66

ZAVARIVANJE TRENJEM SA MEŠANJEM

FRICTION STIR WELDING

Dr Sebastian Baloš 1, Prof. Dr Leposava Šiđanin 1, Mr Dragan Rajnović 1, Dipl. hem. Vesna Vučić 2

1 Fakultet tehničkih nauka, Departman za proizvodno mašinstvo, Novi Sad 2 Prva Petoletka Promet, Fizičko hemijska laboratorija, Trstenik

PREGLEDNI RAD PO POZIVU Rezime

U radu je prikazana metoda zavarivanja trenjem sa mešanjem. Ova nova metoda zavarivanja obezbeđuje ostavrivanje visokokvalitetnih spojeva, posebno kod teško zavarljivih materijala poput legura aluminijuma i bakra, odnosno, legura aluminijum-cink-magnezijum. Takođe, ovom metodom se uspešno zavaruju i raznorodni materijali, kao što su legure aluminijuma i magnezijuma. Pri zavarivanju legura aluminijuma i magnezijuma, sa primenom optimalnog alata i pri optimalnim režimima zavarivanja moguće je dobiti zavareni spoj koji po čvrstoći prevazilazi osnovni materijal. Osnovni razlog postizanja visokih mehaničkih osobina leži u usitnjavanju zrna unutar centralne zone (grumena) i ostalih zona. Zavarivanje trenjem sa mešanjem je primenjivo u mnogim industrijskim sektorima, kao što je avio, železnička i auto – industrija. Ključne reči: zavarivanje trenjem sa mešanjem, prednosti i nedostaci, mehaničke osobine, alati, primena UVOD Zavarivanje trenjem sa mešanjem (ZTM, Eng. Friction stir Welding - FSW) predstavlja postupak zavarivanja u čvrstom stanju koje podrazumeva upotrebu trećeg tela, odnosno namenskog alata za spajanje dva radna predmeta [1]. Pored toga, ZTM obezbeđuje dobijanje zavarenih spojeva bez dodatnog materijala i zaštitnih gasova [2]. Šema postupka ZTM prikazana je na slici 1.

Slika 1 Šema ZTM [1]

