plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

Transkrypt

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 27 nr 1
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2007
ADAM PIETRAS ∗ , BEATA RAMS ∗∗ , ALEKSANDRA WĘGLOWSKA∗∗
ZGRZEWANIE TARCIOWE METODĄ FSW
STOPÓW ALUMNIUM SERII 6000
W artykule przedstawiono wyniki badań jakości zgrzewania nową metodą, polegającą na
zgrzewaniu tarciowym z mieszaniem materiału zgrzeiny stopów aluminium serii 6000. Złącza
wykonywano na zgrzewarce zbudowanej z wykorzystaniem konwencjonalnej frezarki. Jakość
złączy oceniono na podstawie badań wizualnych, wytrzymałościowych i zmęczeniowych oraz na
podstawie analizy budowy strukturalnej zgrzein i badania twardości. Celem badań było poznanie
wpływu warunków zgrzewania na wytrzymałość doraźną i zmęczeniową złączy oraz na budowę
strukturalną zgrzein. Sprawdzono również wpływ szczeliny między zgrzewanymi płytami na
jakość zgrzewania. Wyniki badań wskazują na dobrą zgrzewalność stopów aluminium serii 6000
metodą FSW – poprawne złącza można uzyskać w szerokim zakresie parametrów zgrzewania, a
wytrzymałość tych złączy jest zadowalająca. W celu uzyskania złączy o najwyższej jakości elementy muszą być dociśnięte do siebie, a proces zgrzewania nie może być prowadzony z nadmierną
prędkością.
Słowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe, zgrzewanie FSW, stopy aluminium
1. WPROWADZENIE
Zgrzewanie metodą FSW (zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału
zgrzeiny) jest coraz bardziej znaną na świecie metodą łączenia różnorodnych
materiałów. Na rysunku 1 przedstawiono zasadę zgrzewania oraz stanowisko
zbudowane w Instytucie Spawalnictwa. Ze względu na wysoki koszt materiału
na narzędzia mieszające materiał zgrzeiny zastosowanie tej metody do łączenia
stali, tytanu i innych materiałów o wysokiej temperaturze uplastycznienia ciągle
pozostaje w sferze prób laboratoryjnych. W przypadku stopów aluminium narzędzie można wykonać ze stali narzędziowej szybkotnącej. Możliwości tej metody są bardzo obiecujące i pozwalają na stosowanie jej do wydajnego łączenia
nawet niespawalnych stopów aluminium w dowolnej konfiguracji [6].
∗ Dr inż.
∗∗ Mgr inż.
Zakład Technologii Zgrzewania Instytutu Spawalnictwa.
94
A. Pietras, B. Rams, A. Węglowska
na
spł
yw
u
Vzg
Str
o
Str
on
a
na
tar
cia
Vn
Rys. 1. Schemat zgrzewania metodą FSW i stanowisko do zgrzewania
Fig. 1. Pictorial diagram of the FSW process and the test stand
Przedstawione badania stanowią cześć badań związanych z oceną wpływu
warunków zgrzewania prowadzonego z wykorzystaniem konwencjonalnych
frezarek na jakość złączy [4, 5]. Przytoczono wyniki zgrzewania powszechnie
stosowanych stopów aluminium serii 6000, których głównymi składnikami są:
magnez, krzem i mangan. Dodatek tych pierwiastków wpływa na poprawę właściwości wytrzymałościowych oraz odporności na korozję. Natomiast występujące w tych stopach miedź i żelazo, poprawiając właściwości wytrzymałościowe,
powodują zarazem zmniejszenie odporności na korozję.
Materiały te można łączyć innymi metodami spawalniczymi, np. za pomocą
spawania łukowego, lecz wysoka jakość złączy uzyskiwanych metodą FSW i jej
wydajność skłaniają do stosowania tej metody w najbardziej odpowiedzialnych
konstrukcjach.
2. BADANIA WARUNKÓW ZGRZEWANIA METODĄ FSW
2.1. Stanowisko badawcze i materiał do badań
Badania zgrzewania prowadzono na zgrzewarkach tarciowych zbudowanych
z wykorzystaniem konwencjonalnych frezarek. W Instytucie Spawalnictwa była
to frezarka FYF 32JU2. Podczas badań zastosowano dwa rodzaje narzędzi: narzędzie konwencjonalne – wyposażone w trzpień w postaci nagwintowanego
wałka oraz tzw. narzędzie Triflute – z trzpieniem mającym dodatkowe wycięcia
poprawiające przemieszczanie uplastycznionego materiału. Narzędzia wykonano
