KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 27 nr 1 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2007 ADAM PIETRAS, BEATA RAMS, ALEKSANDRA WĘGLOWSKA ZGRZEWANIE TARCIOWE METODĄ FSW STOPÓW ALUMNIUM SERII 6000 W artykule przedstawiono wyniki badań jakości zgrzewania nową metodą, polegającą na zgrzewaniu tarciowym z mieszaniem materiału zgrzeiny stopów aluminium serii 6000. Złącza wykonywano na zgrzewarce zbudowanej z wykorzystaniem konwencjonalnej frezarki. Jakość złączy oceniono na podstawie badań wizualnych, wytrzymałościowych i zmęczeniowych oraz na podstawie analizy budowy strukturalnej zgrzein i badania twardości. Celem badań było poznanie wpływu warunków zgrzewania na wytrzymałość doraźną i zmęczeniową złączy oraz na budowę strukturalną zgrzein. Sprawdzono również wpływ szczeliny między zgrzewanymi płytami na jakość zgrzewania. Wyniki badań wskazują na dobrą zgrzewalność stopów aluminium serii 6000 metodą FSW poprawne złącza można uzyskać w szerokim zakresie parametrów zgrzewania, a wytrzymałość tych złączy jest zadowalająca. W celu uzyskania złączy o najwyższej jakości elementy muszą być dociśnięte do siebie, a proces zgrzewania nie może być prowadzony z nadmierną prędkością. Słowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe, zgrzewanie FSW, stopy aluminium 1. WPROWADZENIE Zgrzewanie metodą FSW (zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny) jest coraz bardziej znaną na świecie metodą łączenia różnorodnych materiałów. Na rysunku 1 przedstawiono zasadę zgrzewania oraz stanowisko zbudowane w Instytucie Spawalnictwa. Ze względu na wysoki koszt materiału na narzędzia mieszające materiał zgrzeiny zastosowanie tej metody do łączenia stali, tytanu i innych materiałów o wysokiej temperaturze uplastycznienia ciągle pozostaje w sferze prób laboratoryjnych. W przypadku stopów aluminium narzędzie można wykonać ze stali narzędziowej szybkotnącej. Możliwości tej metody są bardzo obiecujące i pozwalają na stosowanie jej do wydajnego łączenia nawet niespawalnych stopów aluminium w dowolnej konfiguracji [6]. Dr inż. Mgr inż. Zakład Technologii Zgrzewania Instytutu Spawalnictwa.
94 V n A. Pietras, B. Rams, A. Węglowska V zg Strona natarcia Strona spływu Rys. 1. Schemat zgrzewania metodą FSW i stanowisko do zgrzewania Fig. 1. Pictorial diagram of the FSW process and the test stand Przedstawione badania stanowią cześć badań związanych z oceną wpływu warunków zgrzewania prowadzonego z wykorzystaniem konwencjonalnych frezarek na jakość złączy [4, 5]. Przytoczono wyniki zgrzewania powszechnie stosowanych stopów aluminium serii 6000, których głównymi składnikami są: magnez, krzem i mangan. Dodatek tych pierwiastków wpływa na poprawę właściwości wytrzymałościowych oraz odporności na korozję. Natomiast występujące w tych stopach miedź i żelazo, poprawiając właściwości wytrzymałościowe, powodują zarazem zmniejszenie odporności na korozję. Materiały te można łączyć innymi metodami spawalniczymi, np. za pomocą spawania łukowego, lecz wysoka jakość złączy uzyskiwanych metodą FSW i jej wydajność skłaniają do stosowania tej metody w najbardziej odpowiedzialnych konstrukcjach. 2. BADANIA WARUNKÓW ZGRZEWANIA METODĄ FSW 2.1. Stanowisko badawcze i materiał do badań Badania zgrzewania prowadzono na zgrzewarkach tarciowych zbudowanych z wykorzystaniem konwencjonalnych frezarek. W Instytucie Spawalnictwa była to frezarka FYF 32JU2. Podczas badań zastosowano dwa rodzaje narzędzi: narzędzie konwencjonalne wyposażone w trzpień w postaci nagwintowanego wałka oraz tzw. narzędzie Triflute z trzpieniem mającym dodatkowe wycięcia poprawiające przemieszczanie uplastycznionego materiału. Narzędzia wykonano ze stali szybkotnącej wolframowo-molibdenowej (SW7M). Do badań jakości zgrzewania wybrano stopy serii 6000 najczęściej stosowane w różnorodnych konstrukcjach: 6005, 6063, 6082 o grubości 6 i 10 mm. Płyty do badań dociskano do siebie, unieruchamiano za pomocą specjalnych uchwy-