Smer zavarivanja

Strana napredovanja

Povratna strana

Šav

Trn alata

Rame ili čelo alata

67

Princip dobijanja nerazdvojivih spojeva zasniva se na trenju između alata i osnovnog materijala (OM), čime se dobija povišena temperatura i ujedno dovodi do mešanja materijala dve ploče. Toplota se generiše na kontaktnoj površini alata i ploča usled trenja zbog rotacije i translacije alata, a spajanje vrši usled dejstva trna alata. Optimalna temperatura ZTM je približno 0.8 temperature topljenja. Upravo ova činjenica uzrokuje pogodnost za zavarivanje teško zavarljivih legura i raznorodnih materijala. Primera radi, ZTM je pokazalo značajne prednosti nad TIG (zavarivanje netopljivom elektrodom u zaštiti inertnog gasa) postupkom pri zavarivanju taložno ojačanih legura 7XXX i 2XXX (Al-Zn-Mg i Al-Cu), kog kojih topljenje uzrokuje raspad i rastvaranje taloga i samim tim drastičan pad mehaničkih karakteristika usled zamene taloga livenom strukturom karakterističnom za zavarene spojeve dobijene topljenjem [3-7]. Takođe, pri zavarivanju i lako zavarljivih legura poput 5XXX (Al-Mg), postižu se vrlo visoke efikasnosti spojeva koje mogu prevazići 100 %, odnosno, zavareni spoj poseduje veću zateznu čvrstoću u odnosu na osnovni materijal, Tabela 1 [8]. Takođe, pri ispitivanju savijanjem, dobijaju se veći uglovi do pojave prve prsline nego pri drugim postupcima zavarivanja (legure aluminijuma), Tabela 2. Pri zavarivanju raznorodnih materijala, kao što su legure aluminijuma i magnezijuma, postižu se vrlo visoke efikasnosti spojeva koje gotovo dostižu zatezne čvrstoće osnovnog materijala niže zatezne čvrstoće. Ostale prednosti postupka ZTM vezane su za odsustvo deformacija ili su deformacije izuzetno male (Slika 2), mogućnost poptune automatizacije procesa, kao i ekološke aspekte (nepotreban zaštitni gas, ne koristi se dodatni materijal i unos toplote je relativno mali). U nedostatke mogu da se ubroje: potreba za potpunim priljubljivanjem površina koje se spajaju (Slika 3), pojava izlazne rupe nakon izvlačenja alata (Slika 4), kao i otežano čišćenje alata od nalepa [9-14]. Visoke mehaničke karakteristike spojeva, posebno u pogledu zatezne čvrstoće, postižu se zahvaljujući mikrostrukturnim karakteristikama koje se bitno razlikuju od mikrostrukturnih karakteristika zavarenih spojeva dobijenih klasičnim postupcima sa topljenjem. Mikrostruktura spoja dobijenog FSW postupkom značajno zavisi od konstrukcionog rešenja alata, brzine rotacije, brzine zavarivanja, pritiska alata na ploče duž vertikalne ose, ugla pod kojim alat deluje na materijal i karakteristika materijala koji se zavaruje. U mikrostrukturi zavarenog spoja se može identifikovati nekoliko zona (Slika 4): zona uticaja toplote (ZUT), zona termomehaničkog uticaja (ZTMU), zona grumena i osnovni materijal. Grumen se karakteriše linijama tečenja materijala, s obzirom na pojavu intenzivne plastične deformacije. Unutar zona ZTM javlja se plastična deformacija, kao i dinamička rekristalizacija usled zagrevanja [15]. Tabela 1 Zatezne karakteristike legure aluminijuma 5052 i zavarenih spojeva ZTM i gasnim postupkom [8]

Postupak zavarivanja

Konvencionalni napon tečenja

Rp0.2% [MPa]

Rp0.2%šava/ Rp0.2%OM 100

[%]

Zatezna čvrstoća Rm

[MPa]

Rmšava/ RmOM 100

[%] Parametri

Osnovni materijal 124 - 193 - -

ZTM 153 124 207 107 1230 o/min; 46 mm/min

Gasno 99 79 120 62 Dodatni materijal – legura aluminijuma čistoće 99 %

Tabela 2 Savojne karakteristike (savijanje preko korena šava) legure aluminijuma 5052 i zavarenih spojeva ZTM i gasnim postupkom [8]

Postupak zavarivanja

Ugao pri prvoj prslini Ugao pri lomu Parametri

Osnovni materijal Bez loma Bez loma -

ZTM 55 Bez loma 1230 o/min; 46 mm/min

Gasno 24 69 Dodatni materijal – legura aluminijuma čistoće 99 %

68

Slika 2 Prikaz deformisanja elektrolučnim zavativanjem i ZTM [16]

Slika 3 Zavarivanje [17]

Slika 4 Zavareni spoj sa izlaznom rupom označenom strelicom [18]

69

Slika 5 Poprečni presek zavarenog spoja dobijenog ZTM: a - osnovni materijal, b - zona uticaja toplote (ZUT), c – zona termomehaničkog uticaja (ZTMU); d – grumen [19]

Geometrija alata Od patentiranja ovog postupka 1991.godine do danas, izrađen je velik broj različitih tipova alata namenjenih za zavarivanje materijala različitog hemijskog sastava i geometrije. Geometrija alata se odnosi na geometriju trna i geometriju čela alata. Geometrija trna alata je prikazana na Slikama 6 i 7.