ze stali szybkotnącej wolframowo-molibdenowej (SW7M).
Do badań jakości zgrzewania wybrano stopy serii 6000 najczęściej stosowane
w różnorodnych konstrukcjach: 6005, 6063, 6082 o grubości 6 i 10 mm. Płyty
do badań dociskano do siebie, unieruchamiano za pomocą specjalnych uchwy-
Zgrzewanie tarciowe metodą FSW stopów aluminium serii 6000
95
tów na zgrzewarce i zgrzewano doczołowo bez oczyszczania powierzchni styku.
Serię próbek zgrzewanych z parametrami nr 5 (tabl. 1) wykonano w warunkach
gwarantujących powstanie prawidłowej i odpowiednio wytrzymałej zgrzeiny,
lecz w obszarze styku płyt pozostawiono szczelinę szerokości 1,8 mm.
Badania miały na celu poznanie wpływu warunków zgrzewania prowadzonego z użyciem konwencjonalnych frezarek na wytrzymałość doraźną i zmęczeniową złącza oraz na budowę strukturalną zgrzeiny. W celu określenia wpływu
niedokładnego przygotowania obszaru zgrzewania na jakość powstałej zgrzeiny
wykonano próby zgrzewania z pozostawieniem szczeliny w styku płyt.
2.2. Nieniszczące badania złączy
Wykonane złącza poddano rutynowym badaniom nieniszczącym: wizualnym
oraz radiograficznym.
Przebieg zgrzewania wszystkich badanych zestawów materiałów był podobny – ustabilizowane, prawidłowe tworzenie złącza FSW, bez widocznych nierówności powierzchni oraz bez klejenia się materiału do narzędzia.
Jak wynikało z badań, wszystkie złącza miały poprawną budowę lica zgrzeiny, z nieznacznym odciskiem od wieńca opory, bez widocznych nieciągłości i
odkształceń. Od strony grani brak było śladów na linii styku. Powierzchnia była
ciągła, gładka i pozbawiona jakichkolwiek nieciągłości. Nawet złącza wykonane
ze specjalnie przygotowaną szczeliną między płytami nie wykazywały żadnych
wad oraz nieciągłości struktury, które byłyby widoczne od strony lica czy grani.
Badania radiograficzne wykonane na urządzeniu Seifert Eresco 200HF nie
wykazały żadnych wad i nieciągłości w prawidłowo wykonanych zgrzeinach,
bez względu na stosowane parametry procesu zgrzewania. Wszystkie złącza
cechowały się pełną ciągłością metaliczną wzdłuż linii zgrzeiny.
Radiogramy złączy serii nr 5, wykonanych ze szczeliną, wykazały występowanie pustek i nieciągłości w formie półkolistych szczelin wzdłuż badanych
zgrzein (rys. 2). Takie nieciągłości jak na rys. 2 obserwowano na radiogramach
wszystkich złączy wykonanych ze szczeliną pomiędzy płytami.
Rys. 2. Radiografia złącza ze szczeliną pomiędzy płytami; parametry zgrzewania nr 5, tablica 1
Fig. 2. Radiogram of the joint with gap between plates. Welding parameters: no 5, Table 1
96
2.3. Wytrzymałość złączy zgrzewanych
Badania wytrzymałości złączy w próbie rozciągania wykonano zgodnie z
normą [3]. Z płyty próbnej, z obszaru zgrzewania wycięto próbki o szerokości
25 mm i na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 4210 rozciągano złącza aż
do zerwania. Wyniki badań w próbie rozciągania złączy wykonanych w różnych
warunkach zgrzewania zestawiono w tablicy 1.
Tablica 1
Wyniki badań wytrzymałości złączy FSW w próbach rozciągania
Results of the tensile tests of FSW joints
Nr
para- Stop Al
metru
1
6082
1)
Grubość
płyty
[mm]
6
Parametry zgrzewania
Vn
Vz
[obr/min] [mm/min]
1000
800
2
6082
6
1000
800
3
6082
6
1000
800
4
6082
6
1000
800
5
6
7
8
6082
6063
6063
6063
6
10
10
10
1000
560
710
900
800
180
224
280
9
6063
10
1120
355`
10
6063
10
1400
450
11
12
6063
6005
10
10
1400
710
710
224
13
6005
10
900
280
14
6005
10
1400
450
Wytrzymałość Rm1)
Uwagi
[MPa]
240,7
zniszczenie po stronie
natarcia (1 próbka po stronie spływu)
245,6
spływu (1 próbka po stronie natarcia)
245,6
natarcia
232,4
spływu
197,6
zniszczenie w zgrzeinie
130,1
135,5
151,2
natarcia
153,1
natarcia
155,1
natarcia
105,0
209,1
spływu
214,5
spływu
216,1
spływu
Średnia z 5 prób.
