FRICTION STIR WELDING (FSW) 1 VZNIK NOVÉ TECHNOLOGIE Nová technologie svařování (Friction Stir Welding - FSW) byla vynalezena v roce 1991. Byla patentována a rozvinuta pro použití v průmyslu svařovacím institutem TWI v Cambridge ve Velké Británii. Patentována byla v Evropě, USA, Japonsku a Austrálii. TWI založilo sponzorskou skupinu pro další vývoj nové metody Friction Stir Welding. 2 PRINCIP FRICTION STIR WELDING Svařování třením (FSW - Friction Stir Welding) je proces plně pronikající pevnou fází, kterého lze použít při spojování plechů. V principu jde o to, že spojení dvou hliníkových součástí probíhá za vysokých teplot, které nepřesahují bod tavení slitiny. Vytváří pevné spoje mezi součástmi. Při svařování třením se nástroj s cylindrickým ramenem a profilovaným kolíkem otáčí a pomalu se ponořuje do místa spoje mezi dva kusy plechu nebo do desky materiálu, které se k sobě svařují natupo (obr. 1). Součásti je nutno upnout do podložky tak, aby se jejich čela neoddálila. Teplo vzniklé mezi svařovacím nástrojem odolným proti opotřebení a svařencem způsobuje, že svařenec může změknout, aniž by dosáhl bodu tavení, a tak umožní, že nástroj přechází podél linie svaru (obr. 2). Změklý materiál je přenesen na vlečný okraj nástroje a je vykován těsným kontaktem ramene nástroje a profilem kolíku. Při chlazení mezi těmito dvěma kusy povoluje vazba pevné fáze. Materiál v plastickém stavu je přenesen z čelního okraje nástroje a je přemístěn těsným kontaktem ramene nástroje a profilem kolíku. Po přenesení materiálu na zadní stranu nástroje kde není takové tření a tlak dochází k ochlazení materiálů z plastického stavu do stavu, kdy je materiál již tuhý. Zároveň dochází ke spojení materiálu v plastickém stavu a tak dojde k vytvoření pevného spoje bez pórů nebo vměstků.
Přítlačná síla, podílí se na vzniku třecího tepla. Vedení Rotační rameno. Třením vzniká teplo a svařovací tlak. Rameno Hrot nástroje Obr. 1 Princip svařování. Obr. 2 Ukázka teplotního pole při svařování. Zdrojem tepla je rotační nástroj, který se pohybuje ve směru spoje. Výhodou je vysoká kvalita spoje a jeho výborné mechanické vlastnosti, jako je pevnost a chování spoje při ohybu. Ve srovnání s ostatními metodami svařování má spoj vynikající únavové vlastnosti, protože neobsahuje vměstky a nečistoty. Spoje mohou být vytvořeny rychleji, při svařování nedochází k velkým deformacím a lze spojovat díly v tloušťkách od 1,6 do 30 mm. Nová technologie tak může nahradit klasické a většinou obtížné svařování součástí z hliníkových slitin v oborech jako je stavba lodí, letecký průmysl, výroba železničních vagónů, automobilový průmysl, chladírenství, a další. Teplota vyvinutá třením uvede základní materiál do plastického stavu, a tlakem dojde k pevnému metalografickému spoji bez použití přídavného materiálu a bez roztavení základního materiálu nad teplotu tání. Po ochlazení takto provedeného svaru je třeba odstranit oboustranné výronky kovu vzniklé při stlačení dílů. Níže uvedená technologie využívá stejný princip ale tření a tlak způsobuje speciální nástroj. Také svařovaný díl ji nemusí být pouze rotační, ale lze takto spojovat např. dlouhé rovné plechy. Zatím je tato metoda využita pro spojování hliníku a jeho slitin. 1
Touto metodou lze svařovat: Hliník a jeho slitiny (obr. 3) Magnesium, měď, zinek, olovo Lze spolu svařovat různé materiály Ocel (obr. 4) Obr. 3 Svařování slitiny hliníku. Obr. 4 Svařování oceli. Základní využití této metody bylo donedávna pouze u rotačních částí, např. vrtné trubky pro ropný a plynárenský průmysl. Ve speciálním stroji se upnuté díly roztočily v protisměru a postupně se přitlačovaly. Teplota vyvinutá třením uvede základní materiál do plastického stavu, a tlakem dojde k pevnému metalografickému spoji bez použití přídavného materiálu a bez roztavení základního materiálu nad teplotu tání. 2
