Spajanie stopów aluminium metodą FSW
Szybko rozwijający się przemysł lotniczy jest znakiem naszych czasów.
Dotychczasowe metody łączenia elementów ze stopów aluminium nie dawały oczekiwanych rezultatów.
Zastosowanie spawania nie zdało egzaminu z powodu licznych pęknięć i mikropęknięć powstałych podczas krzepnięcia ciekłej spoiny. Kolejnym negatywnym zjawiskiem wynikającym z zastosowania spawania była porowatość. Zastosowanie spajania laserowego niesie za sobą bardzo duże koszty.
Z kolei nitowanie czy lutowanie ograniczało w znacznym stopniu możliwości konstrukcyjne, poprzez znaczne zwiększenie masy samolotu.
Jednakże w 1991 roku opracowano ciekawą metodę, zwaną Friction Stir Welding, dzięki której bez problemu można połączyć trwale dwa elementy ze stopów aluminium, otrzymując przy tym odpowiednie własności i co najważniejsze powtarzalność procesu.
Czym jest Friction Stir Welding? Jest to zgrzewanie tarciowe ze zmieszanie materiału zgrzeiny. Metoda ta została opracowana w grudniu 1991 roku w Edison Welding Institute przez Wayne Thomasa.
Sprawa wygląda dość banalnie na pierwszy rzut oka. Na specjalnym stole mocujemy na sztywno dwa elementy. Od góry przykładamy trzpień w miejsce, gdzie ma powstać złącze.
Trzpień obraca się wokół własnej osi z dużą prędkością.
Po przyłożeniu docisku, tak aby trzpień zagłębił się w materiał, jest przesuwany ruchem jednostajnym wzdłuż miejsca styku materiałów.
Powyższy opis uzupełnia poniższa ilustracja.
Parametry procesu:
Poprzez modyfikacje narzędzia, kształtu trzpienia oraz stanowiska operacyjnego możemy otrzymywać przeróżne połączenia materiałów, od doczołowych, poprzez narożne a kończąc na teowych i zakładkowych.
Proces jest bardzo szybki, praktycznie bez hałasowy i bezpieczny dla personelu obsługującego narzędzia.
Kolejną zaletą jest fakt, że łączenie materiałów następuje w fazie stałej, stąd możemy uniknąć pęknięć, które powstają podczas krzepnięcia spoiny.
Brak fazy ciekłej i wysokich temperatur pozwoli zachować dobrą jakość materiału, poprzez brak utraty pierwiastków stopowych oraz utrzymaniu drobnoziarnistości mikrostruktury i braku mikropęknięć.
Uzyskujemy również bardzo małe zniekształcenia, co daje dużą stabilność wymiarową oraz powtarzalność.
Jak się okazuje łączenie poprzez FSW zużywa jedyne 25% energii potrzebnej do takiego samego połączenia wykonanego laserowo.
Proces zgrzewania tarciowego ze zmieszaniem materiału jest „czystym” procesem. Nie wymaga czyszczenia powierzchni, gazów ochronnych, ani rozpuszczalników do odtłuszczania elementów.
Z opisu wynika, że jest to proces doskonały. Jednak jak każdy ma swoje wady oraz zalety. Ograniczenia, takie jak bardzo dokładne połączenie materiałów, szybkie zużycie narzędzia oraz konieczność usunięcia obszaru materiału na początku i końcu zgrzeiny (z powodu obniżenia własności wytrzymałościowych ).
mgr inż. Artur Mydlarz
Przemysł ten wymaga zastosowania specyficznych materiałów: lekkich i zarazem wytrzymałych. Materiałów o jak najlepszej wytrzymałości względnej (stosunek wytrzymałości do gęstości).
Kadłuby samolotów wykonane są głównie ze stopów aluminium.
Stopy te mają dobrą wytrzymałość względną, ale cecha która warunkuje wykorzystanie ich w konstrukcjach zewnętrznych samolotów to własności tych materiałów w obniżonych temperaturach, które panują w środowisku przelotowym.
