Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe (30) nr 2, 2012 Roman BOGUCKI ZASTOSOWANIE TECHNOLOGII ZGRZEWANIA TARCIOWEGO W KONSTRUKCJI WIRNIKA UKŁADU CHŁODZENIA Streszczenie: W artykule przedstawiono warunki zgrzewania tarciowego metodą FSW wirnika promieniowego przeznaczonego do układu chłodzenia pojazdu gąsienicowego. Wyniki badań własności mechanicznych potwierdzają możliwość zastosowania technologii zgrzewania FSW dla uzyskania wysokiej jakości połączeń elementów wirnika o znacznym obciążeniu eksploatacyjnym. Słowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe FSW, wirnik promieniowy układu chłodzenia. 1. WSTĘP W trakcie eksploatacji wentylatora łopatki wirnika obciążone są znacznymi siłami odśrodkowymi, ciśnieniem oporu powietrza oraz siłami bezwładności występującymi przy zmiennym przyśpieszeniu kątowym. Analiza naprężeń, jakie pojawiają się w konstrukcji wirnika wykazuje, że największemu odkształceniu podlegają strefy połączeń łopatek z tarczą nakrywającą oraz środkowa część łopatki na wlocie wirnika [1]. Dotychczasowe badania technologii zgrzewania tarciowego metodą FSW potwierdzają możliwość uzyskiwania złączy o wysokiej jakości [2, 3, 4, 5]. Brak jest jednak ilościowych i jakościowych danych w zakresie zastosowania tej technologii do konkretnych elementów wirujących. Artykuł jest więc próbą doświadczalnego określenia możliwości zastosowania technologii FSW w tworzeniu konstrukcji wirnika układu chłodzenia. 2. BADANIA WARUNKÓW ZGRZEWANIA Wstępne badania warunków zgrzewania wirnika przeprowadzono na próbkach zgrzewanych doczołowo i teowo z wysoko wytrzymałego stopu aluminium EN AW-6063-T6 [6]. Opracowano kształt i wymiary narzędzia mieszającego. Próby zgrzewania przeprowadzono na adaptowanej do zgrzewania frezarce OBRUM [2]. Badania jakości złączy próbnych przeprowadzono zgodnie z polską normą, tak jak dla prób technologicznych złączy spawanych łukowo [6]. 2.1. Charakterystyka materiału próbek do badań doświadczalnych Własności mechaniczne zastosowanego materiału próbek do badań doświadczalnych przedstawiono w tablicy 1. Dr inż. Roman BOGUCKI - Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Urządzeń Mechanicznych OBRUM sp. z o.o., Gliwice
Roman BOGUCKI Tablica 1. Własności mechaniczne próbek do badań doświadczalnych [6] Lp. Gatunek materiału 1. EN AW-6063 (AlMg0,7Si) Postać materiału Stan obróbki R m [MPa] minimum R 02 [MPa] minimum A% minimum Płyta T6 195 160 8 gdzie: T6 stan materiału (przesycony i sztucznie starzony), R m wytrzymałość na rozciąganie, R 02 umowna granica plastyczności, A - wydłużenie Stop EN AW-6063 w stanie przesyconym i sztucznie starzonym T6 stosowany jest na spawane elementy konstrukcji. Profile posiadają dużą wytrzymałość na rozciąganie, znaczną twardość przy jednocześnie dobrej plastyczności. 2.2. Parametry zgrzewania tarciowego Na podstawie doświadczeń własnych autora w zakresie badania technologii zgrzewania tarciowego FSW opracowano 7 wstępnych instrukcji zgrzewania wirnika pwps. Próby zgrzewania tarciowego doczołowego i teowego prowadzono przy następujących parametrach: - prędkość obrotowa trzpienia 500-900 min. -1 - prędkość zgrzewania 90-150 mm/min. - kąt przyporu narzędzia 0-1,5 stopnia - średnica trzpienia 6 i 8 mm - kierunek obrotów prawe - 2.3. Badania jakości złączy zgrzewanych Jakość złączy zgrzewanych doczołowo i teowo określano za pomocą badań wizualnych, badań własności mechanicznych (rozciąganie, zginanie, udarność) i badań struktury. Rys. 1. Widok zgrzanych teowo łopatek do płyty nośnej [2]
