FSW, Friction Stir Welding - mieszanie materiału zgrzeiny w stanie stałym

Rozwój techniki wymaga wyrobów o coraz lepszych właściwościach, co można osiągnąć między innymi, stosując połączenia różnorodnych materiałów. Dużą rolę w wytwarzaniu tych wyrobów odgrywa technologia ich spajania.

 

Spoina uzyskana metodą FSW

 

Spawanie łukowe, a także spawanie wiązką laserową czy elektronową, ze względu na występującą strefę stopienia łączonych materiałów, ma bardzo ograniczone zastosowanie. Dzięki rozwojowi metod lutowania oraz spajania w stanie stałym, gdzie zastosowano do łączenia materiałów różne zjawiska fizyczne (np. tarcie, dyfuzję, odkształcenie plastyczne, obciążenia udarowe, drgania), powstały możliwości do wytwarzania połączeń w zróżnicowanych materiałowo wyrobach.

 

Idea procesu zgrzewania tarciowego znana jest od ponad wieku. W 1891 r. w Anglii wydano pierwszy patent dotyczący wykorzystania ciepła tarcia do łączenia, następne ukazały się w roku 1926 w Niemczech i na początku lat czterdziestych dwudziestego wieku w Anglii. Wspomniane prace nie wyszły jednak poza badania laboratoryjne.

 

Intensywne badania, prowadzone pod kierownictwem Villa (ZSRR), który podał podstawy teoretyczne procesu zgrzewania tarciowego, zapoczątkował zastosowanie tej metody łączenia w warunkach przemysłowych. W dalszych latach, poza byłym ZSRR, intensywne prace badawcze i wdrożeniowe prowadzono także w USA, Japonii, Wielkiej Brytanii, RFN, byłej Czechosłowacji, Francji i byłym NRD. W Polsce badania nad zgrzewaniem tarciowym, zakończone wdrożeniami w wielu zakładach przemysłowych, prowadził od 1959 r. Instytut Spawalnictwa w Gliwicach.

 

Atrakcyjność tej metody łączenia wynika z korzyści techniczno-ekonomicznych, jak np. duża wydajność procesu, duża stabilność procesu zgrzewania, zapewniająca jego powtarzalność, a przez to ułatwiająca automatyzację procesu; możliwość łączenia materiałów o różnych właściwościach.

 

Proces zgrzewania tarciowego może odbywać się licznymi metodami, przede wszystkim zgrzewania z mieszaniem materiału zgrzeiny (metoda FSW – z ang. Friction Stir Welding), opatentowanej w 1991 r.

 

Badania zgrzewania tarciowego prowadzone w ostatnich latach skupiają się wokół dwóch zagadnień:

  • opisu zjawisk zachodzących podczas zgrzewania tarciowego, w tym podczas łączenia materiałów o różnych właściwościach,
  • rozwoju nowych metod zgrzewania tarciowego, a zwłaszcza metody FSW.

 

Zgrzewanie Tarciowe to proces łączenia ciał stałych, który wytwarza połączenia materiałowe, w wyniku użycia ciepła wytworzonego pomiędzy powierzchniami poprzez kombinację mechanicznie indukowanego tarcia i przykładanego nacisku. Rezultatem jest połączenie o jakości odkuwki. W normalnych warunkach, powierzchnie stykowe nie topią się. Materiał wypełniający, topnik i gazy osłonowe nie są w tym procesie konieczne.

 

Różne materiały

Wszystkie te materiały które, w innych procesach nie nadające się do zgrzewania, mogą być łączone w procesie zgrzewania tarciowego. Są to m.in. aluminium do stali, miedź do aluminium, tytan do miedzi i stopy niklu do stali. Zasadą jest, że wszystkie materiały metalowe, które mogą być kute, nadają się do zgrzewania tarciowego, włącznie ze stopami do zaworów (automotive), stal martenzytyczna, stal narzędziowa, odlewy, stopy stali i tantalu, stale szlachetne, mosiądz, etc.