Zgrzewane próbki wykonywano w następujących warunkach (tabl. 1): parametr nr 1 – narzędzie Triflute, długość trzpienia 5,8 mm, nr 2 – narzędzie konwencjonalne, długość trzpienia 5,8 mm, nr 3 – narzędzie Triflute ze zwiększoną
siłą docisku wieńca opory, nr 4 – narzędzie „zużyte”, długość trzpienia 5,2 mm,
nr 5 – narzędzie Triflute ze szczeliną między płytami 1,8 mm, nr. od 6 do 14 –
narzędzie konwencjonalne, długość trzpienia 9,7 mm.
97
Złącza wykonane z płyt grubości 6 mm poddano próbom zginania. Trzpień w
próbach zginania miał średnicę 25 mm. Próby zginania wykazały, że wszystkie
badane złącza ulegały zgięciu bez pęknięcia, naderwań i jakiegokolwiek uszkodzenia. Kąt gięcia od strony lica i od strony grani wynosił 120°.
W wybranych warunkach zgrzewania przygotowano złącza do badań zmęczeniowych. Zbadano wytrzymałość zmęczeniową złączy wykonanych w warunkach zapewniających wysokie właściwości wytrzymałościowe w próbie rozciągania (parametry zgrzewania nr 1, tabl. 1) oraz zbadano wytrzymałość zmęczeniową złączy wykonanych przy tych samych parametrach zgrzewania, lecz
ze specjalnie przygotowaną szczeliną pomiędzy zgrzewanymi płytami (parametry zgrzewania nr 5, tabl. 1).
Trwałość zmęczeniową badano na maszynie Instron 8502 w temperaturze
otoczenia, przy kontrolowanej wartości siły, stałej wartości współczynnika asymetrii cyklu R = 0,2 i częstotliwości obciążenia f = 10 Hz. Próby prowadzono do
trwałego rozdzielenia próbki w obszarze części pomiarowej. Rejestrowano wartości siły, przemieszczenie oraz odkształcenie. W tablicy 2 zamieszczono wybrane wyniki badań i zdjęcia wybranych, charakterystycznych przełomów.
W analizie regresji uwzględniano wszystkie wyniki z trzech poziomów naprężeń (110, 130 i 150 MPa – seria nr 1 oraz 130, 146 i 159 MPa – seria nr 5).
Na podstawie parametrów linii regresji obliczono wartość granicy zmęczenia
jako wartość maksymalnego naprężenia w cyklu, dla którego trwałość osiągnie
wartość 2 000 000 cykli.
Tablica 2
Wybrane wyniki badań zmęczeniowych złączy zgrzewanych FSW
Results of the fatigue tests of selected FSW joints
Nr próbki
1.2
Naprężenie
S [MPa]:
110,16
Trwałość:
693 807
5.2
Naprężenie
S [MPa]:
146,68
Trwałość:
290 503
Postać uszkodzenia
Nr próbki
1.6
Naprężenie
S [MPa]:
150,28
Trwałość:
120 742
Postać uszkodzenia
5.7
Naprężenie
S [MPa]:
134,52
Trwałość:
57 727
W przypadku serii nr 1 wartość granicy zmęczenia Z1R=0,2 = 92,4 MPa. Według zaleceń MIS’u badane złącza charakteryzują się dobrą wytrzymałością
98
zmęczeniową [1]. Dwie próbki poddano próbie sprawdzającej trwałość zmęczeniową przy obliczonym naprężeniu nominalnym Z1R=0,2. Badania przerwano po
osiągnięciu przez próbki trwałości ponad 2 100 000 cykli.
W przypadku serii nr 5 z uzyskanych rezultatów nie można było wyznaczyć
wartości granicy zmęczenia Z5R=0,2. Z wybranych wyników obliczono Z5R=0,2 =
= 130,0 MPa. Testy na dwóch próbkach sprawdzających wykazały, że próbki te
ulegały zniszczeniu przy stosunkowo niewielkiej liczbie cykli (749 677 cykli –
pierwsza próbka i 727 074 cykle – druga próbka).
2.4. Budowa strukturalna zgrzein
Badano budowę strukturalną zgrzein złączy wykonywanych w różnych warunkach zgrzewania.
W zależności od prędkości zgrzewania widoczny jest wpływ oddziaływania
wieńca opory i trzpienia narzędzia na nagrzewanie materiału i formowanie
zgrzeiny. Na rysunku 3 zestawiono struktury zgrzein wykonywanych w różnych
warunkach zgrzewania. Przy małych prędkościach obrotowych (560 obr /min)
a
b
c
d
e
f
Rys. 3. Struktura zgrzein wykonywanych w różnych warunkach zgrzewania; traw. Keller, parametry zgrzewania według tablicy 1: a) nr 6, b) nr 7, c) nr 8, d) nr 9, e) nr 10, f) nr 11
Fig. 3. The structure of the welds made with different welding conditions. Etching Keller. The
welding parameters: Table 1 a) no 6, b) no 7, c) no 8, d) no 9, e) no 10, f) no 11
99
