Rehabilitacyjnego, nadal adiunkt, Instytut Technologii Mechanicznych, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska. 3

4 dr inż. Wojciech Więckowski Częstochowa, Instytut Technologii Mechanicznych Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechnika Częstochowska II. II.1. Autoreferat dotyczący dorobku i osiągnięć naukowodydaktycznych oraz organizacyjnych Opis dotyczący osiągnięć wynikających z art. 16 ust. 2 z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) Osiągnięcie naukowe stanowi cykl publikacji powiązanych tematycznie z lat , na który składa się 12 publikacji naukowych, w tym 9 artykułów opublikowanych w czasopismach z listy A MNiSW, uwzględnionych w bazie Journal Citation Reports (JCR) oraz 3 artykuły opublikowane w czasopismach z listy B MNiSW. Temat cyklu: Wybrane problemy kształtowania i łączenia blach cienkich W skład rozważanego cyklu publikacji wchodzą następujące prace: A1. Winowiecka J., Więckowski W. (50%), Zawadzki M., 2013, Evaluation of Drawability of Tailor-Welded Blanks Made of Titanium Alloys Grade 2 Grade 5, Computational Materials Science, Vol. 77, , ISSN: , - lista A MNiSW, IF 1.879, 30 pkt. A2. Lacki P., Adamus J., Więckowski W. (25%), Winowiecka J., 2013, Evaluation of Drawability of Titanium Welded Sheets, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 58 Iss. 1, , ISSN: , - lista A MNiSW, IF 0,763, 20 pkt. A.3 Winowiecka J., Więckowski W. (25%), Adamus J., Lacki P., 2014, Numerycznodoświadczalna analiza procesu tłoczenia spawanych blach tytanowych, Rudy i Metale Nieżelazne, R. 59 nr 4, , ISSN: , - lista B MNiSW, 7 pkt. A4. Adamus J., Dyja K., Więckowski W. (33%), 2014, Wpływ warunków tarcia na rozkład odkształceń podczas tłoczenia wybranych elementów, Obróbka Plastyczna Metali, Vol. 25 nr 4, , ISSN: , - lista B MNiSW, 6 pkt. A5. Lacki P., Adamus J., Więckowski W. (25%), Winowiecka J., 2015, Forming of Spherical Titanium Cups from Circular Blanks with Cutouts on the Perimeter, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 60 Iss. 2A, , ISSN: , - lista A MNiSW, IF -, 30 pkt. A6. Dyja K., Więckowski W. (60%), 2015, The Effects of Friction on Stamping Process of Sheet Metals Used in Aviation, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 60 Iss. 3A, , ISSN: , - lista A MNiSW, IF -, 30 pkt. 4

5 A7. Lacki P., Więckowski W. (33%), Wieczorek P., 2015, Assessment of Joints Using Friction Stir Welding and Refill Friction Stir Spot Welding Methods, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 60 Iss. 3B, , ISSN: , - lista A MNiSW, IF -, 30 pkt. A8. Więckowski W. (34%), Adamus J., Dyja K., 2016, Analiza wpływu smaru technologicznego na proces tłoczenia blach stosowanych w przemyśle lotniczym, Rudy i Metale Nieżelazne, R. 61 nr 2, 83-88, ISSN: , - lista B MNiSW, 8 pkt. A9. Więckowski W. (70%), Dyja K., 2017, The Effect of the Use of Technological Lubricants Based on Vegetable Oils on the Process of Titanium Sheet Metal Forming, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 62 Iss. 2A, , ISSN: , - lista A MNiSW, IF 0,625, 30 pkt. wg wykazu za lata A10. Burek R., Wydrzyński D., Sęp J., Więckowski W. (30%), 2018, The Effect of Tool Wear on the Quality of Lap Joints Between 7075 T6 Aluminum Alloy Sheet Metal Created with the FSW Method, Eksploatacja i Niezawodność, Vol. 20 nr 1, , ISSN: , - lista A MNiSW, IF 1,383 (2017), 25 pkt. wg wykazu za lata A11. Więckowski W. (40%), Burek R., Lacki P., Łogin W., 2019, Analysis of Wear of Tools Made of Steel and MP159 Alloy in the Process of Friction Stir Welding (FSW) of 7075 T6 Aluminium Alloy Sheet Metal, Eksploatacja i Niezawodność, Vol. 21 nr 1, 54-59, ISSN: , - lista A MNiSW, IF 1,383 (2017), 25 pkt. wg wykazu za lata A12. Więckowski W. (40%), Lacki P., Adamus J., 2019, Examinations of steel overlap joints obtained using the friction stir welding technology, Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 64 Iss. 1, , ISSN: , lista A MNiSW, IF 0,625, 30 pkt. wg wykazu za lata Łączna liczba punktów dla cyklu publikacji powiązanych tematycznie: 271 Sumaryczny IF dla cyklu publikacji powiązanych tematycznie: 6,658 Cykl publikacji powiązanych tematycznie pt. Wybrane problemy kształtowania i łączenia blach cienkich przedstawiony, jako osiągnięcie wynikające z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) obejmuje zagadnienia: - tłoczenia blach z materiałów trudnoodkształcalnych, w tym blach tytanowych typu Tailor-Welded Blanks (TWB), - tribologiczne w procesach tłoczenia blach, - łączenia cienkich blach, zwłaszcza z wykorzystaniem procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału (ang. friction stir welding - FSW) oraz oceny jakości złączy i zużycia narzędzi. 5