 

Oszczędność kosztów, czasu, materiału

Ponieważ różne materiały mogą być łączone, możliwe są znaczące oszczędności kosztów, ponieważ można projektować bimetaliczne detale z wykorzystaniem materiałów drogich tylko tam, gdzie to konieczne. Drogie odkuwanie i odlewanie może być zastąpione tańszym zgrzewaniem prętów, rur, płyt i tym podobnych. Istotne oszczędności czasowe wynikają z tego, że proces zgrzewania tarciowego jest znacząco szybszy od konwencjonalnych metod spawania.

 

Przyczyny, które pozwolą rozważyć pozytywy zgrzewania Tarciowego:

  1. Można zgrzewać materiały, nie nadające się do spawania w innych procesach.
  2. Proces jest od 2 do 100-krotnie szybszy od innych technik spawania.
  3. Zgrzewarki tarciowe są na tyle wszechstronne, że mogą zgrzewać szeroki zakres kształtów, materiałów, rozmiarów.
  4. Przygotowanie powierzchni do zgrzania nie jest kłopotliwe. Obrobione, cięte piłą, nawet surowe powierzchnie mogą być zgrzewane.
  5. Zgrzane łączenia są jakości odkuwki, z 100% stykiem zgrzewu w obszarze kontaktu.
  6. Maszynowo kontrolowany proces eliminuje błędy ludzkie, więc jakość zgrzewu nie jest zależna od umiejętności operatora.
  7. Ekologicznie czysty proces – nie powstają niedopuszczalne dymy, opary lub gazy, które należy usuwać.
  8. Nie potrzebny jest topnik, materiał wypełniający ani gaz osłonowy.
  9. Zapotrzebowanie na energię jest niższe o 20% w stosunku do procesu spawania.
  10. W procesie spawania nie dochodzi do topnienia, więc nie następują defekty krzepnięcia, np. porowatość gazowa, segregacja lub wtrącenia.

Obecnie spośród metod zgrzewania tarciowego najczęściej znajduje zastosowanie zgrzewanie tarciowe doczołowe, w którym, ze względu na przebieg procesu, wyróżnia się metodę konwencjonalną (stosowaną w Europie), inercyjną (stosowaną najczęściej w USA), oraz zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny (metoda FSW).

 

Metoda FSW jest nową technologią, opracowaną w 1991 r. w Instytucie Spawalnictwa w Wielkiej Brytanii. Początkowo metoda ta nie znalazła większego zastosowania w krajach europejskich, chociaż wykazywano wiele jej zalet i korzyści wynikających z jej stosowania w warunkach przemysłowych. Duże nakłady finansowe na rozwój metody FSW, poniesione w minionych latach w Europie, ale przede wszystkim w Japonii i w Stanach Zjednoczonych, pozwoliły na jej intensywny rozwój i wprowadzenie do przemysłu.

 

Schemat tego procesu zobrazowano na rysunku 1. Polega on na mechanicznym mieszaniu łączonych materiałów z równoczesnym przemieszczaniem wzdłuż linii spajania tj. w miejscu łączenia dociśniętych blach, obrotowego narzędzia z końcówką (trzpieniem). Obracanie się narzędzia przeciskającego się przez styk dociśniętych do siebie elementów powoduje, że materiał w obszarze oddziaływania narzędzia wprawiany jest w ruch wirowy zgodnie z kierunkiem ruchu narzędzia. Trzpień mieszający ma specjalny kształt, najczęściej stożka gwintowanego, co umożliwia mieszanie materiału i utworzenie zwartej spoiny. Wieniec opory narzędzia, trący o powierzchnie elementów, zabezpiecza obszar zgrzeiny przed utlenianiem, jak również nadaje licu zgrzeiny estetyczny wygląd.

