Zebranie Komisji Metalurgiczno Odlewniczej Polskiej Akademii Nauk 1 grudnia 2010 r. Temat referatu: Zastosowanie metody Friction Stir Welding do spajania elementów odlewanych z przerobionymi plastycznie Prelegent: Dr inż. Krzysztof Mroczka Zakład Technologii i Inżynierii Materiałów, Instytut Techniki Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, kmroczka@up.krakow.pl Streszczenie Osiągnięcia inżynierii materiałowej w zakresie materiałów konstrukcyjnych pozwalają na wytwarzanie materiałów spełniających różnorodne wymagania stawiane im przez projektantów i konstruktorów. Złożoność projektowanych konstrukcji, zarówno geometryczna, jak i pod względem różnych cech wytrzymałościowych i fizykochemicznych jakie niejednokrotnie muszą spełniać poszczególne jej elementy, powoduje koniczność ich łączenia (spajania). W przypadku materiałów metalicznych uzyskanie wspomnianych cech jest efektem wielu działań: doboru składu chemicznego, zastosowania odpowiedniej technologii wytwarzania oraz niejednokrotnie dalszej obróbki, np. cieplnej, chemicznej, plastycznej. W wyniku tych procesów uzyskuje się wysublimowaną mikrostrukturę, która determinuje właściwości wytworzonego materiału. Istotny problem pojawia się jednak, gdy materiał trzeba trwale połączyć z innymi elementami konstrukcji lub częściami urządzenia. W przypadku materiałów metalicznych, których temperatury uplastycznienia i topnienia są relatywnie niskie (możliwe do łatwego osiągnięcia) powszechnie stosowane są technologie spawania, zgrzewania i lutowania. Do częściej stosowanych zaliczane jest spawanie, gdyż umożliwia uzyskanie połączenia charakteryzującego się ciągłością metalurgiczną na całej długości i przekroju poprzecznym złącza, w którym spoina w niewielkim stopniu różni się składem chemicznym i właściwościami od materiału spawanego. Procesy spawalnicze są jednak procesami wysokotemperaturowymi, gdyż istotą ich jest stopienie pewnej ilości materiału, tak aby w wyniku krystalizacji utworzyć złącze. Istotnymi wadami tego procesu są: wytworzenie strefy wpływu ciepła SWC (o znacznie zmienionej mikrostrukturze w stosunku do materiału rodzimego) oraz konieczność stosowania gazów osłonowych lub innych zabiegów chroniących ciekłe jeziorko spawalnicze (spawanie łukiem krytym lub elektrożużlowe). Niestety w przypadku niektórych materiałów zmiany w mikrostrukturze w SWC są na tyle duże lub nawet występują tam wady (typu pęknięcia), że materiały te nie mogą być łączone tą metodą spajania. Dotyczy to wielu stopów lekkich w tym, m.in. stopów aluminium o dużej wytrzymałości serii 2xxxx i 7xxxx, które z racji swoich właściwości (mała gęstość, duża wytrzymałość) mogłyby być stosowane w wielu rozwiązaniach konstrukcyjnych. Odpowiedzią na te i inne problemy spajania materiałów niespawalnych lub trudno spawalnych, jak również spajania materiałów różniących się znacznie pod względem składu chemicznego, właściwości oraz mikrostruktury (tzw. złącza różnoimienne), jest technologia Friction Stir Welding. Friction Stir Welding zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny zostało opracowane w The Welding Institute, Cambridge UK, w 1991 roku przez Wayne Thomas. W założeniu technologia została opracowana do zgrzewania niespawalnych i trudno-