6 Opis osiągnięcia naukowego Wstęp oraz W latach aktywnie uczestniczyłem w realizacji dwóch projektów badawczych: 1. Projekt Kluczowy Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym, Nr POIG /08-00, ( 2. Projekt ramach programu INNOLOT Zaawansowane techniki wytwarzania elementów struktury płatowca przy wykorzystaniu innowacyjnej technologii FSW, nr INNOLOT/I/4/NCBR/2013, W obu projektach byłem członkiem zespołów badawczych. W ramach Projektu Kluczowego brałem udział w realizacji zadania ZB8 Plastyczne kształtowanie lotniczych stopów Al (w tym Al-Li) oraz Ti i zadania ZB15 Niekonwencjonalne technologie łączenia elementów konstrukcji lotniczych, w których realizowałem badania w zakresie: - kształtowania plastycznego blach stosowanych w przemyśle lotniczym, - niekonwencjonalnych technologii łączenia elementów konstrukcji lotniczych. W ramach Projektu INNOLOT realizowałem badania w zakresie: - projektowania narzędzi FSW, oceny ich zużycia i poprawy trwałości, - oceny właściwości i jakości złączy liniowych FSW (ang. friction stir welding) oraz punktowych RFSSW (ang. refill friction stir spot welding) w odniesieniu do konwencjonalnych metod łączenia (nitowania, zgrzewania oporowego RSW (ang. resistance spot welding). Aktywny udział w pracach badawczych, w ramach ww. projektów, umożliwił mi kompleksowe poznanie zagadnień związanych z obróbką plastyczną blach cienkich i problemów tribologicznych występujących podczas ich kształtowania oraz zagadnień związanych z technologią zgrzewania tarciowego z przemieszaniem łączonych materiałów. Moje zainteresowania naukowe skupiły się głównie na możliwości zwiększenia tłoczności blach cienkich oraz badaniu możliwości łączenia w procesach FSW blach o grubości poniżej 1 mm (obecnie proces FSW jest głównie wykorzystywany do łączenia elementów aluminiowych o grubości 1 40 mm). Geneza i cel pracy W ostatnich latach obserwuje się wzrost zapotrzebowania na wyroby tłoczone, czyli uzyskiwane w procesach kształtowania blach. Procesy te umożliwiają wytwarzanie wyrobów niemal na gotowo (tj. niewymagających dodatkowych operacji wykańczających), o odpowiednich właściwościach wytrzymałościowych, dobrej jakości powierzchni zewnętrznej wytłoczek i dużej dokładności wymiarowej. Ponadto procesy tłoczenia należą do tzw. obróbki bezubytkowej, która pozwala na dobre wykorzystanie materiału, co jest istotne w przypadku kształtowania blach z drogich materiałów, np. stopów tytanu. 6

7 Wyroby tłoczone z blach znajdują coraz częstsze zastosowanie tam, gdzie istotna jest redukcja masy wyrobów oraz obniżenie kosztów ich produkcji. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się one w przemyśle motoryzacyjnym, a ostatnio również w przemyśle lotniczym, w których obniżenie masy bezpośrednio wpływa na zmniejszenie zużycia paliwa. Jednocześnie umocnienie odkształceniowe zapewnienia wyrobom tłoczonym dobrą wytrzymałość. Redukcja masy konstrukcji to również potrzeba stosowania materiałów lekkich i wytrzymałych, takich jak stopy tytanu. Niestety ich kształtowanie jest utrudnione z uwagi na niską zdolność do odkształceń plastycznych w temperaturze otoczenia i silne sprężynowanie po odciążeniu. Tym samym możliwość stosowania stopów tytanu na wyroby powłokowe jest znacząco ograniczona. Chociaż odkształcalność blach tytanowych może być zwiększona poprzez kształtowanie w podwyższonych temperaturach, to jednak ze względu na rosnącą wraz ze wzrostem temperatury skłonność tytanu do pochłaniania gazów z otoczenia (tlenu, azotu i wodoru), istnieje ryzyko powstawania zmian strukturalnych, a w konsekwencji pogorszenia właściwości użytkowych wyrobów tytanowych. W związku z powyższym poszukuje się nowych metod kształtowania blach tytanowych w temperaturze otoczenia. Podejmuje się próby tłoczenia za pomocą elastycznych narzędzi lub z wykorzystaniem wykrojek o specyficznych kształtach. Dążenie do obniżenia kosztów produkcji, jak też lepszego wykorzystania materiału, przyczynia się do wzrostu zainteresowania technologią Tailor-Welded Blanks. W konwencjonalnych metodach poszczególne elementy konstrukcji są formowane indywidualnie, a następnie spawane. W technologii TWB kształtowaniu poddaje się wsady spawane z kilku, odpowiednio przyciętych blach. Zastosowanie blach spawanych w procesie kształtowania wyrobów powłokowych pozwala uzyskać w jednej operacji elementy o zróżnicowanych właściwościach wytrzymałościowych oraz użytkowych, jednocześnie zapewniając redukuję ilości odpadów, obniżenie liczby części potrzebnych do wytworzenia wyrobu i poprawę dokładności wymiarowej wyrobów. Zastosowanie blach TWB pozwala nie tylko na zmniejszenie zużycia materiałów, ale również na zmniejszenie wymaganej liczby operacji kształtowania, a tym samym zapotrzebowania na narzędzia, co w konsekwencji daje obniżenie całkowitych kosztów produkcji. Na chwilę obecną wsady TWB są najczęściej przygotowywane za pomocą spawania laserowego lub wiązką elektronów. W przypadku materiałów wrażliwych na działanie wysokich temperatur, jak to ma miejsce w przypadku tytanu, należy poszukiwać alternatywnych metod łączenia, takich jak np. zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem materiału FSW, które przebiega w stanie stałym, poniżej temperatury topnienia łączonego materiału. W porównaniu z tradycyjnymi metodami łączenia metali metoda ta jest energooszczędna i przyjazna dla środowiska i może z nimi konkurować ze względu na wysoką wytrzymałość połączeń FSW. Metoda FSW została opracowana w celu łączenia materiałów, które uznawane są za trudno spawalne klasycznymi technikami spawalniczymi (lotnicze stopy aluminium). Uzyskane tą metodą złącza są pozbawione typowych wad, powstających podczas tradycyjnego spawania np. porowatości, skurczu krzepnięcia, pęknięć termicznych, segregacji pierwiastków itp. Niestety zgrzewanie FSW ma pewne ograniczenia technologiczne, wynikające z trudności 7