wyraźnie jest widoczny wpływ ciepła powstającego od strony wieńca i uplastyczniającego materiał wokół wirującego narzędzia. Zgrzeina przybiera kształt
trapezoidalny i chociaż widoczny jest charakterystyczny kształt cebulowy jądra
zgrzeiny, to jednak linia tlenkowa przebiega w poprzek zgrzeiny – od powierzchni lica w kierunku grani. W niektórych złączach w próbie rozciągania
zniszczenie następowało wzdłuż tej linii. Przy dużych prędkościach obrotowych
(1400 obr/min) zgrzeina przybiera wyraźny kształt koncentrycznie uformowanych okręgów. Oddziaływanie wieńca opory jest minimalne, a trzpień narzędzia
wywiera decydujący wpływ na budowę zgrzeiny.
Pomiar twardości złączy wykazał jej przebieg typowy dla złączy stopów
6000 – wzrost twardości w centralnych obszarach zgrzeiny (jądra) i zmniejszoną
twardość w SWC. Typowy profil twardości złącza przedstawiono na rys. 4.
Zgrzeiny wykonywane w niekorzystnych warunkach – ze szczeliną między
zgrzewanymi płytami – miały wady w postaci pustek i nieciągłości, ulokowane
głównie w obszarze grani zgrzeiny i tuż pod powierzchnią lica (rys. 5).
100
Twardość HV1
90
80
Linia A
70
Linia B
60
Linia C
50
Linia D
40
Linia E
30
20
10
0
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
Numer pomiaru
Rys. 4. Typowa twardość zgrzeiny FSW, stop 6082
Fig. 4. Typical hardness profile of the FSW weld. Aluminium alloy 6082
a)
b)
Rys. 5. Fragment struktury zgrzeiny wykonanej ze szczeliną między płytami; parametry zgrzewania nr 5 w tablicy 1: a) przekrój podłużny, b) przekrój poprzeczny w obszarze pustki; traw. Keller
Fig. 5. The fragment of the weld structure made with the gap between the plates. The welding
parameters: Table 1 no 5. a) longitudinal section, b) cross section. Etching Keller
100
3. PODSUMOWANIE
Badania zgrzewania wykonanego w różnych warunkach wykazały, że odpowiednią jakość złączy pod względem wytrzymałości i budowy strukturalnej
zgrzeiny można uzyskać przy stosunkowo dużym zakresie parametrów procesu.
Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej zmienia się jednak budowa zgrzeiny.
Przy małych prędkościach obrotowych na proces nagrzewania i uplastyczniania
materiału w obszarze zgrzewania wywiera wpływ wieniec opory. Zgrzeina przybiera postać trapezoidalną, a w jej strukturze da się zauważyć linię tlenkową,
wzdłuż której złącze może ulec zniszczeniu.
Gdy proces jest prowadzony z dużą prędkością obrotową, zgrzeina ma bardziej regularny kształt z charakterystyczną cebulową budową jądra. Tlenki z
powierzchni płyt są równomiernie rozmieszczone w obszarze zgrzeiny. Rola
trzpienia narzędzia w procesie tworzenia zgrzeiny jest w tym przypadku dominująca. Zniszczenie złącza o takiej budowie przebiega najczęściej w obszarze
styku strefy wpływu ciepła i strefy odkształcenia termomechanicznego materiału. Przy bardzo dużych prędkościach obrotowych i prędkościach zgrzewania
pojawiają się w strukturze zgrzeiny wady w postaci pustek i nieciągłości, usytuowane w obszarze lica zgrzeiny po stronie natarcia. Wady te pogarszają jakość
zgrzeiny i właściwości wytrzymałościowe całego złącza.
Pomiar twardości złączy wykazał typowy przebieg dla złączy stopów 6000 –
wzrost twardości w centralnych obszarach zgrzeiny (jądra) i zmniejszenie w
SWC. Od strony lica zgrzeiny twardość jest nieznacznie większa niż od strony
grani. Uwidacznia się w ten sposób wpływ wieńca opory, oddziałujący na zgrzeinę od strony lica.
Badania zmęczeniowe złączy wykonanych w korzystnych warunkach procesu wykazały, że złącza zgrzewane metodą FSW charakteryzują się dobrą wytrzymałością zmęczeniową, większą od wytrzymałości złączy spawanych łukowo [2]. Jest to tym bardziej istotne, że próbki do badań wycinano ze złączy bez
jakiejkolwiek obróbki lica zgrzeiny. Duży wpływ na wytrzymałość zmęczeniową mają natomiast wady budowy strukturalnej zgrzein – jak w przypadku złączy