3 DŮLEŽITÉ SVAŘOVACÍ PARAMETRY Mezi důležité parametry patří dvě nástrojové rychlosti potřebné k pohybu svařovacího nástroje. Jedná se o úhlovou rychlost, nebo otáčky a rychlost posuvu nástroje. Tyto dva parametry mají značný význam a musí být pečlivě nastaveny, aby mohly zabezpečit úspěšný a účinný svařovací proces. Rychlost rotace a posuvná rychlost úzce souvisí s tepelným výkonem během procesu. Obecně můžeme říci, že zvýšení rychlosti rotace, nebo klesající rychlost posuvu bude mít za následek zvýšení teploty. K tomu, abychom vyprodukovali kvalitní svar, je nezbytné, aby nástroj vytvořil v materiálu prostředí vhodné k umožnění rozsáhlého plastického toku materiálu a zároveň minimalizoval síly potřebné k jeho pohybu. Jestliže se materiál dostatečně nezahřeje v místě svařování, mohou vznikat nebezpečná místa, nebo jiné vady, které mohou v krajních případech zapříčinit zničení nástroje. Na druhé straně, zase vysoký tepelný výkon může uškodit konečným vlastnostem svaru. Úhel sklonu a skoková hloubka nástroje Skoková hloubka je definovaná jako hloubka nejnižšího bodu hrotu pod povrchem svařovaného materiálu a je to kritický parametr pro kvalitu svaru. Stupeň vniknutí nástroje pod povrch materiálu zabezpečuje deformaci materiálu v geometrii nástroje, ale i v jeho blízkém okolí. Vychýlení nástroje o 2 až 4 stupňů je takový, že úhel za nástrojem je menší než na přední straně. Toto vychýlení se pozitivně projevilo při deformačním procesu (obr. 5). Skoková hloubka musí být dokonale nastavena a zabezpečena tlakem shora dolů tak, aby nástroj plně pronikl a pokryl oblast svaru. Hydrostatický tlak Přední hrana nástroje Zadní hrana nástroje vnořená do svaru Obr. 5 Sklon nástroje. Geometrie nástroje Tvar nástroje je nejdůležitějším faktorem rozhodujícím o kvalitě svaru a maximální možné rychlosti svařování. Materiál nástroje musí být dostatečně silný, tvrdý, odolný proti opotřebením vysokých svařovacích teplotách. Dále by měl mít nízkou tepelnou vodivost pro minimalizaci tepelných ztrát a vedení tepla dále, nahoru směrem k pohonu nástroje. Pro práci ve vysokých teplotách se prokázala nástrojová ocel pod označením AISI H13 (DIN 1.2344). Tento materiál je vhodný pro svařování 3
slitin hliníku tloušťky 0.5 až 50 mm, ale pro svařování například ocele nebo titanu je nutné zvolit jiný materiál nástroje s vyšším bodem tání. Požadujeme tvar nástroje, který by zvýšil produktivitu a kvalitu spojů. Musí být přizpůsoben tak, aby pronikl do materiálů a dokonale je spojil. Pro příklad je zde uveden nástroj základního tvaru (kužel, hrot, trn), osazen vnější šroubovicí, která umožní lepší vniknutí do materiálu. Další návrhy jsou vyobrazeny níže na obrázku č. 6. Většina nástrojů má vydutý profil čela, který slouží jako únikový prostor pro množství přemístěného materiálu a pro přesun materiálu za nástroj. Na hrotech se vyskytují i svislé drážky důležité pro různou rychlost přemisťování materiálu v různých vrstvách materiálu. Na obrázcích 8 a 9 jsou vyobrazeny nástroje ve skutečnosti. Obr. 7 Geometrie nástroje. Obr. 8 Hroty nástrojů. 4
Obr. 9 Rameno s nástrojem. 4 SÍLY PŘI SVAŘOVÁNÍ Během svařování působí na nástroj několik sil: Vertikální síla tlačící na nástroj shora je nezbytná pro jeho udržení v materiálu, nebo pod jeho povrchem. Posuvná síla napomáhá k pohybu nástrojům ve směru svařování. Proti této síle působí odpor materiálu. Jakmile se zvětší teplota v okolí nástroje, tyto tyto síly se zmenší. Síly kolmé na směr vedení svaru. Boční síly jsou zde definovaný jako pozitivní, vzhledem k postupujícímu svaru. Kroutící síla potřebná k rotaci nástroje. Její velikost ovlivňuje součinitel tření, tok materiálu a další. Za účelem předejít zničení nástroje a minimalizovat jeho nadměrné opotřebení je, abychom došli ke správnému nastavení celého procesu. Za účelem najít nejlepší kombinaci svářečských parametrů je nutné zvolit vhodný kompromis mezi nimi. Například můžeme snížit síly působící na nástroj, a to zvýšením tepelného výkonu, snížení rychlosti posuvu. To má, ale neblahý vliv rychlost produkce. 5 TOK MATERIÁLU Existuje několik teorií popisujících tok materiálu. Nejnovější poznatky však říkají o tom, že se určité množství materiálu točí kolem hrotu nástroje po dobu několika otáček. Vytvoří se tzv. pohyblivá zóna ve tvaru prstenu (obr. 10). Materiál postupně vstupuje zepředu a ze stran do pohyblivé prstencové zóny, posouvající se společně s nástrojem. V této oblasti dochází k velké deformaci 5