8 wykonania złączy o złożonych kształtach i skłonności do tworzenia wad wpływających na wytrzymałość i powtarzalność połączenia. Zatem uzyskanie dobrej jakości złączy FSW ciągle jeszcze wymaga prowadzenia wnikliwych badań eksperymentalnych, zwłaszcza w zakresie doboru geometrii narzędzi, ustalenia optymalnych parametrów procesu zgrzewania, opracowania systemu mocowania itp. Kolejnym, istotnym problemem w procesach tłoczenia blach jest zagadnienie tarcia, zużycia i smarowania. W przypadku kształtowania blach tytanowych występuje zjawisko intensywnego nalepiania się tytanu na powierzchnie robocze narzędzi, tj. matrycy, stempla i dociskacza. Powstałe nalepienia są nie tylko przyczyną powstawania rys i wgnieceń na powierzchniach wytłoczek, których nie można usunąć w kolejnych operacjach obróbki powierzchniowej, ale prowadzą również do przedwczesnego zużycia narzędzi. Zjawisku temu można zapobiegać poprzez stosowanie smarowania. Niestety używane na chwilę obecną smary technologiczne do tłoczenia blach nie są obojętne dla środowiska. Należy podkreślić, że w obróbce plastycznej występuje tzw. otwarty węzeł tarcia, co wiąże się z dużo większym zużyciem smaru technologicznego niż w przypadku smarowania maszyn, gdzie smar pracuje w obiegu zamkniętym. W procesach tłoczenia blach nowy smar musi być każdorazowo (tzn. po każdej operacji) wprowadzony w węzeł tarcia. Znaczna jego część jest zużywana bezpowrotnie, a mianowicie jest zabierana przez odkształcany materiał i pozostaje na wytłoczce. Następnie smar jest usuwany z powierzchni wytłoczki, gdyż wymagają tego wszystkie procesy obróbki powierzchniowej, mające związek z nanoszeniem powłok lakierowych. Zatem cały czas pozostaje otwarta kwestia opracowania ekologicznych smarów do procesów kształtowania plastycznego blach. W związku z powyższym, celem prowadzonych przeze mnie badań, w cyklu publikacji przedstawionych do oceny, była: - poprawa tłoczności blach trudnoodkształcalnych poprzez odpowiedni dobór parametrów procesu oraz opracowanie nowych sposobów ich kształtowania z wykorzystaniem metod numerycznych, - ograniczenie negatywnych skutków tarcia w procesach tłoczenia blach poprzez zastosowanie smarów technologicznych, zwłaszcza smarów ekologicznych na bazie olejów roślinnych, - analiza i ocena możliwości łączenia blach cienkich o grubości poniżej 1 mm w procesie zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału (FSW), - analiza procesów zużycia narzędzi w procesie FSW pod kątem ich wpływu na jakość otrzymywanych zgrzein i możliwości zwiększenia trwałości narzędzi. Badania naukowe Głównym tematem moich badań w ostatnich latach, a zarazem przedmiotem osiągnięcia naukowego, które przedstawiam do oceny, są zagadnienia kształtowania plastycznego blach cienkich oraz ich łączenia w procesie zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiałów. 8

9 Prezentowany cykl publikacji składa się z dwóch części. Pierwsza część obejmuje 8 artykułów dotyczących zagadnień kształtowania plastycznego blach w procesach tłoczenia, w tym wsadów tytanowych spawanych typu Tailor-Welded Blanks, ze szczególnym uwzględnieniem aspektów tribologicznych oraz możliwości poprawy tłoczności blach. Druga część publikacji obejmuje 4 artykuły z zakresu łączenia cienkich blach technologią zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału, ze szczególnym uwzględnieniem zagadnień dotyczących zużycia narzędzi FSW, jego wpływu na jakość uzyskiwanych połączeń oraz możliwości poprawy trwałości narzędzi. Przeprowadzone z moim udziałem badania w zakresie tłoczenia blach pozwoliły na: poprawę tłoczności blach, zwłaszcza zwiększenie głębokości tłoczenia, opracowanie receptur ekologicznych smarów technologicznych, pozwalających na uzyskiwanie dobrych jakościowo wytłoczek o gładkiej, pozbawionej zarysowań powierzchni. Natomiast badania w zakresie zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału pozwoliły na: opracowanie konstrukcji tanich narzędzi FSW do zgrzewania cienkich blach aluminiowych, o trwałości porównywalnej do tej jaką posiadają narzędzia komercyjne, opracowanie wytycznych doboru parametrów procesu zgrzewania z punktu widzenia jakości uzyskiwanych połączeń, określenie wypływu zużycia narzędzi na jakość uzyskiwanych zgrzein, ocenę możliwości zastosowania technologii FSW do łączenia blach z austenitycznej stali chromowo-niklowej. Tłoczenie blach z materiałów trudnoodkształcalnych, w tym blach spawanych Pomimo wzrostu zapotrzebowania na wytłoczki z wysokowytrzymałych materiałów, w tym z blach ze stopów tytanu, ich zastosowanie jest małe. Wynika to z faktu, że blachy te charakteryzują się małą plastycznością i ich tłoczenie na zimno (tj. poniżej temperatury rekrystalizacji) jest niemal niemożliwe, nawet w przypadku wytłoczek o prostej geometrii. Wiadomym jest, że plastyczne lub kruche zachowanie się ciał zależy nie tylko od właściwości materiałowych, ale również od sposobu w jaki są one obciążane podczas kształtowania. W zależności od stanu naprężenia, jaki zostanie wywołany w materiale w wyniku zastosowanej metody kształtowania, można uzyskać uplastycznienie materiału lub doprowadzić do naruszenia jego spójności. W oparciu o analizę literaturową oraz wyniki własnych badań eksperymentalnych i przeprowadzonych obliczeń numerycznych podjąłem próby opracowania metody tłoczenia pozwalającej na kształtowanie blach z materiałów trudnoodkształcalnych (np. stop tytanu Ti6Al4V) w temperaturze otoczenia. Wyniki badań dotyczące kształtowania cienkich, trudnoodkształcalnych blach, które uzyskałem głównie podczas realizacji zadania badawczego ZB8 Plastyczne kształtowanie lotniczych stopów Al (w tym Al.-Li) oraz Ti w ramach Projektu Kluczowego Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym, przedstawione zostały w pracach [A1-A3, A5], których byłem współautorem. 9