wykonywanych ze szczeliną pomiędzy blachami. Przypadkowość usytuowania
tych wad oraz ich duża ilość i wielkość mogą poważnie ograniczyć przydatność
takich złączy na odpowiedzialne konstrukcje.
Jak wynika z badań, stopy aluminium serii 6000 są dobrze zgrzewalne metodą FSW przy stosunkowo dużym zakresie parametrów zgrzewania. Odpowiednią jakość złączy można uzyskać, zachowując podstawowe warunki poprawnego
zgrzewania.
101
4. WNIOSKI
− W stosunkowo szerokim zakresie parametrów zgrzewania płyt ze stopów
aluminium serii 6000 można uzyskać zgrzeiny o poprawnej budowie strukturalnej i wysokiej wytrzymałości.
− Wraz ze zmianą prędkości zgrzewania zmienia się budowa strukturalna
zgrzein. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej w centralnych obszarach zgrzeiny pojawia się coraz bardziej widoczna, charakterystyczna cebulowa struktura,
zwana jądrem zgrzeiny.
− Wzrost prędkości obrotowej narzędzia powoduje spadek oddziaływania
wieńca narzędzia na proces nagrzewania i odkształcania materiału zgrzeiny.
− Zbyt duża prędkość zgrzewania powoduje powstawanie nieciągłości struktury w obszarze lica zgrzeiny, co zmniejsza wytrzymałość złącza.
− Zbyt duża szczelina pomiędzy zgrzewanymi płytami powoduje powstawanie nieciągłości struktury w obszarze grani zgrzeiny, co zmniejsza wytrzymałość złącza.
LITERATURA
[1] Hobbacher A., Recommendations for fatigue design of welded joints and components. IIW
document XIII-1965-03/XV-1127-03, Update, July 2003.
[2] Kristensen J. K., Pietras A. i in., Properties of Friction Stir Welded Joints in the Aluminium
Alloys 2024, 5083, 6082, 6060 and 7075, in: 5th International Friction Stir Welding Symposium, Metz 2004.
[3] PN-EN ISO 14273:2005 Wymiary próbki i procedura badania na ścinanie złączy zgrzewanych
rezystancyjnie punktowo, liniowo i garbowo.
[4] Projekt międzynarodowy EuroStir Σ!2430 European Industrialisation of Friction Stir Welding,
2000-2005.
[5] Projekt międzynarodowy Lostir COOP-CT-2004-508587 Development of a low cost processing unit for friction stir welding, 2004-2006.
[6] Thomas W. M., Friction stir butt welding, GB patent 9125978, 6.12.1991, International patent
application PCT/GB92/02203.
Praca wpłynęła do Redakcji:28.03.2007
Recenzent: prof. dr hab. inż. Jerzy Nowacki
FSW OF ALUMINIUM ALLOYS SERIES 6000
S u m m a r y
The results of the quality investigations of joints made of aluminium alloys of the 6000 series,
welded with the use of the Friction Stir Welding (FSW) are presented in this paper. Joints were
made on the welding machine, built on the base of the conventional milling machine. The quality
assessment of joints were carried out on the basis of the visual inspection, tensile and fatigue tests,
102
structural examination of the welds and of the hardness measurements. The purpose of the research
was to get to know the influence of the welding conditions of the FSW process, realized on the
conventional milling machine, on the tensile strength, the fatigue strength and on the structure of
welds. The influence of the gap, placed between two welded plates, on the quality of joints was
verified. Investigation results indicate that tested alloys are weldable with the FSW method. It is
possible to make the correct joints in the wide range of the welding parameters. The strength of
these joints is also satisfactory. In order to obtain the joints of a very high strength, welded elements have to be press against and welded with the right linear velocity.
Key words: friction welding, FSW, aluminium alloys

plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

Transkrypt

Podobne dokumenty

Technik Utrzymania Ruchu - Specjalista Procesów

Pakowarka (foliarka)pozioma do bielizny

Inżynier Technolog Laborant

zastosowanie fal ultradźwiękowych do oceny jakości połączeń