Slika 6 Trnovi alata sa cilindričnim i koničnim oblikom: a) cilindrični alat; b) konični alat sa zavojnicom tipa

Whorl; c) konični alat sa zavojnicom i žljebovima tipa Triflute; d) asimetrični alat sa nagnutim trnom A-skew [20]

Slika 7 Trnovi alata sa poligonalnim ili približno poligonalnim oblikom: a) Trivex alat; b) MX-Trivex sa zavojnicom; c) profili trna alata [20]

a) b) c) d)

a) b) c)

a a

b b

c c

d

70

Rame ili čelo alata može da ima ravnu površinu ili ulegnuće različitog profila, što ima uticaj na usmeravanje tečenja materijala koji je istisnut na račun trna. Jedan od vrlo važnih parametara je odnos između zapremine ulegnuća (rezervoar) i trna, čime se može uticati na postizanje adekvatne mikrostrukture i izbegavanja pojave tunela. Alat sa ravnom površinom čela je prikazan na Slici 3a, na Slikama 3b,d i 4a,b je prikazan alat sa polutoroidnim rezervoarom, dok je na Slici 3c prikazan alat sa više uzanih polutoroidnih rezervoara, koji u nekim izvedbama mogu imati i oblik spirale.

Primena Od industrijskih sektora, brodogradnja i pomorska industrija su prve usvojile ZTM proces u komercijalnoj primeni. U vazduhoplovnoj industriji ovaj postupak pruža značajne prednosti u odnosu na primenu zakovica, što smanjuje troškove proizvodnje oplate trupa i krila. Komercijalna proizvodnja u železnici najviše se primenjuje za izradu vozova visokih performansi od aluminijuma, namenjenih za velike brzine (Shinkansen, TGV). Takode, u povoju je i primena u automobilskoj kao i drugim industrijskim granama [16, 21 - 23]. U Tabeli 5. navedeni su neki od proizvoda koje je moguće dobiti primenom ZTM postupka [20]. Metoda zavarivanja ZTM primenjuje se i na Departmanu za proizvodno mašinstvo FTN u Novom Sadu od 2012. godine. Neki od rezultata tri Master rada iz ove oblasti su prikazani u okviru ovog rada.

Slika 8 Oblasti primene ZTM [16, 21 - 23]

a) b)

c) d)

71

Tabela 3 Proizvodi koji se zavaruju ZTM postupkom [20]

Brodogradnja i pomorska industrija

Vazduhoplovna industrija

• paneli za palube, • zidovi, • vrata i prozori, • kutije i nadgradnja, • platforme za sletanje helikoptera, • elise, jarboli, • rashladna postrojenja

• krila i trup aviona, • rezervoari za tečni kiseonik, • rezervoari za gorivo, • proizvodnja raketa, • popravka grešaka na spojevima

izvedenim drugim postupcima.

Automobilska industrija

Železniča industrija

• lokomotive vozova za velike brzine, • vagoni (železnica, metro, tramvaji), • vagon cisterne i vagoni za prevoz roba, • kontejneri

Ostali sektori industrije

• motor i kolevke šasija, • šasije autobusa i ostalih vozila, • disk felne, • zavarivanje limova različitih debljina, • ramovi, • spajanje cevi livenih delova, • sanduci kamiona, • spajanje cevi cilindara, • teleskopski kranovi, • tankeri za gorivo, • stopice, • popravka karoserija automobila

od aluminijuma.

• ramovi za motocikle i bicikle, • kućišta elektro motora, • oprema za kuvanje i kuhinje, • bela tehnika, • cisterne i boce za gas, • nameštaj, • mnoge druge aplikacije.

Literatura: [1] Nandan R., Debroy T., Bhadeshia H.: Recent Advances in Friction Stir Welding: Process, Weldment

structure and Properties, Progress in Materials Science, Vol. 53, pg. 980 – 1023, 2008.

[2] Radisavljevic I., Zivkovic A, Radovic N.: Avoidance of tunnel type defects in FSW welded Al 5052-H32

plates, Welding & Welded Structures 1 (2012) 5-11.