10 W pracy [A5] zaprezentowane zostały wyniki badań eksperymentalnych oraz analiz numerycznych w zakresie kształtowania na zimno czasz kulistych z blachy ze stopu tytanu Ti6Al4V przy użyciu typowych, sztywnych narzędzi. Celem prowadzonych przeze mnie badań było opracowanie kształtu wykrojek, które umożliwiałyby tłoczenie na zimno kulistych czasz z materiału trudnoodkształcalnego. Opracowane z moim udziałem, kołowe wykrojki posiadały na obwodzie zróżnicowaną ilość klinowych wycięć, rozmieszczonych równomiernie i promieniowo względem środka krążka blachy o średnicy 60 mm. Wycięcia te posiadały różną geometrię oraz głębokość. Uzyskane wyniki symulacji numerycznych procesu tłoczenia przy użyciu programu PamStamp 2G, a następnie wyniki badań eksperymentalnych, potwierdziły, że zastosowane na obwodzie wykrojki wycięcia korzystnie wpływają na rozkład odkształceń plastycznych podczas kształtowania. W konsekwencji uzyskuje się głębokość wytłoczenia większą o co najmniej 30% w stosunku do wytłoczek uzyskiwanych z klasycznych, pełnych wykrojek. Po uzyskaniu wymaganej głębokości wytłoczki, materiał obrzeża wraz z wycięciami zostaje okrojony tak, jak to się dzieje podczas klasycznego okrawania wytłoczek. Efektem prowadzonych przeze mnie badań w tym zakresie były trzy zgłoszenia patentowe, na które uzyskano trzy patenty, których jestem współtwórcą: 1. PL Wykrój do tłoczenia czasz kulistych z materiału trudnoodkształcalnego - Adamus J., Lacki P., Więckowski W., Winowiecka J.: 2016, 2. PL Wykrój do tłoczenia czasz kulistych z materiału trudnoodkształcalnego - Adamus J., Lacki P., Więckowski W., Winowiecka J.: 2016, 3. PL Wykrój do tłoczenia czasz kulistych z materiału trudnoodkształcalnego -Adamus J., Lacki P., Więckowski W., Winowiecka J.: Patenty te zostały nagrodzone w 2017 roku złotym medalem podczas International Warsaw Invention Show - IWIS 2017 oraz brązowym medalem podczas International Trade Ideas Inventions New Products - iena2017 w Norymberdze. W roku 2018 projekt pod nazwą "Wykrój do tłoczenia czasz kulistych z materiału trudnoodkształcalnego" został wyróżniony dyplomem Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Problemem kształtowania wytłoczek z wykrojów spawanych typu Tailor-Welded Blanks zająłem się z uwagi na fakt, że umożliwiają one uzyskanie wytłoczek o zróżnicowanej wytrzymałości, tj. wytłoczek o wyższej wytrzymałości materiału dokładnie tam, gdzie występuje większe obciążenie elementu konstrukcyjnego. Pomimo tej i innych zalet, jakie niesie ze sobą stosowanie w operacjach tłoczenia blach spawanych, istnieje wiele nierozwiązanych dotąd problemów. Wynikają one głównie ze zróżnicowania właściwości wytrzymałościowych oraz grubości blach spawanych, jak też z obecności spoiny, która charakteryzuje się małą plastycznością. Dodatkowym problemem jest to, że podczas tłoczenia blach spawanych występuje różnica w stopniu umocnienia kształtowanych materiałów. W celu oceny przydatności blach spawanych do kształtowania plastycznego, koniecznym było przeprowadzenie szeregu badań, w tym symulacji numerycznych procesu tłoczenia. Umożliwiły mi one przewidywanie zachowania się blach w kolejnych etapach formowania. Wyniki badań w zakresie tłoczenia tytanowych blach spawanych przedstawione zostały 10

11 w pracach [A1-A3]. Wyniki analiz numerycznych kształtowania blach spawanych typu TWB zawsze weryfikowałem w badaniach eksperymentalnych. W pracach tych przeprowadziłem analizę procesu kształtowania czaszy kulistej z wsadu spawanego wykonanego z blach tytanowych Grade2 i Grade 5 oraz dla porównania z materiału jednorodnego. Grubość analizowanych blach w każdym przypadku wynosiła 0,8 mm. Blachy połączono ze sobą za pomocą spawania wiązką elektronów (ang. electron beam welding - EBW). Przestrzenny model procesu tłoczenia oraz obliczenia numeryczne wykonane zostały przy użyciu komercyjnego programu PAM-STAMP 2G, bazującego na metodzie elementów skończonych (MES), który jest specjalnie dedykowany procesom kształtowania blach. Oceny właściwości mechanicznych i parametrów geometrycznych spoiny oraz obszarów jej przyległych, które to dane są niezbędne w symulacjach numerycznych, dokonałem na podstawie badań eksperymentalnych. Ponadto, dla analizowanych blach tytanowych doświadczalnie wyznaczyłem krzywe odkształceń granicznych (KOG). Krzywe te stanowiły podstawę podczas analizy ryzyka pękania wytłoczek. Oceny tłoczności badanych materiałów dokonywałem na podstawie analizy rozkładu odkształceń plastycznych w wytłoczkach oraz zmiany grubości ich ścianek. Prowadzone, przeze mnie, równolegle badania doświadczalne potwierdziły słuszność przyjętych założeń w opracowanym modelu numerycznym procesu tłoczenia. Uzyskane na drodze symulacji numerycznej wyniki dostarczają istotnych informacji o przebiegu procesu, dzięki czemu mogą być przydatne już na etapie projektowania i optymalizacji technologii tłoczenia. Wyniki badań eksperymentalnych tłoczenia wytłoczek z jednolitych wykrojek wykazały, że w przypadku blach z tytanu GRADE 2, o dużej plastyczności, ale o niskich parametrach mechanicznych, możliwe jest ich kształtowanie na zimno za pomocą typowych narzędzi stosowanych do tłoczenia blach stalowych. Natomiast w przypadku blach ze stopów tytanu GRADE 5, o niskiej plastyczności i o wysokich parametrach mechanicznych, ich tłoczenie na zimno jest poważnie ograniczone. Zastanawiając się nad możliwością wykorzystania cech obu blach postanowiłem przeprowadzić próby tłoczenia wykrojek spawanych składających się z obu gatunków blach. Badania wykazały, że tłoczenie sztywnymi narzędziami wsadów o zróżnicowanych właściwościach wytrzymałościowych jest również utrudnione. Obecność spoiny o plastyczności odmiennej od plastyczności materiałów spawanych, wprowadza nierównomierność w rozkładzie odkształceń formowanej blachy w porównaniu do rozkładu odkształceń, jaki występuje w materiale jednorodnym. Jak się okazało toczność badanych wsadów spawanych zależy w znacznej mierze od położenia spoiny względem kierunku występowania maksymalnych odkształceń. W analizowanym przypadku, gdy maksymalne odkształcenie główne jest prostopadłe do linii spoiny, pęknięcie występowało w materiale o mniejszej wytrzymałości wzdłuż spoiny. Oprócz ograniczonej odkształcalności obszaru samej spoiny, zaobserwowałem jej przemieszczanie podczas kształtowania w kierunku materiału mniej plastycznego. Przeprowadzone z moim udziałem symulacje numeryczne procesu tłoczenia blach spawanych typu TWB, jak i badania doświadczalne, wskazują na to, że przy zapewnieniu odpowiednich parametrów prowadzenia procesu (np. zróżnicowana siła docisku, 11