 

W wyniku wydzielanego ciepła tarcia uplastycznione materiały tworzą mechaniczno-plastyczne

połączenie (rys. 1a). W tych warunkach dochodzi do pełnej, wzajemnej penetracji

materiałów w stanie stałym w obszarze złącza bez osiągania punktu topnienia


materiałów (rys. 1b). Na skutek tarcia wywołanego przez ruch obrotowy trzpienia w strefie złącza wydziela się ciepło. Jest ono, wraz z adiabatycznie (proces termodynamiczny, podczas którego układ nie nawiązuje wymiany ciepła, lecz całość energii jest dostarczana lub odbierana z niego jako praca) wydzielanym ciepłem odkształcania materiału, źródłem inicjacji procesu. Po wykonaniu złącza trzpień jest wyprowadzany ze strefy obróbki (rys. 1c). Kształt trzpienia może być modyfikowany i dostosowywany do wymagań planowanego procesu spajania.

 

Schemta procesu FSW
Rys. 1.  Schemat procesu FSW

 

Metoda FSW, która jest prekursorem technologii FSP, jest szczególnie przydatna do łączenia materiałów, które w rozumieniu tradycyjnych technologii są trudno spawalne. Niewielkie różnice wytrzymałościowe materiału rodzimego i po procesie FSW dowodzą wyjątkowej przydatności tej metody w produkcji przemysłu kosmicznego, lotniczego, samochodowego, zbrojeniowego, itp. Z opracowań literaturowych wynika, że jest to już standardowa technologia stosowana w tych gałęziach przemysłu. W konstrukcjach lotniczych technika FSW z powodzeniem może zastąpić proces nitowania blach poszycia kadłubów i skrzydeł samolotu. Dzięki tej technologii istotnie zmniejszyła się liczba potencjalnych źródeł rozwoju pęknięć zmęczeniowych w tego typu konstrukcjach. Firma Airbus przeprowadziła bardzo obszerne badania efektywności zastosowania tej nowej technologii spajania elementów konstrukcji lotniczych w aspekcie oceny statycznej i zmęczeniowej wytrzymałości takich połączeń, w tym inicjacji i rozwoju procesu pękania, granicznych obciążeń i trwałości eksploatacyjnej wybranych elementów konstrukcji z punktu widzenia dopuszczalnego uszkodzenia typu zmęczeniowego. Badania te wykazały znaczącą poprawę właściwości statycznych i zmęczeniowych połączeń elementów wykonanych techniką FSW w stosunku do tradycyjnego łączenia nitowego. Firma Sapa wprowadza do przemysłu morskiego super duże i lekkie panele zgrzewane tarciowo metodą FSW, wyciskane z dedykowanego do zastosowań morskich stopu 5083. Nowa kombinacja pozwoli stoczniowcom tworzyć mocniejsze konstrukcje kadłubów przy jednoczesnej oszczędności kosztów. Stop 5083 to wysokowytrzymały materiał sprawdzony w konstrukcji elementów wodnicowych. Nigdy wcześniej stop ten nie był łączony w ten sposób w panele o długości 18 metrów i szerokości 3,5 metra.

Początkowo metoda ta nie znalazła większego zastosowania w krajach europejskich, chociaż przedstawiono wiele jej zalet i korzyści ekonomicznych wynikających z jej stosowania w warunkach przemysłowych. W minionych latach duże nakłady finansowe poniesiono w Japonii i Stanach Zjednoczonych, co przyczyniło się w dużym stopniu do rozwoju tej metody i wdrożeniu jej do przemysłu.

 

W prawidłowo utworzonej zgrzeinie FSW można wyodrębnić kilka charakterystycznych

obszarów rys.2: strefę odkształconego termomechanicznie (SUTM) materiału od strony lica, wyraźnie wyodrębnioną warstwę wymieszanych partii materiału w centralnych obszarach złącza – zwaną jądrem zgrzeiny, strefę odkształconą plastycznie (SUTM) wokół jądra, strefę wpływu ciepła (SWC) i łagodne przejście w materiał podstawowy oraz obszar materiału wokół grani.