spawalnych stopów aluminium. Obecnie FSW umożliwia wykonywanie połączeń również innych metali i stopów (m.in. magnezu, miedzi, tytanu oraz stali). Z zastosowaniem tej technologii można także spajać materiały o różnym składzie chemicznym, różnych właściwościach i różnej mikrostrukturze, np. stopy aluminium serii 2000 z 7000 lub 6000, aluminium z miedzią lub stalą. Schemat konwencjonalnego zgrzewania FSW (złącze doczołowe) pokazano na rysunku 1. Proces zgrzewania wykonywany jest przez narzędzie FSW, które wykonując ruch obrotowy przesuwa się jednocześnie wzdłuż linii zgrzewania. Narzędzie składa się z dwóch, istotnych dla procesu zgrzewania, części: wieńca oporowego (opory) oraz trzpienia. Kształt powierzchni wieńca opory oraz trzpienia może być różny i dobierany zależnie od zgrzewanych materiałów. Rys. 1. Schemat procesu FSW (zgrzewanie doczołowe) Podstawowe parametry zgrzewania FSW to: prędkość obrotowa narzędzia (podawana w obr/min), prędkość liniowa (podawana w mm/min), kąt pochylenia narzędzia (w o ). Oddziaływanie obracającego się trzpienia w materiale w pobliżu zgrzewanych krawędzi, powoduje: wzrost temperatury, wzrost naprężeń w materiale, płynięcie materiału w kierunku przeciwnym do ruchu narzędzia, wymieszanie i konsolidację, rozbicie i rozdrobnienie warstwy tlenków pokrywających łączone powierzchnie, równomierne rozprowadzenie rozdrobnionych tlenków w objętości zgrzeiny, ochronę przed utlenianiem zgrzeiny podczas procesu zgrzewania. Makrostruktura złącza doczołowego składa się z następujących obszarów (rysunek 2): strefy wpływu ciepła, strefy termomechanicznego uplastycznienia, w której w środkowej części znajduje się, tzw. jądro zgrzeiny. Rys.2. Typowa struktura złącza FSW wykonanego konwencjonalną metodą JZ jądro zgrzeiny, SUTM strefa uplastycznienia termomechanicznego, SWC strefa wpływu ciepła, MR materiał rodzimy Technologia FSW umożliwia wykonywanie, oprócz złącz doczołowych, również złącza zakładkowe i T-owe rysunek 3.
Rys. 3. Typy złącz możliwych do wykonania metodą FSW, 1 doczołowe, 2 na zakładkę, 3 T W poszukiwaniu lepszych rezultatów zgrzewania oraz możliwości zgrzewania różnych materiałów, np. o profilu zamkniętym, opracowano szereg modyfikacji narzędzia oraz jego ruchu. Do najistotniejszych, zalicza się narzędzie typu Bobin-tool narzędzie posiadające dwa wieńce opory (drugi zamyka złącze od grani (spodu)), co umożliwia zgrzewanie profili zamkniętych. Inną modyfikacją jest wprowadzenie dodatkowej osi obrotu trzpienia narzędzia, odchylonej od głównej osi obrotu (pionowej) o pewien kąt, co powoduje wykonywanie przez całe narzędzie dodatkowego ruchu obrotowego. Zgrzewanie stopu 2017A (blacha). Stop 2017A to stop aluminium o dużej wytrzymałości i składzie chemicznym 3.9% Cu, 0.6% Mn, 0.6% Mg, 0.4% Si, który był w stanie T6, grubości 6 mm. Zgrzewanie wykonano narzędziem FSW: trzpień walcowy z gwintem, wieniec opory z powierzchnią o spiralnym kształcie. Typ złącza: doczołowe, jeden ścieg (jednostronne zgrzewanie). Parametry procesu: prędkość obrotowa 355 i 900 obr/min, prędkość linowa 280 mm/min. W złączu zaobserwowano bardzo zróżnicowaną mikrostrukturę w tym wyraźną granicę miedzy materiałem po rekrystalizacji i jedynie odkształconym plastycznie, po stronie natarcia złącza (rysunek 4). Rys. 4. Strona natarcia złącza FSW stopu 2017A, prawa strona obraz w kontraście Nomarskiego Mikrostruktura złącza jest szczególnie zróżnicowana w dolnej jego części (przy grani), gdyż w tym obszarze materiał płynie w wielu kierunkach przy różnym stopniu odkształcenia na co wskazuje różna wielkość ziarna na rysunku 5 (po prawej stronie) pokazano wielokierunkowe pasma złożone z bardziej rozdrobnionej mikrostruktury niż w sąsiedztwie; po lewej stronie mikro-wada wynikająca z niewystarczającego uplastycznienia materiału w tym miejscu złącza i w konsekwencji brak zgrzania. Mimo prawidłowej makrostruktury złącza w wielu przypadkach obserwuje się drobne wady. Ich wyeliminowanie wymaga