materiálu. Následně se materiál přesouvá za nástroj a vytváří zde tzv. kovovou lázeň. Zde se dohromady slije materiál obou spojovaných částí a vytvoří svar. Obr. 10 Tok materiálu 6 VZNIK A PROUDĚNÍ TEPLA U většiny metody svařování je obecně žádoucí zvětšení rychlosti svařování, k minimalizaci tepelného výkonu a nárůstu produktivity. Redukuje se dopad svařování na mechanické vlastnosti svaru. Zároveň je nezbytné zabezpečit, aby teplota kolem nástroje byla dostatečně vysoká k vytvoření adekvátního materiálového toku. Je nutno předejít vadám nebo zničení nástroje. Může se stát, že rychlost bude tak vysoká, že se materiál před nástrojem příliš nezahřeje. Příliš velký odpor materiálu a nízká teplota může mít za následek nekvalitní pohyb a tok materiálu. Zase vznikají vady,nebo zničení nástroje. Při nižších rychlostech je tomu naopak. Svařovací cyklus může být rozčleněn na několik stupňů, během kterých bude proudění tepla a tepelný profil různý. Materiál je předehřátý tuhý. Pomocí rotačního nástroje dosáhneme dostatečné teploty. Jedná se o oblast před nástrojem, důležitá pro vniknutí nástroje do materiálu. Když se nástroj začne pohybovat směrem do materiálu, začne se třením produkovat teplo. Jedná se o přechodnou dobu, než se oblast okolí materiálu komplexně přemění do požadovaného plastického stavu. Ačkoli se budou vyskytovat kolísání v produkci tepla. Budou se stále vyskytovat tepelné pole kolem nástroje, přinejmenším na makroskopické stupnici. Blízko konce sváří teplo může odráží' z konce deskový vedoucí k dalšímu teplu kolem nástroje. Vznik tepla je u tohoto svařování důsledkem tření a vysoké plastické deformace materiálu v okolí hrotu nástroje. 6
7 MODELOVÁNÍ PROCESU FSW Jeden z prvních výsledků výzkumného úkolu, bylo vytvořit matematický model FSW, který by dovolil leteckým inženýrům nahlédnout na detaily procesu, jako jsou teplotní pole, nebo změny v mikrostruktuře. Pro umožnění leteckým inženýrům zpřístupnit model vytvořen simulační nástroj. Jedná se o COMSOL Multiphysics. Program řeší fyzikální úlohy popsané parciálními diferenciálními rovnicemi s následným řešením metodou konečných prvků Modelování 3D zahrnuje tepelné analýzy, výpočty proudění tepla. Pro 2D vznikly modely tečení materiálu, výpočty vytváření tepla. Obr. 11 Ukázka modelování Obr. 12 Prostředí programu COMSOL 7
8 APLIKACE Proces je aktuálně patentovaný TWI ve většině průmyslově vyspělých zemích. Je licencováno víc než 183 uživatelů zahrnující svařování slitin hliníku. Nejznámější použití jsou vnější nádrže raketoplánů, raketa Sokol 1, obrněné jednotky pro obojživelný útok, křídla a výztuhy trupů v letectví, díly automobilů. Zavedení technologie FSW v civilním letectví bylo pomalejší, protože nově zaváděná technologie musí být plně zvládnutá a musí splňovat nároky na absolutní kvalitu vyrobených částí. FSW dosud využívá pouze jeden výrobce letadel a to firma Eclipse Aviation of Albuquerque v Novém Mexiku při výrobě lehkého dopravního letounu Eclipse 500. Díky použité technologii je cena letounu nižší než u konkurenčních strojů a ekonomické náklady na jednu letovou míli jsou ve srovnání s ostatními nízké. a) b) Obr. 13 Využití v leteckém průmyslu - a) výztuha křídla Airbusu, b) nádrže raketoplánu) Obr. 14 Použití FSW u automobilu Ford GT 8