Zgrzewanie tarciowe metodą FSW stopów aluminium serii 6000 95 tów na zgrzewarce i zgrzewano doczołowo bez oczyszczania powierzchni styku. Serię próbek zgrzewanych z parametrami nr 5 (tabl. 1) wykonano w warunkach gwarantujących powstanie prawidłowej i odpowiednio wytrzymałej zgrzeiny, lecz w obszarze styku płyt pozostawiono szczelinę szerokości 1,8 mm. Badania miały na celu poznanie wpływu warunków zgrzewania prowadzonego z użyciem konwencjonalnych frezarek na wytrzymałość doraźną i zmęczeniową złącza oraz na budowę strukturalną zgrzeiny. W celu określenia wpływu niedokładnego przygotowania obszaru zgrzewania na jakość powstałej zgrzeiny wykonano próby zgrzewania z pozostawieniem szczeliny w styku płyt. 2.2. Nieniszczące badania złączy Wykonane złącza poddano rutynowym badaniom nieniszczącym: wizualnym oraz radiograficznym. Przebieg zgrzewania wszystkich badanych zestawów materiałów był podobny ustabilizowane, prawidłowe tworzenie złącza FSW, bez widocznych nierówności powierzchni oraz bez klejenia się materiału do narzędzia. Jak wynikało z badań, wszystkie złącza miały poprawną budowę lica zgrzeiny, z nieznacznym odciskiem od wieńca opory, bez widocznych nieciągłości i odkształceń. Od strony grani brak było śladów na linii styku. Powierzchnia była ciągła, gładka i pozbawiona jakichkolwiek nieciągłości. Nawet złącza wykonane ze specjalnie przygotowaną szczeliną między płytami nie wykazywały żadnych wad oraz nieciągłości struktury, które byłyby widoczne od strony lica czy grani. Badania radiograficzne wykonane na urządzeniu Seifert Eresco 200HF nie wykazały żadnych wad i nieciągłości w prawidłowo wykonanych zgrzeinach, bez względu na stosowane parametry procesu zgrzewania. Wszystkie złącza cechowały się pełną ciągłością metaliczną wzdłuż linii zgrzeiny. Radiogramy złączy serii nr 5, wykonanych ze szczeliną, wykazały występowanie pustek i nieciągłości w formie półkolistych szczelin wzdłuż badanych zgrzein (rys. 2). Takie nieciągłości jak na rys. 2 obserwowano na radiogramach wszystkich złączy wykonanych ze szczeliną pomiędzy płytami. Rys. 2. Radiografia złącza ze szczeliną pomiędzy płytami; parametry zgrzewania nr 5, tablica 1 Fig. 2. Radiogram of the joint with gap between plates. Welding parameters: no 5, Table 1
96 A. Pietras, B. Rams, A. Węglowska 2.3. Wytrzymałość złączy zgrzewanych Badania wytrzymałości złączy w próbie rozciągania wykonano zgodnie z normą [3]. Z płyty próbnej, z obszaru zgrzewania wycięto próbki o szerokości 25 mm i na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 4210 rozciągano złącza aż do zerwania. Wyniki badań w próbie rozciągania złączy wykonanych w różnych warunkach zgrzewania zestawiono w tablicy 1. Wyniki badań wytrzymałości złączy FSW w próbach rozciągania Results of the tensile tests of FSW joints Tablica 1 Stop Al Grubość płyty [mm] Parametry zgrzewania V n V z Nr parametru Wytrzymałość Rm 1) [MPa] Uwagi [obr/min] [mm/min] 1 6082 6 1000 800 240,7 zniszczenie po stronie natarcia (1 próbka po stronie spływu) 2 6082 6 1000 800 245,6 zniszczenie po stronie spływu (1 próbka po stronie natarcia) 3 6082 6 1000 800 245,6 zniszczenie po stronie natarcia 4 6082 6 1000 800 232,4 zniszczenie po stronie spływu 5 6082 6 1000 800 197,6 zniszczenie w zgrzeinie 6 6063 10 560 180 130,1 zniszczenie w zgrzeinie 7 6063 10 710 224 135,5 zniszczenie w zgrzeinie 8 6063 10 900 280 151,2 zniszczenie po stronie natarcia 9 6063 10 1120 355` 153,1 zniszczenie po stronie natarcia 10 6063 10 1400 450 155,1 zniszczenie po stronie natarcia 11 6063 10 1400 710 105,0 zniszczenie w zgrzeinie 12 6005 10 710 224 209,1 zniszczenie po stronie spływu 13 6005 10 900 280 214,5 zniszczenie po stronie spływu 14 6005 10 1400 450 216,1 zniszczenie po stronie spływu 1) Średnia z 5 prób. Zgrzewane próbki wykonywano w następujących warunkach (tabl. 1): parametr nr 1 narzędzie Triflute, długość trzpienia 5,8 mm, nr 2 narzędzie konwencjonalne, długość trzpienia 5,8 mm, nr 3 narzędzie Triflute ze zwiększoną siłą docisku wieńca opory, nr 4 narzędzie zużyte, długość trzpienia 5,2 mm, nr 5 narzędzie Triflute ze szczeliną między płytami 1,8 mm, nr. od 6 do 14 narzędzie konwencjonalne, długość trzpienia 9,7 mm.
Zgrzewanie tarciowe metodą FSW stopów aluminium serii 6000 97 Złącza wykonane z płyt grubości 6 mm poddano próbom zginania. Trzpień w próbach zginania miał średnicę 25 mm. Próby zginania wykazały, że wszystkie badane złącza ulegały zgięciu bez pęknięcia, naderwań i jakiegokolwiek uszkodzenia. Kąt gięcia od strony lica i od strony grani wynosił 120. W wybranych warunkach zgrzewania przygotowano złącza do badań zmęczeniowych. Zbadano wytrzymałość zmęczeniową złączy wykonanych w warunkach zapewniających wysokie właściwości wytrzymałościowe w próbie rozciągania (parametry zgrzewania nr 1, tabl. 1) oraz zbadano wytrzymałość zmęczeniową złączy wykonanych przy tych samych parametrach zgrzewania, lecz ze specjalnie przygotowaną szczeliną pomiędzy zgrzewanymi płytami (parametry zgrzewania nr 5, tabl. 1). Trwałość zmęczeniową badano na maszynie Instron 8502 w temperaturze otoczenia, przy kontrolowanej wartości siły, stałej wartości współczynnika asymetrii cyklu R = 0,2 i częstotliwości obciążenia f = 10 Hz. Próby prowadzono do trwałego rozdzielenia próbki w obszarze części pomiarowej. Rejestrowano wartości siły, przemieszczenie oraz odkształcenie. W tablicy 2 zamieszczono wybrane wyniki badań i zdjęcia wybranych, charakterystycznych przełomów. W analizie regresji uwzględniano wszystkie wyniki z trzech poziomów naprężeń (110, 130 i 150 MPa seria nr 1 oraz 130, 146 i 159 MPa seria nr 5). Na podstawie parametrów linii regresji obliczono wartość granicy zmęczenia jako wartość maksymalnego naprężenia w cyklu, dla którego trwałość osiągnie wartość 2 000 000 cykli. Wybrane wyniki badań zmęczeniowych złączy zgrzewanych FSW Results of the fatigue tests of selected FSW joints Tablica 2 Nr próbki Postać uszkodzenia Nr próbki Postać uszkodzenia 1.2 Naprężenie S [MPa]: 110,16 Trwałość: 693 807 1.6 Naprężenie S [MPa]: 150,28 Trwałość: 120 742 5.2 Naprężenie S [MPa]: 146,68 Trwałość: 290 503 5.7 Naprężenie S [MPa]: 134,52 Trwałość: 57 727 W przypadku serii nr 1 wartość granicy zmęczenia Z 1R=0,2 = 92,4 MPa. Według zaleceń MIS u badane złącza charakteryzują się dobrą wytrzymałością
98 A. Pietras, B. Rams, A. Węglowska zmęczeniową [1]. Dwie próbki poddano próbie sprawdzającej trwałość zmęczeniową przy obliczonym naprężeniu nominalnym Z 1R=0,2. Badania przerwano po osiągnięciu przez próbki trwałości ponad 2 100 000 cykli. W przypadku serii nr 5 z uzyskanych rezultatów nie można było wyznaczyć wartości granicy zmęczenia Z 5R=0,2. Z wybranych wyników obliczono Z 5R=0,2 = = 130,0 MPa. Testy na dwóch próbkach sprawdzających wykazały, że próbki te ulegały zniszczeniu przy stosunkowo niewielkiej liczbie cykli (749 677 cykli pierwsza próbka i 727 074 cykle druga próbka). 2.4. Budowa strukturalna zgrzein Badano budowę strukturalną zgrzein złączy wykonywanych w różnych warunkach zgrzewania. W zależności od prędkości zgrzewania widoczny jest wpływ oddziaływania wieńca opory i trzpienia narzędzia na nagrzewanie materiału i formowanie zgrzeiny. Na rysunku 3 zestawiono struktury zgrzein wykonywanych w różnych warunkach zgrzewania. Przy małych prędkościach obrotowych (560 obr /min) a b c d e f Rys. 3. Struktura zgrzein wykonywanych w różnych warunkach zgrzewania; traw. Keller, parametry zgrzewania według tablicy 1: a) nr 6, b) nr 7, c) nr 8, d) nr 9, e) nr 10, f) nr 11 Fig. 3. The structure of the welds made with different welding conditions. Etching Keller. The welding parameters: Table 1 a) no 6, b) no 7, c) no 8, d) no 9, e) no 10, f) no 11
Zgrzewanie tarciowe metodą FSW stopów aluminium serii 6000 99 wyraźnie jest widoczny wpływ ciepła powstającego od strony wieńca i uplastyczniającego materiał wokół wirującego narzędzia. Zgrzeina przybiera kształt trapezoidalny i chociaż widoczny jest charakterystyczny kształt cebulowy jądra zgrzeiny, to jednak linia tlenkowa przebiega w poprzek zgrzeiny od powierzchni lica w kierunku grani. W niektórych złączach w próbie rozciągania zniszczenie następowało wzdłuż tej linii. Przy dużych prędkościach obrotowych (1400 obr/min) zgrzeina przybiera wyraźny kształt koncentrycznie uformowanych okręgów. Oddziaływanie wieńca opory jest minimalne, a trzpień narzędzia wywiera decydujący wpływ na budowę zgrzeiny. Pomiar twardości złączy wykazał jej przebieg typowy dla złączy stopów 6000 wzrost twardości w centralnych obszarach zgrzeiny (jądra) i zmniejszoną twardość w SWC. Typowy profil twardości złącza przedstawiono na rys. 4. Zgrzeiny wykonywane w niekorzystnych warunkach ze szczeliną między zgrzewanymi płytami miały wady w postaci pustek i nieciągłości, ulokowane głównie w obszarze grani zgrzeiny i tuż pod powierzchnią lica (rys. 5). Twardość HV1 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 Numer pomiaru Linia A Linia B Linia C Linia D Linia E Rys. 4. Typowa twardość zgrzeiny FSW, stop 6082 Fig. 4. Typical hardness profile of the FSW weld. Aluminium alloy 6082 a) b) Rys. 5. Fragment struktury zgrzeiny wykonanej ze szczeliną między płytami; parametry zgrzewania nr 5 w tablicy 1: a) przekrój podłużny, b) przekrój poprzeczny w obszarze pustki; traw. Keller Fig. 5. The fragment of the weld structure made with the gap between the plates. The welding parameters: Table 1 no 5. a) longitudinal section, b) cross section. Etching Keller
100 A. Pietras, B. Rams, A. Węglowska 3. PODSUMOWANIE Badania zgrzewania wykonanego w różnych warunkach wykazały, że odpowiednią jakość złączy pod względem wytrzymałości i budowy strukturalnej zgrzeiny można uzyskać przy stosunkowo dużym zakresie parametrów procesu. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej zmienia się jednak budowa zgrzeiny. Przy małych prędkościach obrotowych na proces nagrzewania i uplastyczniania materiału w obszarze zgrzewania wywiera wpływ wieniec opory. Zgrzeina przybiera postać trapezoidalną, a w jej strukturze da się zauważyć linię tlenkową, wzdłuż której złącze może ulec zniszczeniu. Gdy proces jest prowadzony z dużą prędkością obrotową, zgrzeina ma bardziej regularny kształt z charakterystyczną cebulową budową jądra. Tlenki z powierzchni płyt są równomiernie rozmieszczone w obszarze zgrzeiny. Rola trzpienia narzędzia w procesie tworzenia zgrzeiny jest w tym przypadku dominująca. Zniszczenie złącza o takiej budowie przebiega najczęściej w obszarze styku strefy wpływu ciepła i strefy odkształcenia termomechanicznego materiału. Przy bardzo dużych prędkościach obrotowych i prędkościach zgrzewania pojawiają się w strukturze zgrzeiny wady w postaci pustek i nieciągłości, usytuowane w obszarze lica zgrzeiny po stronie natarcia. Wady te pogarszają jakość zgrzeiny i właściwości wytrzymałościowe całego złącza. Pomiar twardości złączy wykazał typowy przebieg dla złączy stopów 6000 wzrost twardości w centralnych obszarach zgrzeiny (jądra) i zmniejszenie w SWC. Od strony lica zgrzeiny twardość jest nieznacznie większa niż od strony grani. Uwidacznia się w ten sposób wpływ wieńca opory, oddziałujący na zgrzeinę od strony lica. Badania zmęczeniowe złączy wykonanych w korzystnych warunkach procesu wykazały, że złącza zgrzewane metodą FSW charakteryzują się dobrą wytrzymałością zmęczeniową, większą od wytrzymałości złączy spawanych łukowo [2]. Jest to tym bardziej istotne, że próbki do badań wycinano ze złączy bez jakiejkolwiek obróbki lica zgrzeiny. Duży wpływ na wytrzymałość zmęczeniową mają natomiast wady budowy strukturalnej zgrzein jak w przypadku złączy wykonywanych ze szczeliną pomiędzy blachami. Przypadkowość usytuowania tych wad oraz ich duża ilość i wielkość mogą poważnie ograniczyć przydatność takich złączy na odpowiedzialne konstrukcje. Jak wynika z badań, stopy aluminium serii 6000 są dobrze zgrzewalne metodą FSW przy stosunkowo dużym zakresie parametrów zgrzewania. Odpowiednią jakość złączy można uzyskać, zachowując podstawowe warunki poprawnego zgrzewania.