Wielkość i kształt poszczególnych obszarów w makrostrukturalnej budowie zgrzeiny zależy od kształtu i wymiarów narzędzia, parametrów procesu oraz rodzaju zgrzewanego materiału.

 

 

Schemat makrostrukturalnej zgrzeiny powstałej w procesie zgrzewania metodą FSW
Rys.2 Schemat makrostrukturalnej zgrzeiny powstałej w procesie zgrzewania metodą FSW

 

Stwierdzono, że najsilniej wymieszany jest obszar centralny złącza, czyli jądro. Jądro to, widoczne na przekroju w postaci koncentrycznych, nie w pełni uformowanych okręgów (rys.3), tworzy się w wyniku przeciskania się materiału wokół trzpienia. Materiał przeciskany wokół trzpienia, w przeciwną stronę względem posuwistego ruchu narzędzia, wprawiany jest również w ruch okrężny, związany z odpowiednio wyprofilowanymi występami trzpienia. Powyżej jądra występuje warstwa silnie odkształconego materiału, na który oddziałuje głównie wieniec opory. Wielkość oraz kształt wieńca opory wpływa na ilość materiału przemieszczającego się w obszarze lica, od strony spływu ku stronie natarcia. Grubość tej warstwy zależy od wymiarów wieńca i profilu powierzchni styku wieńca z materiałem. W zależności od rodzaju zgrzewanych materiałów warstwa odkształcana wieńcem opory jest bardziej lub mniej widoczna. Jak podano w pracy, w przypadku zgrzewania czystego aluminium jest to stosunkowo cienka warstwa metalu dobrze spojona z warstwą jądra. W przypadku twardszych stopów aluminium, poza występowaniem grubej warstwy odkształcanej wieńcem opory, na granicy z jądrem może znajdować się cienka warstwa metalu zawierająca wtrącenia tlenkowe, znacznie osłabiająca wytrzymałość zgrzeiny.

W obszarze grani stopień wymieszania materiału zależy od kształtu i długości trzpienia. Materiał w obszarze oddziaływania narzędzia wprawiany jest w ruch wirowy, zgodnie z kierunkiem ruchu narzędzia. Złożenie ruchów narzędzia i uplastycznionego materiału powoduje, że kierunek ruchu mieszania materiału w jądrze jest przeciwny do kierunku ruchu materiału w obszarze lica (rys. 3.)

 

 

Schemat procesu mieszania materiału podczas zgrzewania FSW
Rys. 3 Schemat procesu mieszania materiału podczas zgrzewania FSW

 

Złożony ruch materiału powoduje dosyć dobre wymieszanie materiału w obszarze styku, wiąże się jednak z możliwą nieciągłością budowy strukturalnej zgrzeiny w miejscu styku warstw, przemieszczających się w przeciwnych kierunkach.

W wyniku wymieszania, uplastyczniony materiał zyskuje wysoką temperaturę, która wywołuje powstanie pola naprężeń, a to z kolei rozpoczyna proces dyfuzji.

W rezultacie powstaje bardzo dobrej jakości złącze o dobrych właściwościach mechanicznych, a szczególnie wytrzymałości na rozciąganie, która często przekracza wytrzymałość materiału rodzimego. Wynika to z tego, że mikrostruktura złącza nie jest dendrytyczna, jak w spoinach wykonanych metodami z przetopem, a zrekrystalizowana dynamicznie o ziarnach osiągających rozmiary ok. 1–10 μm. Zmniejszenie rozmiarów ziaren zwiększa wytrzymałość materiału w zgrzeinie.

 

Metoda FSW różni się znacznie od metody konwencjonalnego zgrzewania tarciowego,

stąd też w procesie występują inne parametry:

 

  • prędkość obrotowa narzędzia n,
  • prędkość zgrzewania V – jest uzależniona od grubości i typu materiału,
  • kąt nachylenia powierzchni wieńca opory do zgrzewanej powierzchni α,
  • głębokość penetracji trzpienia w materiale,
  • wymiary narzędzia (kształt, średnica i długość trzpienia, kształt i średnica powierzchni opory).

 

Istotny wpływ na proces tworzenia zgrzeiny ma prędkość zgrzewania, która całkowicie jest zależna od prędkości obrotowej narzędzia. Dla stałej prędkości obrotowej, temperatura materiału w obszarze styku zmienia się w zależności od prędkości zgrzewania.

Bardzo duży wpływ na jakość zgrzewania metodą FSW ma sztywność zamocowania łączonych elementów. Nagrzewanie i uplastycznianie metalu odbywa się przez tarcie, dlatego w obszarze zgrzewania występują znaczne siły i momenty, które mogą doprowadzić do odkształceń i przemieszczeń zbyt luźno mocowanych elementów. Uchwyty lub szczęki mocujące powinny unieruchomić i zabezpieczyć przed przesuwaniem się poszczególne elementy zgrzewanej konstrukcji. Ze względu na geometrię narzędzia, metoda stosowana jest zwykle do łączenia doczołowego blach.

 

Zgrzewanie tarciowe różnorodnych materiałów

W przypadku zastosowania metody zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW) do wykonania złączy o różnych właściwościach bardzo duże znaczenie mają parametry przebiegu procesu, takie jak prędkość obrotowa narzędzia oraz prędkość liniowa posuwu. Parametry te wpływają na strukturę złącza, a dokładniej na zachowanie się materiału w trakcie jego plastycznego płynięcia oraz na stopień jego zmieszania. Ważną rolę odgrywa również sam kształt narzędzia, a zwłaszcza kształt trzpienia. Podczas przebiegu procesu powstaje struktura wyglądem przypominająca 'krążki cebuli'. Nie miało to praktycznie żadnego znaczenia w złączach materiałów tego samego rodzaju, ale w przypadku zgrzewania materiałów różnorodnych wpływa zasadniczo na jakość połączenia.

 

Do głównych problemów technologicznych, z jakimi można się zetknąć podczas zgrzewania metodą FSW materiałów o różnych właściwościach, zalicza się konieczność stosowania materiału narzędziowego wyższej jakości. Podczas łączenia materiałów o takich samych właściwościach mechanicznych na narzędzia jest stosowany materiał, który spełnia minimalne wymagania wytrzymałościowe. W przypadku łączenia materiałów o różnych właściwościach materiał musi być dostosowany do właściwości materiałowych metalu o większych wymaganiach.

 

Kolejnym problemem jest temperatura generowana podczas procesu zgrzewania FSW. Parametry procesu muszą być tak dobrane, aby nie była ona zbyt duża. Dla połączeń tych samych materiałów temperatura spajania wynosi około 0,8 bezwzględnej temperatury topnienia. W przypadku zgrzewania różnorodnych materiałów temperatura może być różna i oscylować około 0,7–0,8 temperatury topnienia, a niekiedy może zostać nawet przekroczona.

Dla przykładu w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach doświadczalnie określono ilość ciepła wprowadzonego do złącza z aluminium o grubości blachy #6[mm] metodą spawania plazmowego a przy zgrzewaniu metodą FSW. Prawie dwukrotnie mniej ciepła wprowadzono za pomocą zgrzewania FSW.

 

Podczas procesu zgrzewania FSW może wystąpić taki przypadek, że będą dobrane optymalne parametry zgrzewania dla jednego z materiałów łączonych, natomiast nie są optymalne dla drugiego materiału. Może być też sytuacja, że jeden z materiałów osiągnie temperaturę topnienia, co sprawi, że cały proces przestanie być procesem spajania w stanie stałym, nie będzie zachodziło mieszanie pasm materiału i wystąpi zwiększone zjawisko dyfuzji. W takim przypadku mogą zajść

w strukturze materiału nieodwracalne zmiany, które znacząco mogą osłabić połączenie po stronie tego materiału. Wzrost temperatury procesu może spowodować także zwiększenie strefy oddziaływania ciepła (strefy wpływu ciepła), a co za tym idzie, zmienić również znacznie strukturę materiału poza zgrzeiną, co jednoznacznie wpłynie na jakość połączenia.