12 smarowanie), jak też przy właściwym zaprojektowaniu geometrii wsadu, a potem jego przygotowaniu, możliwe jest uzyskanie odpowiednio głębokich wytłoczek. Efektem przeprowadzonych przeze mnie badań w zakresie procesu tłoczenia blach spawanych typu TWB, wyniki których zaprezentowane zostały w pracy [A3], było opracowanie przez nasz zespół badawczy sposobu wytwarzania na zimno kulistych czasz tytanowych przy użyciu klasycznych narządzi. Sposób ten polega na tym, że w krążku blachy z tytanu GRADE 2 wycina się centryczny otwór, a następnie umieszcza się w nim pasownie krążek blachy ze stopu tytanu GRADE 5, z którego kształtowana jest czasza. Elementy łączy się ze sobą spawaniem wiązką elektronów. Dzięki opracowanemu sposobowi wyeliminowane zostały dotychczasowe problemy z wytwarzaniem czasz kulistych ze stopu tytanu GRADE 5. Optymalne efekty wytwarzania czasz kulistych z wykrojek spawanych można uzyskać przy zachowaniu odpowiednich zależności geometrycznych wsadu spawanego. Opracowanie to zaowocowało przedstawieniem w 2013 roku zgłoszenia patentowego, na które uzyskano patent: PL Sposób wytwarzania czasz kulistych z materiału trudnoodkształcalnego (2017), którego jestem współtwórcą. Zagadnienia tribologiczne w procesie plastycznego kształtowania blach Jednym z kluczowych czynników decydujących o możliwości uzyskania prawidłowo ukształtowanych wytłoczek jest tarcie występujące pomiędzy odkształcaną blachą i powierzchniami roboczymi narzędzi tłocznych. Tarcie w procesach obróbki plastycznej ma bezpośredni wpływ na rozkład odkształceń i naprężeń w objętości kształtowanego materiału oraz graniczną, możliwą do uzyskania wysokość wytłoczki i wartość maksymalnej siły tłoczenia. Zbyt duże opory tarcia na styku: dociskacz-blacha oraz blacha-matryca powodują wzrost siły wywieranej przez stempel, a przez to zwiększają ryzyko pęknięcia materiału wytłoczki, co ma szczególne znaczenie przy kształtowaniu blach cienkich. Oprócz wpływu na przebieg procesu tłoczenia, tarcie ma też wpływ na zużycie narzędzi, tj. stempla, matrycy i dociskacza. Podstawowym sposobem ograniczania negatywnych skutków tarcia w obróbce plastycznej jest smarowanie. Smary technologiczne zapobiegają bezpośredniemu kontaktowi obrabianego materiału z narzędziem, a tym samym zacieraniu i nalepianiu kształtowanego materiału na powierzchnie robocze narzędzi, przez co znacząco wpływają na poprawę jakości otrzymywanych wytłoczek oraz trwałości narzędzi. Smary należy dobierać do konkretnych procesów kształtowania oraz rodzaju odkształcanych materiałów. Ponadto należy brać pod uwagę wielkość nacisków, stan współpracujących powierzchni oraz prędkość poślizgu i temperaturę pracy. Wpływ poszczególnych czynników na opory tarcia jest złożony i wymaga szeregu badań doświadczalnych z zakresu przydatności smaru technologicznego do procesów formowania. Zatem rozpatrując proces tłoczenia jako system tribologiczny, szczególną uwagę należy zwrócić na smar technologiczny. W latach prowadziłem badania mające na celu określenie wpływu obecności smaru technologicznego i jego rodzaju na przebieg kształtowania plastycznego blach. Wyniki tych badań opublikowane zostały w pracach [A4, A6, A8, A9], których jestem współautorem. 12

13 W pracy [A4] zaprezentowane zostały wyniki badania wpływu tarcia na rozkład odkształceń podczas tłoczenia wybranych elementów z blachy stalowej AMS 5504 (stal nierdzewna AISI 410) o grubości 0,75 mm. Badania przeprowadzono przy braku smarowania oraz w obecności smarów technologicznych. Opory tarcia występujące podczas kontaktu kształtowanego materiału z materiałem narzędzia wyznaczyłem w technologicznej próbie przeciągania pasa blachy przez płaskie szczęki. Wyznaczone współczynniki tarcia wykorzystałem w analizie numerycznej procesu tłoczenia. Oceny wpływu smaru technologicznego na rozkład odkształceń w materiale kształtowanej blachy podczas tłoczenia dokonałem w oparciu o symulacje numeryczne przeprowadzone z wykorzystaniem programu PAMStamp 2G. Model numeryczny procesu tłoczenia opracowałem na podstawie geometrii rzeczywistego narzędzia i geometrii wykrojek, z uwzględnieniem wyznaczonych eksperymentalnie parametrów mechanicznych blach. Wyniki eksperymentu, jak też wyniki obliczeń numerycznych, uzyskanych podczas tłoczenia w warunkach tarcia techniczne suchego oraz podczas tłoczenia ze smarowaniem, uwidoczniły wyraźny wpływ smarowania na rozkład odkształceń plastycznych w materiale wytłoczki i możliwą do uzyskania głębokość wytłoczek. Prowadzone przeze mnie badania wykazały, że w przypadku tłoczenia blach innych niż stalowe, tj. w przypadku blach aluminiowych lub tytanowych występuje duża skłonność do zacierania i nalepiania się kształtowanego materiału na narzędzia (tłoczniki). Zjawisku temu można zapobiegać poprzez stosowanie smarów technologicznych, którym dodatkowo stawia się wymagania odnośnie łatwości nanoszenia na narzędzie lub blachę, a potem łatwości usuwania z wyrobu i bezpiecznej dla środowiska utylizacji odpadów posmarowych. Ponadto smary technologiczne powinny się cechować brakiem negatywnego oddziaływania na organizm człowieka i otaczające go środowisko. W zakresie tribologii oczekuje się zmniejszenia ilości odpadów posmarowych oraz ograniczenia stosowania lotnych rozpuszczalników organicznych do usuwania smarów z wytłoczek. Niestety w większości przypadków, dotychczas stosowane smary technologiczne są szkodliwe dla środowiska i często trudne do usunięcia z wyrobu. Dlatego zespół badawczy, którego byłem członkiem, postawił sobie za zadanie opracowanie skutecznego smaru technologicznego, który byłby bezpieczny dla środowiska. Wyniki badań nad doborem smarów do operacji tłoczenia blach: aluminiowej 2024, tytanowej Grade 2 oraz stalowej 5604 zaprezentowano w pracach [A6, A8]. Przedmiotem eksperymentu były, opracowane według własnych receptur, smary biodegradowalne. Smary te oceniałem w próbie przeciągania pasa blachy przez płaskie szczęki. W celach porównawczych współczynnik tarcia wyznaczyłem również w warunkach tarcia technicznie suchego oraz w obecności smarów handlowych. Receptury smarów opracowano na bazie olejów roślinnych z dodatkiem kwasu borowego (H3BO3) oraz kwasu stearynowego (C18H3602). Oba kwasy są związkami nietoksycznymi, nie wykazującymi szkodliwego oddziaływania w stosunku do człowieka i środowiska naturalnego. Są stosowane w kosmetologii, jak również w medycynie. Badania wykazały większą skuteczność smarów z dodatkiem kwasu borowego. Jego działanie, jako czynnika zmniejszającego tarcie opiera, się na podobieństwie jego budowy krystalicznej do grafitu, który jest powszechnie wykorzystywany jako smar stały lub dodatek do mieszanek smarowych. Związki krystaliczne o budowie warstwowej, takie jak grafit i kwas borowy, 13