Otrzymywanie ich nie stanowi większego problemu od dziesiątek lat. Problemem jest spajanie poszczególnych elementów w jedną całość. Stopy te jeszcze w latach siedemdziesiątych uważane były za nie spawalne, do ich połączenia stosowano nitowanie, lutowanie czy klejenie.
Kadłuby samolotów wykonane są głównie ze stopów aluminium.
Stopy te mają dobrą wytrzymałość względną, ale cecha która warunkuje wykorzystanie ich w konstrukcjach zewnętrznych samolotów to własności tych materiałów w obniżonych temperaturach, które panują w środowisku przelotowym.
Otrzymywanie ich nie stanowi większego problemu od dziesiątek lat. Problemem jest spajanie poszczególnych elementów w jedną całość. Stopy te jeszcze w latach siedemdziesiątych uważane były za nie spawalne, do ich połączenia stosowano nitowanie, lutowanie czy klejenie.
Dotychczasowe metody łączenia elementów ze stopów aluminium nie dawały oczekiwanych rezultatów.
Zastosowanie spawania nie zdało egzaminu z powodu licznych pęknięć i mikropęknięć powstałych podczas krzepnięcia ciekłej spoiny. Kolejnym negatywnym zjawiskiem wynikającym z zastosowania spawania była porowatość. Zastosowanie spajania laserowego niesie za sobą bardzo duże koszty.
Z kolei nitowanie czy lutowanie ograniczało w znacznym stopniu możliwości konstrukcyjne, poprzez znaczne zwiększenie masy samolotu.
Jednakże w 1991 roku opracowano ciekawą metodę, zwaną Friction Stir Welding, dzięki której bez problemu można połączyć trwale dwa elementy ze stopów aluminium, otrzymując przy tym odpowiednie własności i co najważniejsze powtarzalność procesu.
Czym jest Friction Stir Welding? Jest to zgrzewanie tarciowe ze zmieszanie materiału zgrzeiny. Metoda ta została opracowana w grudniu 1991 roku w Edison Welding Institute przez Wayne Thomasa.
Sprawa wygląda dość banalnie na pierwszy rzut oka. Na specjalnym stole mocujemy na sztywno dwa elementy. Od góry przykładamy trzpień w miejsce, gdzie ma powstać złącze.
Trzpień obraca się wokół własnej osi z dużą prędkością.
Po przyłożeniu docisku, tak aby trzpień zagłębił się w materiał, jest przesuwany ruchem jednostajnym wzdłuż miejsca styku materiałów.
Powyższy opis uzupełnia poniższa ilustracja.
- prędkość zgrzewania 0,3-1,5m/min
- prędkość obrotowa narzędzia 300-3000 obr/min.
- siły docisku narzędzia do powierzchni 12-17kN
Proces jest bardzo szybki, praktycznie bez hałasowy i bezpieczny dla personelu obsługującego narzędzia.
Kolejną zaletą jest fakt, że łączenie materiałów następuje w fazie stałej, stąd możemy uniknąć pęknięć, które powstają podczas krzepnięcia spoiny.
Brak fazy ciekłej i wysokich temperatur pozwoli zachować dobrą jakość materiału, poprzez brak utraty pierwiastków stopowych oraz utrzymaniu drobnoziarnistości mikrostruktury i braku mikropęknięć.
Uzyskujemy również bardzo małe zniekształcenia, co daje dużą stabilność wymiarową oraz powtarzalność.
Jak się okazuje łączenie poprzez FSW zużywa jedyne 25% energii potrzebnej do takiego samego połączenia wykonanego laserowo.
Proces zgrzewania tarciowego ze zmieszaniem materiału jest „czystym” procesem. Nie wymaga czyszczenia powierzchni, gazów ochronnych, ani rozpuszczalników do odtłuszczania elementów.
Z opisu wynika, że jest to proces doskonały. Jednak jak każdy ma swoje wady oraz zalety. Ograniczenia, takie jak bardzo dokładne połączenie materiałów, szybkie zużycie narzędzia oraz konieczność usunięcia obszaru materiału na początku i końcu zgrzeiny (z powodu obniżenia własności wytrzymałościowych ).
mgr inż. Artur Mydlarz