 

Innym problemem w procesie zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny może być zwiększona przewodność cieplna jednego z łączonych materiałów, co powoduje konieczność dostarczenia znacznie większych ilości energii cieplnej. Stwarza to konieczność stosowania odpowiedniej modyfikacji narzędzia, kształtu złącza lub parametrów procesu. Spotykane jest to najczęściej w przypadku złączy z miedzią. Istotne jest tu także zagadnienie grubości materiałów łączonych, przy czym w grubościennych złączach należy pamiętać o przestrzennym rozkładzie temperatury.

 

W związku z tym, że w procesie wytwarzania ciepła bierze udział zarówno trzpień, jak i kołnierz narzędzia, największa temperatura występuje na górnej powierzchni złącza. W głębi materiału natomiast ciepło generowane jest jedynie przez trzpień, co sprawia, że temperatura w strefach złącza oddalonych od jego powierzchni jest nieco, a niekiedy znacznie niższa i pomimo specjalnego ukształtowania części roboczej narzędzia, temperatura w spodniej części połączenia może nie być wystarczająca do utworzenia prawidłowej zgrzeiny. Może to prowadzić do stanu, w którym w części górnej złącza występuje wysokiej jakości połączenie, a w warstwie dolnej (graniowej) uzyskuje się złącze z licznymi wadami, co wpływa bardzo niekorzystnie na jakość połączenia. Wymienione problemy sprowadzają się tak naprawdę do odpowiedniego doboru parametrów

 

procesu, co wymaga szczegółowych badań nad ich opracowaniem, aby złącze było prawidłowe zarówno na przekroju poprzecznym, jak i na całej długości połączenia.

 

Podsumowanie

Metoda FSW stosowana jest w wielu gałęziach przemysłu japońskiego i amerykańskiego, choć znajduje obecnie także zastosowanie w przemyśle europejskim. W Polsce na skalę przemysłową zaczyna być również wdrażana. Przedstawione zalety metody FSW pozwalają w wielu przypadkach skutecznie konkurować z innymi technikami spawalniczymi. Technologia FSW zapewnia lepsze właściwości i mniejszą deformację w skutek działania wysokiej temperatury niż wszystkie inne metody spawalnicze. Metoda ta wykorzystywana jest głównie do doczołowego łączenia blach i płyt z aluminium i jego stopów do wytwarzania różnego rodzaju zbiorników, platform, płyt pancernych, obręczy kół, paneli, kratownic, bloków, żurawi itp. stosowanych w przemyśle obronnym, energetycznym, lotniczym, maszynowym, stoczniowym, budowlanym, górniczym, samochodowym i kolejowym. Pozytywne wyniki badań laboratoryjnych pozwolą by metoda FSW została wkrótce szerzej wykorzystana w wielu gałęziach przemysłu do łączenia wielu różnorodnych materiałów konstrukcyjnych.

 

Literatura:

[1] – Rozwój technologii zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału uplastycznionego w strefie zgrzeiny – Adam Pietras, Roman Bogucki, 2005

[2]- Nowe technologie łączenia metali – Dorota Kocańda, Andrzej Górka - BIULETYN WAT VOL. LIX, NR 2, 2010

 

[3] -https://www.sapagroup.com/pl/media/informacje-prasowe/aluminiowe-innowacje-przynosz-korzyci-w-postaci-silniejszych-i-lejszych-kadubow/

 

[4] – National Technical University of Athens-Friction Stir Welding – Professor D.I. Pantelis

 

[5] – Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1-78 – Friction stir welding and processing – R.S.Mishra

 

[6] – Zgrzewanie tarciowe materiałów o różnych właściwościach. – Andrzej Ambroziak –

Wrocław 2011

 

[7] – Właściwości złączy stopu AW 5083 spawanych metodą MIG i zgrzewanych tarciowo metodą FSW - Mirosław Czechowski Akademia Morska w Gdyni