Obr. 15 FSW výrobní zařízení. O FSW technologii však uvažují i výrobci velkých dopravních letadel, kteří dosud při výrobě používají nýtování. Jedná se o výrobu ověřenou a spolehlivou avšak pomalou. Proto se evropský výrobce Airbusů, firma EADS (European Aeronautic Defence and Space), zabývá možností používat technologii FSW. Před investicí do nového zařízení je třeba brát v úvahu, že na velké letouny působí větší zatížení a mají kratší životnost než letadla menších kategorií. Je tedy nutné zvážit všechny příznivé i nepříznivé aspekty FSW. Hrají zde roli parametry jako je např. používaný materiál, průměr zařízení FSW a jeho další geometrie, rychlost svařování nebo přítlačná síla rotačního trnu. Na zavedení nové technologie spolupracovalo několik institucí, mezi nimi také univerzita v Cambridge, která vytvořila teplotní model popisující proces svařování. K simulaci procesu posloužila 3D geometrie v programu COMSOL Multiphysics. Program řeší fyzikální úlohy popsané parciálními diferenciálními rovnicemi s následným řešením metodou konečných prvků. V tepelné analýze je vypočteno 3D teplotní pole vznikající předepsaným tepelným tokem mezi nástrojem a svařovaným materiálem. V průběhu simulace se zkoumají vlastnosti svařovaného materiálu a rozložení teplotního pole v blízkosti rotujícího svařovacího trnu. Pro výpočet byly použity dva nadstavbové moduly programu Heat Transfer a Chemical Engineering Modul.Svařování třením je složitý technologický proces, při němž probíhá mnoho změn a jeho simulace značnou měrou přispěla k řešení celé problematiky. 9 VÝHODY A NEVÝHODY TECHNOLOGIE Při chlazení a tuhnutí z kapalné fáze do tuhé dochází k minimu poruch materiálu. Problémy s rekrystalizací nebo praskání při tuhnutí se u metody FSW takřka nevyskytují. Vyznačuje se nízkou koncentrací defektů a je velmi snášenlivá ke změnám svařovacích parametrů a použitých druhů materiálů. Nicméně u FSW se vyskytuje několik ojedinělých chyb. Jedná se o nízké nebo vysoké svářecí teploty, vlivem nízkých nebo vysokých úhlových rychlostí. Nemusí 9
dojít k úplnému plastickému přetvoření materiálu. Toto se může projevit jako dlouhý tunelový defekty podél celého svaru. Tento defekt se potom oběví buď na povrchu nebo uvnitř materiálu. Nízké teploty mohou také omezit tvářecí akci nástroje a tak snížit kvalitu spoje mezi oběma svařovanými částmi. Některé výhody procesu FSW: Dobré mechanické vlastnosti při daných svařovacích parametrech. Lepší bezpečnost při práci díky nepřítomnosti toxických výparů, nebo rozstřiku roztaveného materiálu. Nástrojem můžeme svařovat dlouhé svary. Není potřeba žádný přídavný materiál, ani ochranná atmosféra. Proces je snadno aplikovatelný na jednoduchých frézkách. Nižší náklady na přípravu výroby. Mohou pracovat ve všech pozicích (horizontální, vertikální, atd.). Svary jsou s takřka nulovým převýšením, nemusí brousit, ani jinak upravovat. Malé množství dopadu. Nevýhody procesu FSW: Vytvoření malého otvoru po dokončení svaru, zasunutí hrotu a výjezdu ze svaru. Potřeba větších přídržných sil, potřebných pro společné upevnění obou spojovaných součástí. Méně flexibilní než ruční obloukové svařování. Problémy s rozdílnou tloušťkou spojovaných dílů. Problém s nelinearitou svarů. 10
Použitá literatura [1] BHADESHIA, H., Fiction stir welding, [online], 10. 12. 2008. Dostupné z WWW http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/fsw/aaa.html [2] JOHNSON, R., KALLEE, S., Fiction stir welding, [online], 10. 12. 2008. Dostupné z WWW http://www.azom.com/details.asp?articleid=1170 [3] COLLIGAN, K., KONKOL, P., Friction Stir Welding Demonstrated for Combat Vehicle Construction, [online], 10. 12. 2008. Dostupné z WWW http://www.aws.org/w/a/wj/2003/03/feature3/index.html [4] UNIVERSITY of LIVERPOOL., Fiction stir welding, [online], 10. 12. 2008. Dostupné z WWW http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=205&pageid =2144416862 [5] WIKIPEDIA., Fiction stir welding, [online], 10. 12. 2008. Dostupné z WWW http://en.wikipedia.org/wiki/friction_stir_welding 11