Zastosowanie technologii zgrzewania tarciowego w konstrukcji wirnika układu chłodzenia... Na rys. 1 przykładowo przedstawiono widok zgrzanych teowo łopatek do płyty nośnej wirnika przed badaniami wizualnymi. Badania wizualne procesu zgrzewania FSW prowadzono w oparciu o normę PN-EN ISO 15614-2[6]. Badania polegały na obserwacji przebiegu procesu zgrzewania oraz na oględzinach zewnętrznych zgrzanych płyt od strony lica zgrzeiny (widok od strony wprowadzenia narzędzia) i grani zgrzeiny (widok od strony przeciwnej do lica) obejmujące 100% złączy doczołowych i teowych. Badania wizualne zgrzein wykazały typowy dla procesu zgrzewania wszystkich badanych zestawów materiałów różnych grubościach ustabilizowany i prawidłowy proces tworzenia złącza FSW, bez widocznych nierówności powierzchni oraz bez widocznych braków zgrzania od strony grani. Powierzchnia zgrzeiny od strony grani była bez śladów po linii styku, jednolita, gładka i pozbawiona jakichkolwiek nieciągłości. Próby niszczące złączy doczołowych i teowych wykazały właściwą wytrzymałość poszczególnych przekrojów złącza. W badanych złączach uzyskano poprawne zgrzeiny obwodowe, bez wad powierzchniowych, o jednorodnej strukturze na całej głębokości odkształcanego plastycznie materiału. W tablicy 2 przedstawiono wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie i zginanie złączy doczołowych zgrzewanych metodą FSW, a na rys. 2 widoki próbek po teście rozciągania doczołowych złączy dla próbek o grubości 10 mm. W próbkach użytych do testu rozciągania zgrzeina umieszczona była poprzecznie, w środku geometrycznym próbki. Tablica 2. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie i zginanie złączy zgrzewanych metodą FSW [2] Oznaczenie Gatunek Grubość łopatki [mm] Wymiary próbki a x b [mm] Fm [kn] Rm [MPa] Kąt zgięcia [º] Uwagi R26 / 1 6063 3 2,9 x 25,1 12,61 167,9 Zerw. w SWC R26 / 2 6063 3 2,8 x 25,1 12,50 169,8 Zerw. w SWC GL26 / 3 6063 3 2,9 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć GL26 / 4 6063 3 2,9 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć GG26 / 5 6063 3 2,9 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć GG26 / 6 6063 3 2,9 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć R09 / 1 6063 10 10,0 x 25,0 44,66 178,6 Zerw. poza zgrzeiną R09 / 2 6063 10 10,0 x 25,1 45,34 180,6 Zerw. poza zgrzeiną GL09 / 3 6063 10 10,0 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć GL09 / 4 6063 10 10,0 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć GG09 / 5 6063 10 10,0 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć GG09 / 6 6063 10 10,0 x 24,0 180 Bez rys i pęknięć gdzie: F m siła przy zerwaniu próbki, R m wytrzymałość na rozciąganie Analiza wykazała, że przełom po próbach rozciągania dla wszystkich złączy był plastyczny, a wyniki badań charakteryzują się bardzo dużą powtarzalnością. Przedstawione na rys. 2 widoki zniszczeń próbek po statycznej próbie rozciągania są charakterystyczne dla badanego stopu [2].
Roman BOGUCKI a) b) c) Rys. 2. Fraktografia powierzchni próbek po teście rozciągania: a) - Próbka nr 09, grubość = 10 mm. Zniszczenie w materiale rodzimym b) i c) -. Próbki nr 05, grubość = 10 mm. Zniszczenie w strefie wpływu ciepła (SWC) Badania wytrzymałości w próbie zginania złączy zgrzewanych metodą FSW przeprowadzono na specjalnie przygotowanym do tego celu stanowisku 05-4210-001 w Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Urządzeń Mechanicznych OBRUM sp. z o.o. Widok tego stanowiska podczas próby zginania przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Badania jakości połączenia na stanowisku 05-4210-001. Próbka nr 44 [2]
Zastosowanie technologii zgrzewania tarciowego w konstrukcji wirnika układu chłodzenia... Próbki o grubości 10 mm, szerokości 200 mm i długości 170 mm poddane zostały próbie zginania poprzecznego i wzdłużnego od strony lica i grani zgrzeiny. Średnica trzpienia wynosiła ø40mm. Na rys. 4, 5 i 6 przedstawiono charakterystyczne widoki złączy badanego stopu. Próbki blach EN AW-6063 Rys. 4. Zgrzewana doczołowo próbka nr 12, po próbie zginania od strony lica, wycięta z płyty nr 45 [2] Rys.5. Zgrzewana doczołowo próbka nr 13, po próbie zginania od strony grani, wycięta z płyty nr 45 [2] Rys. 6. Próbka materiału rodzimego nr 11, po próbie zginania od strony lica, po wygrzaniu w piecu w temp. 300 C/2 godz., wycięta z płyty nr 253 [2] Nie stwierdzono ani jednego przypadku zerwania w zgrzeinie. Brak pęknięć oraz zmian w zgrzeinie po zakończeniu badań zginania od strony lica i grani wskazuje na dobrą jakość połączenia doczołowego, wykonanego metodą zgrzewania FSW.
Roman BOGUCKI Wydajność połączenia mierzona ilorazem wytrzymałości złącza zgrzewanego w kierunku poprzecznym do wytrzymałości materiału rodzimego dla grubości próbki 10 mm wynosiła 92%, czyli współczynnik wytrzymałości uzyskanego złącza wyniósł 0,92. Na rys. 7 przedstawiono typowe struktury zgrzein uzyskane podczas procesu zgrzewania w różnych warunkach realizacji badań. a b c d e f Rys. 7. Struktury zgrzein wykonywanych w różnych warunkach prowadzenia procesu zgrzewania. Trawione odczynnikiem Kellera [2] Parametry zgrzewania: a) 560 obr./min., posuw 180 mm/min., b) 710 obr./min., posuw 224 mm/min., c) 900 obr./min., posuw 280 mm/min., d) 1120 obr./min., posuw 355 mm/min., e) 1400 obr./min., posuw 450 mm/min., f) 1400 obr./min., posuw 710 mm/min. Przy niskich prędkościach obrotowych trzpienia (560 obr./min.) wyraźnie widoczny jest wpływ ciepła generowanego od strony wieńca, uplastyczniającego materiał wokół wirującego narzędzia. Zgrzeina przybiera kształt trapezoidalny i chociaż widoczny jest charakterystyczny kształt cebulowy jądra zgrzeiny, to jednak powierzchnia tlenkowa przebiega w poprzek zgrzeiny od powierzchni lica w kierunku grani. W niektórych złączach w próbie rozciągania zerwanie następowało wzdłuż tej linii. Przy dużych prędkościach obrotowych (1400 obr./min.) zgrzeina przybiera wyraźny kształt koncentrycznie uformowanych okręgów. Budowa strukturalna złączy teowych jest typowa jak dla zgrzein FSW i podobna do zgrzein złączy doczołowych. Kształt i wymiary jądra zgrzeiny zależą od kształtu trzpienia narzędzia i parametrów procesu zgrzewania. Na rys. 8 przedstawiono typową strukturę połączenia teowego.
Zastosowanie technologii zgrzewania tarciowego w konstrukcji wirnika układu chłodzenia... Badania własności wytrzymałościowych złączy teowych prowadzono metodą odrywania (wyłuskania) zgrzeiny, stosowaną w badaniach jakości złączy blach zgrzewanych rezystancyjnie według norm EN ISO 15614-12 i EN ISO 15609-5. Widok próbki po teście łamania przedstawiono na rys. 9. Rys. 8. Makrostruktura złącza teowego, płyta górna EN AW-6063, płyta pozioma grubość = 3,0 mm, płyta pionowa EN AW-6063, grubość = 10 mm [2] Rys. 9. Badania łamania złączy teowych, próbka nr 52, gat. EN AW-6063 [2] Wszystkie badane zestawy złączy zgrzewanych ulegały zniszczeniu przez dekohezję pasa lub jego wygięcie. Próbki z pasem o grubości 3 mm ulegały zniszczeniu przez wygięcie pasa, natomiast próbki z pasem o grubości 6 i 10 mm ulegały zniszczeniu przez wygięcie lub złamanie pasa w strefie wpływu ciepła (SWC) zgrzeiny FSW. W przypadku złączy doczołowych wykonanych na blachach aluminiowych EN AW-6063 spadek twardości wynosił około 33 HV i utrzymywał się na stałym poziomie 54 HV w jądrze zgrzeiny, materiale rodzimym (SUM) i w strefie wpływu ciepła (SWC) (patrz rys. 10).
Roman BOGUCKI Rys. 10. Wartości pomiarów twardości na przekroju złącza doczołowego zgrzewanego metodą FSW, gat. EN AW-6063, grubość = 3 mm, próbka nr 58 [2] W wyniku prób stwierdzono, że proces zgrzewania wirników może być prowadzony jako proces zgrzewania doczołowego i teowego, z odpowiednio przygotowanym obszarem zgrzewania na sztywnym, specjalnie przygotowanym oprzyrządowaniu gwarantującym unieruchomienie i podparcie zgrzewanych elementów na całym obwodzie zgrzewania. W OBRUM sp. z o.o. opracowano i wykonano w metalu oprzyrządowanie do mocowania zgrzewanych elementów wirnika metodą FSW. W badaniach wstępnych dobrano taki zbiór parametrów, dla których proces formułowania złącza będzie przebiegał poprawnie. Tarczę nośną wirnika wykonano ze zgrzewanych metodą FSW 6 wyciskanych płaskowników o grubości 10 mm i szerokości 100 mm. Widok procesu zgrzewania FSW na stanowisku do zgrzewania, zgrzanej tarczy po zgrzewaniu FSW i po obróbce mechanicznej przedstawiono na rysunkach 11, 12 i 13. Rys. 11. Widok zgrzewania metodą FSW płyty nośnej o grubości 8 mm [5]
Zastosowanie technologii zgrzewania tarciowego w konstrukcji wirnika układu chłodzenia... Rys. 12. Widok zgrzanej płyty nośnej wirnika metodą FSW o grubości 8 mm [5] Rys. 13. Widok płyty nośnej po obróbce skrawaniem o grubości 8 mm [5] Po zamknięciu obwodu zgrzewania narzędzie było wycofywane z obszaru zgrzewania, pozostawiając charakterystyczny dla procesu FSW otwór technologiczny. Przyjęto, że na wykonanych wzorcowych elementach otwór technologiczny zostanie zamknięty poza obwodem zgrzewania w materiale płyty. Na rys.14 przedstawiono prototypowy wirnik zgrzewany metodą FSW i dotychczas stosowany w układzie chłodzenia pojazdu gąsienicowego, nitowany.