zmiany parametrów zgrzewania, narzędzia FSW lub wykonania ponownego przejścia narzędzia od strony grani. Rys. 5. Strona natarcia w okolicy grani zgrzeiny; prawa strona mikro-wada Rys. 6. Mikrostruktura złącza wykonanego przy dużej prędkości obrotowej narzędzia (900 obr/min, 280 mm/min) po statycznej próbie rozciągania; prawa strona - mikrostruktura SEM Dobór parametrów zgrzewania jest bardzo istotny dla jakości złącza. Mimo dobrej jakości zgrzeiny, ocenionej makroskopowo i mikroskopowo, złącze może wykazywać mniejszą wytrzymałość od możliwej do uzyskania. Na rysunku 6 pokazano mikrostrukturę złącza wykonanego przy dużej prędkości obrotowej trzpienia w stosunku do prędkości liniowej (900 obr/min, 280 mm/min) po statycznej próbie rozciągania widoczne są powierzchnie płynięcia (oznaczone strzałkami na mikrostrukturze SEM (obraz z mikroskopu elektronowego skaningowego)) oraz pęknięcia po prawdopodobnych granicach ziaren. Na kolejnym rysunkach 7 i 8 pokazano wyniki pomiarów twardości mierzonej na przekroju poprzecznym złącza stopu 2017A wykonanego przy parametrach zgrzewania 355 obr/min i 280 mm/min. Analiza uzyskanych wyników pozawala stwierdzić, że zachodzi umacnianie się złącza w wyniku starzenia naturalnego i sztucznego rysunek 7 (złącze wykonane z intensywnym chłodzeniem lica zgrzeiny). Wskazuje to na możliwy metastabilny stan mikrostruktury złącza FSW bezpośrednio po zgrzewaniu. Taki stan jest możliwy również, gdy złącze jest wykonywane bez intensywnego chłodzenia rysunek 8 pokazuje średnie wartości mikrotwardości obliczone na podstawie profili dla stanów: po zgrzewaniu oraz po starzeniu naturalnym i sztucznym. Umacnianie się materiału jest efektem tworzenia się wydzieleń umacniających w mikrostrukturze, które pokazano na rysunku 9 strzałkami oznaczono złożone struktury dyslokacyjne, na których tworzą się wydzielenia.
Rys. 7. Rozkład mikrotwardości na przekroju poprzecznym złącza 355/280 L z intensywnym chłodzeniem lica Rys. 8. Średnie wartości mikrotwardości złącza 355/280 w stanie: po zgrzewaniu oraz starzeniu naturalnym i sztucznym Rys. 9. Mikrostruktura TEM złącza 355/280
Złącza stopu 2017A T6 (PA6) / AlSi10Mg (AK9). Parametry zgrzewania 710 obr/min, 112 mm/min, konwencjonalne narzędzie FSW. Na rysunku 12 pokazano mikrostrukturę materiału zgrzewanego stopu odlewniczego AK9. Na kolejnych rysunkach pokazano mikrostrukturę złącza FSW z udziałem tego stopu. Materiały odlewane posiadają charakterystyczną mikrostrukturę, wynikającą z procesu krystalizacji stopu. Proces zgrzewania FSW powoduje lokalne przerobienie plastyczne materiału zmieniając jego mikrostrukturę w bardzo dużym zakresie wydzielenia w eutektykach ulegają rozdrobnieniu a cała mikrostruktura ujednorodnieniu. W zakresie obszarów objętych warunkami termodynamicznymi umożliwiającymi rekrystalizację dochodzi również do rozdrobnienia ziarna. Zakres tych zmian widoczny jest na rysunku 11, na którym po prawej stronie pokazano granicę miedzy obszarem po rekrystalizacji (silnie odkształconym plastycznie) a obszarem płynącym w mniejszym stopniu. Analiza budowy w dolnej części złącza (po stronie natarcia) rysunek 12 z zastosowaniem kontrastu Nomarskeigo ujawniła różnice w mikrostrukturze materiału wskazujące na nieco większą twardość niektórych obszarów. Można to wyjaśnić występowaniem w tych obszarach stopu 2017A, który wykazuje znacznie większą twardość od stopu AK9. Taki sposób mieszania się materiałów, tj. występowanie odrębnych obszarów lub pasm w otoczeniu drugiego z łączonych stopów, widoczny jest również w innych obszarach złącza rysunek 13. Rys. 10. Materiał zgrzewany stop AK9 Rys. 11. Strona natarcia złącza granica miedzy obszarem po rekrystalizacji i rodzimym