14 odznaczają się wyraźnie zaznaczonymi płaszczyznami poślizgu, które determinują ich właściwości smarne. Ponieważ kwas borowy jest substancją słabo rozpuszczającą się w olejach roślinnych, przebadałem różne metody jego nanoszenia na powierzchnie odkształcanych blach. Najskuteczniejsze okazało się napylanie odpowiednio rozdrobnionego kwasu borowego na cienką warstwę oleju bazowego, uprzednio naniesioną na blachę przed operacją kształtowania. Zaletą stosowania kwasu borowego w stosunku do grafitu jest to, że kwas borowy nie powoduje trudnego do usunięcia zabrudzenia z powierzchni wytłoczek, które występuje podczas stosowania smarów grafitowych. Spośród badanych roślinnych olejów bazowych do dalszych badań wytypowano olej rzepakowy, z uwagi na fakt, że rzepak jest najczęściej uprawianą rośliną oleistą w Polsce, a co zatem idzie olej rzepakowy jest najtańszy. Badania współczynnika tarcia potwierdziły wysoką skuteczność smaru na bazie oleju rzepakowego z dodatkiem kwasu borowego w przypadku tłoczenia blach tytanowych. Obecność kwasu borowego spowodowała wyraźne zmniejszenie współczynnika tarcia oraz zapobiegała zacieraniu elementów pary trącej stal narzędziowa - tytan. Dobre wyniki uzyskano również w przypadku kształtowania blach aluminiowych i stalowych. Przeprowadzona przeze mnie analiza numeryczna wykazała, że dzięki zastosowaniu opracowanego smaru technologicznego podczas kształtowania blachy stalowej osiągnięto zwiększenie głębokości wytłoczki o 23 % w stosunku do blachy niesmarowanej. Natomiast w przypadku blachy tytanowej zastosowanie smarowania ograniczyło siłę tłoczenia o 32 % w stosunku do blachy nie pokrytej smarem. Ponadto przeprowadzone badania korozyjne wykazały, że opracowane smary na bazie olejów roślinnych mogą stanowić czasową ochronę przed korozją, przy czym czas ten zależy od gatunku blachy i rodzaju smaru. Lepszą ochronę przed korozją zapewniał smar z dodatkiem kwasu stearynowego. Próby zmywalności smarów, wykazały że opracowane smary ekologiczne można łatwo i skutecznie usuwać z powierzchni wytłoczek przy użyciu np. 5% roztworu biodegradowalnego detergentu i gorącej wody. Wymiernym efektem prowadzonych przeze mnie badań było zgłoszenie patentowe i udzielony na nie w 2018 roku patent PL : Sposób nanoszenia smaru na powierzchnię arkusza blachy z materiału trudnoodkształcalnego przed operacją tłoczenia na zimno, którego jestem współtwórcą. Z przeprowadzonych przeze mnie badań eksperymentalnych i analiz numerycznych wynika, że oprócz właściwie dobranej metody kształtowania, geometrii narzędzi tłocznych i siły docisku, smarowanie jest ostatnim czynnikiem, który może znacząco ułatwić przebieg procesu kształtowania i pozwolić na uzyskanie wytłoczek bez wad. Ocenę wpływu smarów technologicznych na proces tłoczenia blach tytanowych przeprowadzoną w oparciu o uzyskane wyniki symulacji numerycznych przedstawiono w pracy [A9]. Model numeryczny procesu tłoczenia pokrywy z elementami usztywniającymi z blachy tytanowej Grade 2 opracowałem w oparciu o geometrię detalu i wyniki badań eksperymentalnych odnośnie pomiaru współczynnika tarcia i parametrów mechanicznych. W obliczeniach przyjęto sprężysto-plastyczny model materiału blachy z nieliniowym wzmocnieniem oraz założono anizotropowe właściwości wytrzymałościowe blachy z uwzględnieniem prawa plastyczności Hill a. Przeprowadzone obliczenia numeryczne wykazały istotny wpływ smarowania na rozkład odkształceń w objętości kształtowanego materiału. Zastosowanie smarowania zmniejsza 14

15 ryzyko pęknięcia wytłoczki i powoduje bardziej równomierny rozkład odkształceń plastycznych, a co za tym idzie zmniejsza się pocienienie blachy, korzystnie wpływając na późniejsze właściwości użytkowe wytłoczki. Zmniejszenie oporów tarcia stwarza jednak ryzyko występowania fałdowania materiału wytłoczki w obszarze kołnierzowym, spowodowane zwiększeniem obwodowych naprężeń ściskających, dlatego konieczne jest ustalenie optymalnej siły docisku. Łączenie cienkich blach w procesie zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału W latach , pracując w zespole badawczym Politechniki Częstochowskiej, realizującym: zadanie ZB15 Niekonwencjonalne technologie łączenia elementów konstrukcji lotniczych w ramach Projektu Kluczowego Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym oraz projekt w ramach Programu INNOLOT o nazwie Zaawansowane techniki wytwarzania elementów struktury płatowca przy wykorzystaniu innowacyjnej technologii FSW prowadziłem badania w zakresie technologii łączenia cienkich blach metodą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału. Badania realizowałem we współpracy z partnerami przemysłowymi: PZL Sp. z o.o. w Mielcu, PPUH BRYK Witold Bryk w Jasionce oraz Fabryką Narzędzi Medycznych CHIRMED w Rudnikach. Wyniki tych badań zostały przedstawione w czterech pracach opublikowanych w czasopismach znajdujących się w bazie Journal Citation Reports [A7, A10 A12]. Zaletą technologii zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału zgrzeiny (FSW) jest możliwość uzyskiwania złączy o dobrych właściwościach mechanicznych i strukturalnych, co spowodowało że znalazła ona zastosowanie na skalę przemysłową w przemyśle okrętowym i kolejnictwie, a ostatnio również w przemyśle lotniczym i kosmicznym do łączenia elementów zbiorników, pokładów, części skrzydeł, poszyć kadłubów itp. W procesie FSW obracające się narzędzie, którego głównymi elementami są trzpień i opora, jest zagłębiane w łączone materiały. Wytwarzane ciepło tarcia wraz z ciepłem pochodzącym od odkształcania plastycznego materiału inicjuje proces zgrzewania. Uplastyczniony materiał zgrzeiny, przepływając wokół narzędzia, jest intensywnie mieszany i odkształcany plastycznie. Opora narzędzia zapobiega wypływaniu uplastycznionego materiału poza obszar zgrzeiny. Kształt i właściwości zgrzeiny silnie zależą od kształtu narzędzia oraz parametrów procesu, m.in. szybkości posuwu i prędkości obrotowej narzędzia. Jeśli parametry te nie osiągną wartości nominalnych, to w zgrzeinach pojawiają się wady, które ze względu na charakter procesu mają tendencję do rozprzestrzeniania się wzdłuż linii łączenia. Wady te najczęściej spowodowane są brakiem możliwości uplastycznienia i przemieszania materiału wskutek nieosiągnięcia odpowiedniej temperatury, np. w wyniku spadku prędkości obrotowej narzędzia wydziela się mniej ciepła tarcia. Opisane w pracy [A7] badania pozwoliły mi na zdefiniowanie wad w złączach FSW, które znacząco różnią się od wad występujących w tradycyjnych spoinach, oraz ustalenie przyczyn 15