Roman BOGUCKI a) zgrzewany metodą FSW b) nitowany Rys. 14. Wirnik promieniowy układu chłodzenia W układzie chłodzenia pojazdów gąsienicowych pracują dwa wentylatory. Przeprowadzone badanie masy wirnika wykonanego metodą zgrzewania tarciowego i nitowanego wykazały, że masa wirnika zgrzewanego wynosiła 7,90 kg a wirnika nitowanego 18,20 kg. Powoduje to znaczne obniżenie mocy traconej w napędzie wentylatorów układu chłodzenia, zwłaszcza podczas ich rozruchu [7]. 3. WNIOSKI W wyniku przeprowadzonych prób i badań określono najbardziej korzystne warunki zgrzewania tarciowego metodą FSW elementów wirnika promieniowego. Uzyskane zgrzeiny FSW posiadają zwartą, ciągłą strukturę w całym obszarze zgrzewania, pozbawioną wad powierzchniowych i nieciągłości. W oparciu o próby zgrzewania doczołowego i teowego formułuje się następujące wnioski: - metoda FSW nadaje się do łączenia elementów wirnika wykonanego ze stopu EN AW-6063 w stanie obróbki T6, - proces zgrzewania prowadzony w odpowiednich warunkach gwarantuje uzyskanie złączy o wysokiej i powtarzalnej jakości, - właściwą jakość zgrzewania zapewniają, konstrukcja i parametry ruchu narzędzia mieszającego, sztywne mocowanie zgrzewanych elementów w przyrządzie, - uzyskano potwierdzenie, że proces zgrzewania można prowadzić na adaptowanych do tego celu frezarkach sterowanych numerycznie, - ciężar wirnika wykonanego z zastosowaniem zgrzewania tarciowego obniżono o około 67%.
Zastosowanie technologii zgrzewania tarciowego w konstrukcji wirnika układu chłodzenia... 4. LITERATURA [1] DZIUBA J.: Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej i wykonanie wentylatorów układu chłodzenia do lekkiego czołgu na bazie wielozadaniowej platformy, umowa 4/NB/2010, Wirpol sp. z o.o., Gliwice, 2010. [2] BOGUCKI R.: Opracowanie warunków zgrzewania tarciowego nowoczesną metodą FSW blach z wysokowytrzymałych stopów aluminium serii 6000 do systemów bezpieczeństwa, praca badawcza O R00 009 02, OBRUM sp. z o.o., Gliwice, 2008. [3] BOGUCKI R.: Wentylatorowy układ chłodzenia pojazdów specjalnego przeznaczenia. Badania rozwojowe zgrzewania tarciowego elementów wirnika, praca badawcza, sprawozdanie nr 1/RR/2011, OBRUM sp. z o.o., Gliwice, 2011. [4] BOGUCKI R.: Przeżywalność pojazdów lądowych. Wyrzutnie granatów dymnych do wieży HITFIST-30mm zgrzewane metodą FSW. Opracowanie wstępnej instrukcji technologicznej zgrzewania metodą FSW modelu wyrzutni granatów dymnych, praca badawcza, sprawozdanie nr 1/TP/2009, OBRUM sp. z o.o., Gliwice, 2009. [5] COLLIGAN K.J.: GOVER J., VAZE S.P., XU J., RITTER R., PICKNES J.R.: Friction Stir Welding of Trick Section Aluminium Alloys, Concurrent Technologies Corporation, 100 CTC Drive, Johnstown, PA 15904-1935 USA. [6] Norma PN-EN 755-2:2001: Aluminium i stopy aluminium. Pręty rury i kształtowniki wyciskane. Własności mechaniczne. [7] MĘŻYK A.: Czołg lekki na bazie wielozadaniowej platformy bojowej, nr projektu O R00 0030 05, OBRUM sp. z o.o., Gliwice, 2010.
Roman BOGUCKI USING FRICTION WELDING TECHNOLOGY IN THE ROTOR DESIGN OF TRACKED VEHICLE S COOLING SYSTEM Abstract: The results of quality testing of FSW joints of radial impeller of cooling system has been presented. The test results acc. to PN-EN ISO 15614-2 showed good weldability of aluminium alloys by FSW method. Key Words: friction stir welding method, radial impeller.