Centrum wiedzyESAB.

Czym jest zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem aluminium?

P – Słyszałem o procesie zgrzewania zwanym Friction Stir Welding. Najwyraźniej jest to całkiem nowy proces i jest szczególnie dobry do spawania aluminium. Czy może mi Pan udzielić jakichś informacji na temat tego procesu i rodzajów zastosowań, w których jest on wykorzystywany?

A – Wynaleziony w 1991 r. proces zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (FSW) został opracowany i opatentowany przez Instytut Spawalnictwa (TWI) w Cambridge, w Wielkiej Brytanii. Pierwsze specjalnie skonstruowane i komercyjnie dostępne urządzenia do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem zostały wyprodukowane przez firmę ESAB Welding and Cutting Products w jej zakładzie produkcyjnym w Laxa, w Szwecji. Opracowanie tego procesu stanowiło znaczącą zmianę w stosunku do konwencjonalnych procesów zgrzewania tarciowego z zastosowaniem ruchu obrotowego i liniowego ruchu posuwisto-zwrotnego. Zapewnił on dużą elastyczność w grupie procesów zgrzewania tarciowego.

Konwencjonalny proces zgrzewania tarciowego z ruchem obrotowym wymaga, aby przynajmniej jedna z łączonych części była obrotowa i ma praktyczne ograniczenie do łączenia elementów o regularnych kształtach, najlepiej okrągłych w przekroju poprzecznym i o ograniczonej długości. Dobrym przykładem są krótkie rury lub okrągłe pręty o tej samej średnicy.

Liniowy proces posuwisto-zwrotny również wymaga ruchu łączonych części. Proces ten wykorzystuje prostoliniowy ruch tam i z powrotem pomiędzy dwoma częściami w celu wytworzenia tarcia. Regularność łączonych części nie jest tak konieczna w tym procesie; jednakże, ruch części podczas spawania jest niezbędny.

Oczywistym ograniczeniem obu tych procesów jest konstrukcja złącza i ograniczenie geometrii elementu. Przynajmniej jedna z łączonych części musi mieć oś symetrii i być w stanie obracać się lub poruszać wokół tej osi.

Spawanie tarciowe z przemieszaniem (FSW) jest w stanie wykonać złącza doczołowe lub zakładkowe, w szerokim zakresie grubości i długości materiałów. Podczas FSW, ciepło jest generowane przez pocieranie nie zużywającego się narzędzia o podłoże przeznaczone do łączenia oraz przez deformację powstałą w wyniku przechodzenia narzędzia przez łączony materiał. Obracające się narzędzie powoduje objętościowe nagrzewanie, więc w miarę posuwania się narzędzia powstaje ciągła spoina. FSW, podobnie jak inne rodzaje zgrzewów tarciowych, jest w dużej mierze zgrzewem w stanie stałym. W rezultacie, zgrzewy tarciowe z przemieszaniem nie są podatne na wady związane z krzepnięciem, które mogą utrudniać inne procesy zgrzewania. Proces FSW jest przedstawiony na rys. 1. Elementy przeznaczone do połączenia są zwykle ułożone doczołowo. Następnie obracające się narzędzie jest wprowadzane w kontakt z obrabianymi przedmiotami. Narzędzie składa się z dwóch podstawowych elementów: sondy, która wystaje z dolnej powierzchni narzędzia, oraz łopatki, która ma stosunkowo dużą średnicę. Długość sondy jest zazwyczaj zaprojektowana tak, aby ściśle odpowiadała grubości obrabianych przedmiotów. Spawanie jest inicjowane przez wprowadzenie obracającej się sondy w głąb obrabianego przedmiotu, aż do momentu, w którym łopatka znajdzie się w bliskim kontakcie z górną powierzchnią elementu. Ciepło wytwarzane jest w wyniku tarcia, gdy obracająca się łopatka ociera się o górną powierzchnię pod wpływem działającej siły. Po wytworzeniu i odprowadzeniu wystarczającej ilości ciepła do obrabianego elementu, obracające się narzędzie jest przesuwane do przodu. Materiał jest zmiękczany przez działanie grzewcze ramienia i przenoszony przez sondę przez linię spoiny, ułatwiając wykonanie połączenia.

Jednym z ograniczeń procesu FSW jest mechaniczna stabilność narzędzia w temperaturze roboczej. Podczas procesu FSW, narzędzie jest odpowiedzialne nie tylko za ogrzewanie materiału podłoża do temperatury kucia, ale także za zapewnienie mechanicznego działania kucia. Dlatego też, materiał narzędzia musi być w stanie wytrzymać wysokie obciążenia i temperatury w kontakcie z odkształcającym się materiałem podłoża bez nadmiernego zużycia lub deformacji. W rezultacie, większość zastosowań FSW dotyczyła materiałów o niskiej temperaturze kucia. Spośród nich, najważniejszą klasą materiałów jest aluminium. Praktycznie wszystkie klasy stopów aluminium zostały z powodzeniem zgrzane tarciowo z przemieszaniem. Należą do nich stopy 1xxx, 2xx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx i 7xxx, jak również nowsze stopy Al-Li. Każdy system stopów jest metalurgicznie odrębny. Ponadto, różne stopy w ramach danej klasy mogą mieć różne właściwości kucia. W rezultacie, przetwarzanie dla każdego stopu może się różnić. Jednak we wszystkich klasach można uzyskać złącza o wysokiej integralności.

Niektóre zastosowania:

Ponieważ potencjalne zalety zgrzewania łukowego w niektórych zastosowaniach związanych z tym procesem, FSW spotkało się z zainteresowaniem wielu obszarów przemysłu pracujących z aluminium. Zalety obejmują zdolność do wytwarzania długich odcinków spoin w aluminium bez topienia materiału podstawowego. Zapewnia to istotne korzyści metalurgiczne w porównaniu z konwencjonalnym spawaniem łukowym. Topnienie materiału podstawowego nie występuje w przypadku FSW, a to eliminuje możliwość pęknięć krzepnięcia, które są często problemem podczas spawania łukowego niektórych stopów aluminium. Inne zalety mogą obejmować: niskie odkształcenia związane z mniejszym nagrzewaniem podczas procesu spawania; eliminację problemów porowatości, które są wyzwaniem podczas spawania łukowego aluminium; minimalne przygotowanie krawędzi, ponieważ złącza doczołowe są zazwyczaj wykonywane z przygotowaniem kwadratowego dołu; oraz brak materiałów spawalniczych, takich jak gaz osłonowy lub materiał wypełniający.

Proces zgrzewania tarciowego z przemieszaniem jest używany i/lub oceniany pod kątem zastosowania w przemyśle lotniczym, wojskowym, lotniczym, samochodowym, stoczniowym, kolejowym i najprawdopodobniej w innych gałęziach przemysłu.

.