Zgrzewanie tarciowe metodą FSW stopów aluminium serii 6000 101 4. WNIOSKI W stosunkowo szerokim zakresie parametrów zgrzewania płyt ze stopów aluminium serii 6000 można uzyskać zgrzeiny o poprawnej budowie strukturalnej i wysokiej wytrzymałości. Wraz ze zmianą prędkości zgrzewania zmienia się budowa strukturalna zgrzein. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej w centralnych obszarach zgrzeiny pojawia się coraz bardziej widoczna, charakterystyczna cebulowa struktura, zwana jądrem zgrzeiny. Wzrost prędkości obrotowej narzędzia powoduje spadek oddziaływania wieńca narzędzia na proces nagrzewania i odkształcania materiału zgrzeiny. Zbyt duża prędkość zgrzewania powoduje powstawanie nieciągłości struktury w obszarze lica zgrzeiny, co zmniejsza wytrzymałość złącza. Zbyt duża szczelina pomiędzy zgrzewanymi płytami powoduje powstawanie nieciągłości struktury w obszarze grani zgrzeiny, co zmniejsza wytrzymałość złącza. LITERATURA [1] Hobbacher A., Recommendations for fatigue design of welded joints and components. IIW document XIII-1965-03/XV-1127-03, Update, July 2003. [2] Kristensen J. K., Pietras A. i in., Properties of Friction Stir Welded Joints in the Aluminium Alloys 2024, 5083, 6082, 6060 and 7075, in: 5 th International Friction Stir Welding Symposium, Metz 2004. [3] PN-EN ISO 14273:2005 Wymiary próbki i procedura badania na ścinanie złączy zgrzewanych rezystancyjnie punktowo, liniowo i garbowo. [4] Projekt międzynarodowy EuroStir Σ!2430 European Industrialisation of Friction Stir Welding, 2000-2005. [5] Projekt międzynarodowy Lostir COOP-CT-2004-508587 Development of a low cost processing unit for friction stir welding, 2004-2006. [6] Thomas W. M., Friction stir butt welding, GB patent 9125978, 6.12.1991, International patent application PCT/GB92/02203. Praca wpłynęła do Redakcji:28.03.2007 Recenzent: prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki FSW OF ALUMINIUM ALLOYS SERIES 6000 S u m m a r y The results of the quality investigations of joints made of aluminium alloys of the 6000 series, welded with the use of the Friction Stir Welding (FSW) are presented in this paper. Joints were made on the welding machine, built on the base of the conventional milling machine. The quality assessment of joints were carried out on the basis of the visual inspection, tensile and fatigue tests,
102 A. Pietras, B. Rams, A. Węglowska structural examination of the welds and of the hardness measurements. The purpose of the research was to get to know the influence of the welding conditions of the FSW process, realized on the conventional milling machine, on the tensile strength, the fatigue strength and on the structure of welds. The influence of the gap, placed between two welded plates, on the quality of joints was verified. Investigation results indicate that tested alloys are weldable with the FSW method. It is possible to make the correct joints in the wide range of the welding parameters. The strength of these joints is also satisfactory. In order to obtain the joints of a very high strength, welded elements have to be press against and welded with the right linear velocity. Key words: friction welding, FSW, aluminium alloys