16 ich powstawania. Wady w procesach zgrzewania tarciowego można podzielić na dwie podstawowe kategorie: wady zewnętrzne wychodzące na powierzchnię lica lub grani zgrzeiny, które mogą być wykryte poprzez ocenę wizualną złącza oraz wady wewnętrzne, do których wykrycia potrzeba bardziej zaawansowanych metod badawczych, jak np. defektoskopii ultradźwiękowej lub technik radiologicznych. Wady wewnętrzne to wtrącenia cząstek stałych pochodzących od narzędzi i zanieczyszczeń powierzchni łączonych elementów, pustki, szczeliny (wormholes), brak lub niepełna penetracja. Szczególnego rodzaju wadami wewnętrznymi, są wady typu kissing bond, w których dwa materiały w stanie stałym pozostają w kontakcie, ale bez wystarczającego połączenia metalurgicznego. Brak pełnowartościowego połączenia wynika z niedotrzymania nominalnych parametrów procesu oraz zbyt dużej grubości warstwy tlenków, które uniemożliwiają właściwe wymieszanie materiałów i rozproszenie tlenków. Poprawna ocena jakości wytwarzanych złączy pozwala na doskonalenie technologii FSW oraz zwiększanie zakresu jej stosowalności. Przeprowadzone badania wykazały, że ocena złączy może być wykonywana z wykorzystaniem metod powszechnie stosowanych przy ocenie klasycznych złączy spawanych, tj. badań nieniszczących oraz badań niszczących, oczywiście z uwzględnieniem odmienności procesu FSW. W prowadzonych przeze mnie badaniach, do identyfikacji wad i oceny złączy, zastosowane zostały: ocena wizualna, badania radiograficzne, badania ultradźwiękowe, mikroskopia akustyczna, próba rozciągania z rejestracją wyników za pomocą optycznego systemu korelacji obrazu Aramis oraz badania mikroskopowe w przekroju poprzecznym zgrzein. Podczas badań wystąpiły problemy z wykryciem niektórych rodzajów wad tradycyjnymi metodami badań nieniszczących, ze względu na ich niewielki rozmiar i usytuowanie w złączu FSW. Szczególny problem stanowią wady typu kissing bond, ponieważ ich wykrycie i określenie dokładnego rozmiaru jest bardzo trudne, zarówno przy wykorzystaniu konwencjonalnych, jak i zaawansowanych metod badań nieniszczących. Przeprowadzone badania potwierdziły, że istotną rolę w procesie FSW odgrywa narzędzie. To ono wraz z parametrami procesu jest odpowiedzialne za nagrzewanie oraz wymieszanie materiału, co przekłada się na wielkość poszczególnych stref zgrzeiny, a w następstwie właściwości złącza. Niestety w trakcie procesu zgrzewania narzędzie FSW ulega zużyciu, które zależy od interakcji między obrabianym materiałem i materiałem narzędzia oraz od geometrii narzędzia i parametrów procesu zgrzewania. Zagadnienia zużycia narzędzi FSW są ważne z punktu widzenia jakości otrzymywanych zgrzein. Zużyte narzędzia nie są w stanie zapewnić takiej ilości ciepła, która jest wymagana do uplastycznienia i wymieszania materiału. Zużycie narzędzi, objawiające się zmianą geometrii, jest wynikiem obciążenia mechanicznego oraz cieplnego powierzchni roboczych narzędzia. Narzędzie zużywa się wskutek ścierania mechanicznego, odkształcenia plastycznego, utleniania, adhezji, wykruszenia itp. Zużyciu można przeciwdziałać poprzez stosowanie właściwie dobranych parametrów technologicznych, odpowiedni dobór materiału na narzędzia FSW oraz stosowanie powłok antyadhezyjnych. Opisywane w pracach [A10, A11] badania dotyczą analizy procesu zużycia narzędzi FSW oraz jego wpływu na jakość wykonywanych zgrzein. Artykuły poruszają bardzo ważne zagadnienie dla zastosowań przemysłowych, a mianowicie ocenę trwałości narzędzi w funkcji przebytej drogi zgrzewania. Badania zużyciowe narzędzi miały na celu zbadanie 16

17 trwałości narzędzi poprzez określenie długości drogi zgrzewania, podczas której narzędzie pracuje w sposób stabilny i zapewnia zgrzeinom wytrzymałość na ustalonym poziomie. Jest to kryterium technologiczne pozwalające na wyeliminowanie z produkcji przemysłowej narzędzi nadmiernie zdeformowanych. Jak wykazały przeprowadzone badania, właściwości złączy FSW ulegają pogorszeniu w przypadku znacznej zmiany geometrii narzędzia wskutek jego zużycia. Po konsultacji z PZL Mielec, który był głównym beneficjentem projektu INNOLOT, badania prowadzono według opracowanego przeze mnie planu badań i zaproponowanej metodyki pomiaru zużycia narzędzi. Wyniki badań eksperymentalnych w zakresie wykonywania złączy zakładkowych z blach aluminiowych 7075 T6, obustronnie platerowanych czystym aluminium, zaprezentowane zostały w pracy [A10]. Grubości zgrzewanych blach wynosiły 1,0 mm i 0,8 mm, odpowiednio dla górnej i dolnej blachy. Testy prowadzono na maszynie DMC 104V z wykorzystaniem narzędzia komercyjnego firmy Schilling, posiadającego wklęsłą oporę i walcowy trzpień. Parametry procesu dobrałem w oparciu o wcześniejsze doświadczenia w zakresie łączenia blach metodą FSW. Oceny zużycia narzędzi dokonywałem na podstawie wyników pomiaru geometrii trzpienia na maszynie multisensorycznej OGP Smart Scope FLASH 200. Wykazały one, iż zużycie wynosi 2, 4, 10 i 12 % objętości materiału trzpienia odpowiednio dla 100, 200, 300, i 400 m wykonanej zgrzeiny. Konstrukcja narzędzia pozwalała na dokonanie korekty ustawienia, tj. wysunięcia trzpienia ze względu na postępujące zużycie, co pozwalało na zwiększenie resursu narzędzia. Jednak nie zmieniło to faktu, że kształtowe wybrania na bocznej i czołowej powierzchni narzędzia ulegały postępującej degradacji. Wyniki badań wytrzymałościowych wskazują, że wytrzymałość połączenia spada po wykonaniu danym narzędziem 200 m zgrzeiny. Zauważono również spadek powtarzalności wyników. Ma to związek ze wzrostem intensywności zużycia narzędzia. Zaobserwowałem wpływ stopnia zużycia narzędzia na zmniejszenie się szerokości oraz głębokości strefy przemieszania. Wysoka cena jednostkowa narzędzi komercyjnych skłoniła mnie do podjęcia badań w zakresie opracowania własnych, prostszych konstrukcji narzędzi FSW. Wyniki badań zużycia i jego wpływu na jakość złączy wykonanych narzędziami własnej konstrukcji opisano w pracy [A11]. Do badań wykorzystałem narzędzia z trzpieniem w kształcie ściętego stożka oraz płaską oporą wykonane ze stali do pracy na gorąco oraz ze stopu MP159. Podobnie jak w przypadku badania zużycia narzędzi komercyjnych, analizowałem ten sam typ złączy zakładkowych wykonanych przy tych samych parametrach procesu. Badania narzędzi FSW wykazały zróżnicowane zużycie na powierzchni roboczej narzędzia, prowadzące do zmiany jego geometrii, przy czym intensywność zużywania narzędzi była większa w początkowym etapie badań, a następnie malała. Otrzymane wyniki pomiarów geometrii części roboczej narzędzi znalazły potwierdzenie w przeprowadzonej ocenie wizualnej stanu powierzchni roboczej. Na powierzchni roboczej narzędzia zaobserwowano ślady zużycia tribologicznego w postaci licznych wgłębień i bruzd o zróżnicowanej wielkości. Większemu odkształceniu i zużyciu ulegała powierzchnia boczna trzpienia w porównaniu do powierzchni opory. Badania metalograficzne wykazały, że wraz ze zmianą kształtu narzędzia, spowodowaną jego zużyciem, zachodzą zmiany parametrów geometrycznych zgrzeiny. Zróżnicowanie wartości wytrzymałości na rozciąganie złączy FSW uzyskanych na początku eksploatacji narzędzia oraz 17

18 duży rozrzut wyników, były efektem intensywnego na tym etapie zużycia narzędzia, a tym samym zmieniających się warunków procesu zgrzewania. Kolejne złącza wykonane tym samym narzędziem charakteryzowały się wzrostem szerokości jądra zgrzeiny oraz głębokości wymieszania materiału dolnej blachy, co wpłynęło na nieznaczny wzrost wytrzymałości badanych złączy oraz zmniejszenie jej rozrzutu. Badania zużyciowe przerwano po wykonaniu 200 m zgrzeiny z powodu znaczącego zużycia powierzchni trzpienia. Uzyskane wyniki pomiarów zużycia narzędzi FSW, jak też wyniki badania złączy FSW, są wykorzystywane do modyfikacji zarówno kształtu, jak i wymiarów części roboczej narzędzi oraz w korekcie ustawienia narzędzi względem łączonych elementów, tak aby możliwe było wykonanie dłuższej, dobrej jakościowo zgrzeiny przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia i poprawie trwałości narzędzi. Badania wykazały, że poza ustalonymi parametrami procesu oraz zmieniającą się w wyniku zużycia geometrią powierzchni roboczej narzędzia, istotnym czynnikiem wpływającym na przebieg mechanizmów zużycia narzędzi oraz jakość otrzymywanych złączy jest rodzaj materiału narzędzia. Technologia zgrzewania tarciowego z przemieszaniem została opracowana na potrzeby łączenia metali lekkich, w tym aluminium i jego stopów. Komercyjne stosowanie procesu FSW do łączenia stali czy tytanu jest ograniczone, głównie z powodu wysokich kosztów wynikających z niskiej trwałości narzędzi do zgrzewania. Dopiero zastosowanie na narzędzia FSW materiałów, takich jak: węglik wolframu, stopy molibdenu, stopy wolframu i renu, tantal, polikrystaliczny regularny azotek boru PCBN, sprawiło, że łączenie tych metali staje się coraz bardziej popularne. Technologia FSW zapewnia złączom lepsze właściwości i mniejszą deformację złącza wskutek działania wysokiej temperatury w przypadku typowych metod spawalniczych. W pracy [A12] przedstawiono wyniki badań w zakresie możliwości wykorzystania zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału do łączenia stali austenitycznej chromowo-niklowej stabilizowanej dodatkiem tytanu (AISI 321). Proces zgrzewania prowadziłem przy użyciu komercyjnego narzędzia wykonanego ze stopu W-25Re o płaskiej oporze oraz cylindrycznym trzpieniu. Podczas zgrzewania blach ze stali problemem okazało się mocowanie blach. Ze względu na duże siły działające na łączone elementy zastosowano specjalnie opracowany i wykonany przyrząd mocujący, który zapewniał dobre przyleganie łączonych elementów w miejscu wykonywania zgrzeiny oraz zapobiegał ich przesuwaniu się podczas prowadzenia badań. Wykonana przeze mnie ocena wizualna otrzymanych złączy stalowych nie wykazała istnienia wad na powierzchni zgrzeiny. Złącza charakteryzowała stała szerokość lica zgrzeiny, bez widocznych ubytków i nieciągłości. Zarówno po stronie natarcia, jak i po stronie spływu zaobserwowano niewielką wypływkę uformowaną wzdłuż lica zgrzeiny. Badania wytrzymałościowe wykazały nośność złączy na poziomie nośności materiału rodzimego blach - wszystkie próbki pobrane ze złączy uległy zniszczeniu/pęknięciu poza zgrzeiną. Wykonane przeze mnie badania makro- i mikroskopowe otrzymanych złączy FSW nie wykazały istotnych nieprawidłowości w strukturze zgrzeiny. W obszarze zgrzeiny obserwowano strefę mieszania (SZ) o małym uziarnieniu, która sięgała poniżej linii kontaktu łączonych blach. Zaobserwowałem wzrost mikrotwardości w przekroju 18