Rys. 12. Strona natarcia złącza w dolnej części granica miedzy obszarem po rekrystalizacji a materiałem rodzimym; obraz w kontraście Nomarskiego widoczne obszary o większej twardości (stop 2017A) Rys. 13. Dolna część, w pobliżu osi złącza obserwacja w kontraście Nomarskiego Na następnych rysunkach pokazano obszar w osi złącza: rysunek 14 środek złącza, na rysunku 15 obszar przy licu (obszar działania wieńca opory). W obu tych obszarach widoczne jest silne zróżnicowanie mikrostruktury z różnym udziałem zgrzewanych stopów. W obu przypadkach można dostrzec duże obszary z udziałem tylko jednego z tych stopów (jasne pola to stop AK9) i obszary, w których występują naprzemiennie oba materiały. Trzeba jednak pamiętać, że sposób mieszania zgrzewanych materiałów zależy od bardzo wielu czynników i w przypadku zastosowania innego narzędzia lub innych stopów, o właściwościach mechanicznych bardziej do siebie zbliżonych, mikrostruktura złącza w poszczególnych obszarach będzie inna. Jednym z często występujących problemów przy zgrzewaniu FSW jest brak zgrzania w dolnej części złącza. Jest to wynikiem zbyt krótkiego
trzpienia lub znacznie częściej, zastosowania warunków i parametrów zgrzewania nie zapewniających wystarczającego wzrostu temperatury w dolnej części złącza co w konsekwencji prowadzi do niewystarczającego uplastycznienia materiału. W takim stanie materiały mogą nie zostać zgrzane lub w obszarze zgrzania widoczna będzie wyraźna segregacja na granicy materiałów. Taki przypadek pokazano na rysunku 16. Rys. 14. Obszar w osi złącza środek złącza (na przekroju poprzecznym) Rys. 15. Obszar w osi złącza w pobliżu lica zgrzeiny
Rys. 16. Obszar w pobliżu grani granica między materiałami (widok w kontraście Nomarskiego) Analizę właściwości mechanicznych, charakteryzujących materiał w kontekście przedstawionych wyżej mikrostruktur wykonano na podstawie profili twardości wyznaczonych na przekroju poprzecznym złącza, w pobliżu lica (niebieska linia) i grani (linia czerwona). W obszarach materiału rodzimego materiały wykazują typową dla siebie twardość (ok.78 HV AK9 i ok. 130 HV 2017A). W strefie wpływu ciepła zaznacza się niewielki spadek twardości, natomiast w środku złącza występuje twardość pośrednia. Jest to prawdopodobnie wynikiem uśrednienia twardości tam gdzie wgłębnik obejmował obszary (pasam) obu stopów. Rys. 17. Rozkład twardości na przekroju poprzecznym złącza z zobrazowanymi miejscami pomiarowymi (badania wykonane w IS w Gliwicach)
Podsumowanie 1. Mikrostruktura złącza FSW jest niezwykle złożona pod względem swojej budowy. Jest efektem złożonych kierunków płynięcia materiałów w obszarze zgrzewania w wyniku wypadkowego działania sił tarcia związanych z ruchem narzędzia (obrotowego i posuwowego). Jakość i właściwości złącz silnie zależą od wielu czynników, szczególnie rodzaju narzędzia oraz parametrów zgrzewania. 2. Mikrostruktura materiału odlewanego w wyniku zgrzewania FSW ulega zasadniczym zmianom (rozdrobnienie eutektyki i ziarna, ujednorodnienie mikrostruktury w obszarach objętych działaniem narzędzia FSW). 3. Technologia FSW umożliwia skuteczne wykonywanie złącz elementów odlewanych z przerobionymi plastycznie. Podziękowania i wsparcie Instytut Spawalnictwa w Gliwicach Zgrzeiny FSW wykonano w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach, na podstawie licencji udzielonej przez TWI. Podziękowania dla pana dr. inż. Adama Pietrasa, kierownika Zakładu Technologii Zgrzewania i Inżynierii Środowiska Badania mikroskopowe mikroskopia elektronowa transmisyjna wykonano w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie. Podziękowania dla pana prof. dr. hab. inż. Jana Dutkiewicza Badania złącz jednoimiennych FSW stopu 2017A wykonano w ramach projektu finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr 3 T08A 035 30, realizowanego przez autora referatu w Zakładzie Technologii i Inżynierii Materiałów, Instytut Techniki, Uniwersytet Pedagogiczny w Krakowie, gdzie wykonano badania mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych.