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

Podobne dokumenty
Zastosowanie metody Friction Stir Welding do spajania elementów odlewanych z przerobionymi plastycznie

ZGRZEWANIE TARCIOWE STOPU ALUMINIUM EN AW-6005A METODĄ FSW

współudziale organizacyjnym Polskiego Towarzystwa Stereologicznego W zimowej scenerii w pensjonacie

PL B1. Sposób wyciskania wyrobów, zwłaszcza metalowych i zespół do wyciskania wyrobów, zwłaszcza metalowych

Metody łączenia metali. rozłączne nierozłączne:

WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH NA WŁASNOŚCI STOPU ALUMINIUM KRZEM O NADEUTEKTYCZNYM SKŁADZIE

Wysokowydajne zgrzewanie FSW stopu aluminium przerabianego plastycznie

... Definicja procesu spawania gazowego:... Definicja procesu napawania:... C D

ĆWICZENIE Nr 2/N. 9. Stopy aluminium z litem: budowa strukturalna, właściwości, zastosowania.

... Definicja procesu spawania łukowego ręcznego elektrodą otuloną (MMA):... Definicja - spawalniczy łuk elektryczny:...

ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII ZGRZEWANIA TARCIOWEGO W KONSTRUKCJI WIRNIKA UKŁADU CHŁODZENIA

Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 26/16. ZBIGNIEW PATER, Turka, PL JANUSZ TOMCZAK, Lublin, PL PAULINA PATER, Turka, PL

SPAWANIE ELEKTRONOWE I SPAWANIE TIG BLACH Z TYTANU TECHNICZNEGO

Charakterystyka złączy stopów aluminium serii 5xxx i 7xxx wykonanych metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału

Badania radiograficzne złączy zgrzewanych z tworzyw sztucznych

Instytut Spawalnictwa SPIS TREŚCI

Warszawa, Tematyka rozprawy

... Definicja procesu spawania łukowego elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego (MIG), aktywnego (MAG):...

ĆWICZENIE Nr 8. Laboratorium InŜynierii Materiałowej. Opracowali: dr inŝ. Krzysztof Pałka dr Hanna Stupnicka

Mikrostruktura i właściwości połączeń stopów aluminium wykonanych metodą. zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny

Technologie Materiałowe II Wykład 2 Technologia wyżarzania stali

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

PL B1. Sposób kątowego wyciskania liniowych wyrobów z materiału plastycznego, zwłaszcza metalu

JAKOŚĆ BEZSTYKOWYCH ZŁĄCZY SZYNOWYCH

WYRZUTNIE GRANATÓW DYMNYCH WIEŻY POJAZDU BOJOWEGO UZYSKANE METODĄ ZGRZEWANIA TARCIOWEGO

ROZWÓJ TECHNOLOGII ZGRZEWANIA TARCIOWEGO Z MIESZANIEM MATERIAŁU UPLASTYCZNIONEGO W STREFIE ZGRZEINY

ZGRZEWANIE TARCIOWE METODĄ FSW STOPÓW ALUMNIUM SERII 6000

CHARAKTERYSTYKA ZMIAN STRUKTURALNYCH W WARSTWIE POŁĄCZENIA SPAJANYCH WYBUCHOWO BIMETALI

... Definicja procesu spawania łukowego w osłonie gazu obojętnego elektrodą nietopliwą (TIG):...

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PLASTYCZNOŚĆ. Zmiany makroskopowe. Zmiany makroskopowe

Eliminacja odkształceń termicznych w procesach spawalniczych metodą wstępnych odkształceń plastycznych z wykorzystaniem analizy MES

43 edycja SIM Paulina Koszla

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 22/13. ZBIGNIEW PATER, Turka, PL JANUSZ TOMCZAK, Lublin, PL

PL B1. Sposób walcowania poprzecznego dwoma walcami wyrobów typu kula metodą wgłębną. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów!

ĆWICZENIE Nr 5/N. Laboratorium Materiały Metaliczne II. niskotopliwych. Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. inż. A.

Rys. 1 Zasada spawania łukiem krytym

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

STABILNOŚĆ STRUKTURALNA STALI P92 W KSZTAŁTOWANYCH PLASTYCZNIE ELEMENTACH RUROCIĄGÓW KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH ANDRZEJ TOKARZ, WŁADYSŁAW ZALECKI

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Sposób kształtowania plastycznego uzębień wewnętrznych kół zębatych metodą walcowania poprzecznego

Temat: NAROST NA OSTRZU NARZĘDZIA

Metalurgia spawania Welding metallurgy

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 14/14. ZBIGNIEW PATER, Turka, PL JANUSZ TOMCZAK, Lublin, PL

Laboratorium Dużych Odkształceń Plastycznych CWS

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 193

WPŁYW RODZAJU MASY OSŁANIAJĄCEJ NA STRUKTURĘ, WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ODLEWNICZE STOPU Remanium CSe

LABORATORIUM SPEKTRALNEJ ANALIZY CHEMICZNEJ (L-6)

Nagrody i wyróżnienia otrzymane przez Instytut w 2011 roku

ĆWICZENIE Nr 8. Laboratorium Inżynierii Materiałowej. Opracowali: dr inż. Krzysztof Pałka dr Hanna Stupnicka

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 24/18. GRZEGORZ SAMOŁYK, Turka, PL WUP 03/19. rzecz. pat.

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

PL B1. Sposób kształtowania plastycznego uzębień wewnętrznych kół zębatych metodą walcowania poprzecznego. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL

Wpływ kształtu narzędzia w metodzie zgrzewania FSW stopu Al na jakość zgrzein

Rok akademicki: 2016/2017 Kod: MIM SM-n Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Niestacjonarne

Laserowe technologie wielowiązkowe oraz dynamiczne formowanie wiązki 25 październik 2017 Grzegorz Chrobak

Definicja OC

Z WĘGLIKA SPIEKANEGO WOLFRAMU 1500 HV PRZEZNACZONE DO PRACY W CIĘŻKICH WARUNKACH PRZEMYSŁOWYCH

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 03/14. ZBIGNIEW PATER, Turka, PL JANUSZ TOMCZAK, Lublin, PL

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Materiałoznawstwo i obróbka cieplna w spawalnictwie Material science and heat treatment in welding. Liczba godzin/tydzień: 2W E, 2L,1C

ĆWICZENIE Nr 1/N. Laboratorium Materiały Metaliczne II. Opracowali: dr Hanna de Sas Stupnicka, dr inż. Sławomir Szewczyk

NIEKTÓRE WŁASNOŚCI SPAWANYCH ZŁĄCZY MIESZANYCH STALI P91 ZE STALĄ 13HMF W STANIE NOWYM I PO DŁUGOTRWAŁEJ EKSPLOATACJI

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

P R O F E S J O N A L N E FREZY PILNIKOWE Z WĘGLIKA SPIEKANEGO 1500 HV

Nazwa przedmiotu INSTRUMENTARIUM BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Instrumentation of research in material engineering

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Struktura złączy doczołowych odlewniczych stopów magnezu

BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Sposób kształtowania plastycznego wałków z wieńcami zębatymi

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 23/12

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 21/13

Właściwości strefy spływu w złączu zgrzewanym metodą FSW stopu AW-7020

1 Badania strukturalne materiału przeciąganego

Gazy osłonowe Linx = Niższe koszty spawania

PL B1. Sposób dokładnego wykrawania elementów z blach i otworów oraz wykrojnik do realizacji tego sposobu

Spis treści. Wykaz ważniejszych symboli i akronimów... 11

Mechanika i Budowa Maszyn II stopień (I stopień / II stopień) Ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Proces spawania POLETYLENU

PL B1. BRIDGESTONE/FIRESTONE TECHNICAL CENTER EUROPE S.p.A., Rzym, IT , IT, TO2001A001155

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 15

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

Technologie Materiałowe II Spajanie materiałów

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 19/14. ZBIGNIEW PATER, Turka, PL JANUSZ TOMCZAK, Lublin, PL

WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH METODĄ MIG I ZGRZEWANYCH TARCIOWO METODĄ FSW

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 7

Prof. dr hab. inż. Wojciech Libura Kraków r. Wydział Metali Nieżelaznych Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie RECENZJA

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 06/15

1. BADANIE SPIEKÓW 1.1. Oznaczanie gęstości i porowatości spieków

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL BUP 08/15

KLASYFIKACJI I BUDOWY STATKÓW MORSKICH

Influence of temperature of friction stir welding process with mixing FSW on the strength of the weld

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 8

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 11

WPŁYW ZAKŁÓCEŃ PROCESU WZBOGACANIA WĘGLA W OSADZARCE NA ZMIANY GĘSTOŚCI ROZDZIAŁU BADANIA LABORATORYJNE

Transkrypt:

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

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.

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

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 + 2017A, 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.

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.

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 N508 618940 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