[3] Ypekoglu G., Kiral B., Erim S., Cam G.: Investigation of the effect of temper condition on the friction-

stir weldability of AA7075 Al-alloy plates. Materials and technologies 46 (2012) 627-632.

[4] Fratini L., Buffa G., Palmeri D., Hua J., Shivpuri R.: Material flow in FSW of AA7075–T6 butt joints:

numerical simulations and experimental verifications, Science and technology of welding and joining

11 (2006) 412-421

[5] Mishra R. S., Ma Z. Y.: Material flow and microstructure in the friction stir butt welds of the same and

dissimilar aluminum alloys, Materials Science and Engineering A, 50 (2005) 1-78

72

[6] Threadgill P. L., Leonard A. J., Shercliff H. R., Withers P. J.: Friction stir welding of aluminium alloys,

International Materials Reviews 54 (2009) 49-93

[7] Magnusson L., Kallman L.: Mechanical Properties of Friction Stir Welds in Thin Sheet of Aluminium

2024, 6013 and 7475 2nd ISFSW, Gothenburg, Sweden, 26 – 28 June, 2000.

[8] Istraživanja u okviru Master rada Marka Čovića, FTN Novi Sad, 2013 (Mentor S. Baloš)

[9] Afrin N., Chen D. L., Cao X.: Microstructure and tensile properties of friction stir welded AZ31B

magnesium alloy Jahazi M., Mater. Sci. Eng. A, 472 (2008), 179-186

[10] Xie G. M., Ma Z. Y., Geng L.: Effect of microstructural evolution on mechanical properties of friction

stir welded ZK60 alloy, Materials Science and Engineering A, 486 (2008), 49-55

[11] Chowdhury S.M., Chen D. L., Bhole S. D., Cao X.: Tensile properties of a friction stir welded

magnesium alloy: Effect of pin tool thread orientation and weld pitch, Materials Science and

Engineering A, 527 (2010), 6064-6075

[12] DebRoy T., Bhadeshia H.: Friction stir welding of dissimilar alloys – a perspective

Science and Technology of Welding & Joining 15 (2010) 266-270

[13] Frigaard O.: A Process Model for FSW of Age Hardening Aluminium Alloys , Ph.D. Thesis,

Norwegian University of Science and Technology, Oslo, 1999

[14] Quyang J., Kovacevic R.: Material flow and microstructure in the friction stir butt welds of the same

and dissimilar aluminum alloys, Journal of Materials Engineering and Performance, 11 (2002), 51-63

[15] Jata K.V., Semiatin S.L., Continuous Dynamic Recrystallization During FSW of High Strength

Aluminium Alloys, Scripta Materialia 43 (2000) 743-749

[16] Kalee S. W., Nicholas E. D.: Causing a stir in future, Welding and Joining, Feb 98, 19-22

[17] Mijatović Z., Zavarivanje trenjem sa mešanjem legure aluminijuma i magnezijuma sa trouglastim

oblikom trna, Master rad, FTN Novi Sad, 2012 (Mentor S. Baloš)

[18] Mihajlov D., Zavarivanje trenjem sa mešanjem legure aluminijuma 5052 alatom sa zavojnicom,

Master rad, FTN Novi Sad, 2012 (Mentor S. Baloš)

[19] http://www.twi.co.uk/ “Microstructure Classification of Friction Stir Welds”

[20] Živković A., Doktorska disertacija, Univerzitet u Beogradu, Mašinski fakultet, Beograd, 2010

[21] http://en.wikipedia.org/wiki/File:SpaceX_factory_Falcon_9_booster_tank.jpg;

[22] http://www.esab.co.kr/Web-App/Upload/2012/04/05/Friction%20Stir%20Welding.pdf

[23] http://www.bil-ibs.be/sites/default/files/FSWAcier/FSW.pdf