NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 11 - 14 11

D. Runčev

ZAVARIVANJE TRENJEM ALUMINIJUMA I ALUMINIJUMSKIH LEGURA

FRICTION WELDING OF ALUMINIUM AND ALUMILIUM ALLOYS

Pregledni rad / Review UDK/UDC: 621.791.14:669.71

Rad primljen / Paper received: 04.09.2001.

Adresa autora / Author's addres: Doc. dr Dobre Runčev Mašinski fakultet, Univerzitet Sv. Kirilo i Metodije PF 464, 1000 Skopje, Makedonija

Ključne reči:

Keywords: zavarivanje trenjem, aluminijum, Al legure, mehaničke osobine, oprema, industrijska primena

Friction welding, Aluminium, Al alloys, Mechanical properties, Process equipment, Industrial application

Izvod

U radu je prikazan pregled razvoja, osobine i primena novog poostupka zavarivanja trenjem. Ovaj postupak zavarivanja, poznat kao Friction Stir Welding (FSW), najćešće se koristi za zavarivanje Al i Al legura i sličnih materijala.

Abstract

This paper presents a review to the development, the characteristic of one new friction welding method. This method of welding is known as Friction Stir Welding (FSW) and is used most frequently for welding of aluminium or aluminium alloys and similar materials.

UVOD Klasično zavarivanje trenjem poznato je još od 1956. godine. To je postupak kojim se zavaruju pretežno rotaciono simetrični delovi. Ovim postupkom mnogo je teže zavariti pljosnate i velike delove.

Zbog ograničene zavarivosti, Al i njegove legure najčešće se zavaruju elektrolučnim postupcima MIG/TIG ili plazma lukom, a u novije vreme i laserom. Decembra 1991. Wayne Thomas i saradnici sa TWI (The Welding Institut Cambridge UK), prvi put su prikazali rezultat svog dugogodišnjeg istraživanja iz oblasti zavarivanja trenjem Al i njegovih legura. To je novi postupak, poznat kao Friction Stir Welding (FSW) [1,2,3,4,5].

Od patentiranja FSW postupka (početkom 1992.), do maja 1999. godine (oficijelno licencom) postupak je primenjen u proizvodnom procesu 37 firmi širom sveta. Danas je najviše zastupljen u skandinavskim zemljama (Norveška i Švedska), u Velikoj Britaniji, SAD, Japanu i Australiji.

Nivo komercijalne primene i broj patenata iz ove oblasti zavarivanja svakodnevno se uvećava. Od strane TWI izrađeno je više naučnih projekata, a neki su još u fazi izrade. Vršena su istraživanja u oblasti zavarivanja Al i njegovih legura: AlCu (AA2xxx), AlMg (AA5xxx), AlMgSi (AA6xxx), AlZn (AA7xxx) i AlLi (AA8xxx), a u toku su istraživanja zavarivanja legura tipa AlMn i AlSi, kao i drugih metala: Mg, Ti, Cu, Pb i Zn, pa čak i mogućnost zavarivanja čelika [13].

OSNOVI FSW POSTUPKA ZAVARIVANJA Zavarivanje postupkom FSW zasniva se na zagrevanju usled trenja rotirajućeg alata i dva nepokretna, sučeono pritisnuta dela, koji se spajaju (sl. 1).

Alat rotira oko svoje ose i kreće se u pravcu zavarivanja određenom brzinom. Rotirajući alat velikom snagom pritiska osnovne materijale, dovodi do njihovog zagrevanja i plastičnosti po celom preseku, čime su stvoreni uslovi za intenzivniju difuziju. Osnovni materijal se zagreva od 150 do 200 °C, u zavisnosti od hemijskog sastava, oblika, mera i režima zavarivanja. Režim zavarivanja čine: oblik i dimenzija alata, njegova brzina rotacije i brzina pomeranja.

Alat je cilindričnog oblika određenog prečnika, a završava se konusnim klinom manjeg prečnika, i visine koja odgovara debljini zavarivanih delova. Alat može da bude jednodelan, kada su telo i klin izrađeni jednodelno od istog materijala. Najčšće se izrađuje dvodelno, kada su čelo tela i klin izrađeni

od tvrđeg materijala. Telo alata može da ima i žlebove, t.j. rebra za intenzivnije hlađenje [4, 5, 6].

Slika 1. Alat za zavarivanje postupkom FSW

Proces zavarivanja se odvija u četiri faze (sl. 2).

a) faza 1 b) faza 2 c) faza 3 d) faza 4

Slika 2. Faze procesa zavarivanja

Proces zavarivanja počinje rotacijom alata oko svoje ose (sl. 2a); po postizanju određene brzine rotacije alat se spušta prema osnovnim materijalima (sl. 2b); klin ulazi celom svojom visinom po preseku zavarivanih delova, sve dok ne dođe do dodira između čela alata i površine zavarivanih delova (sl. 2c). Posle kratkog zadržavanja pomeranje alata u pravcu zavarivanja (sl. 2d) se nastavlja određenom brzinom. Na kraju se alat podiže, klin izlazi iz osnovnih materijala i prestaje rotacija. Početak i kraj zavarivanja su na određenom otstojanju od ivica radnih komada. Na kraju šava ostaje šupljina, oblika koji odgovara obliku klina (sl. 3). Početak i završetak šava se obično odseku ili se koriste produžne pločice [3].

SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ

12 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 11 - 14

Slika 3. Izgled završetka zavarenog šava

Vrste zavarenih spojeva Ovim postupkom najčešće se izrađuju sučeoni i preklopni, a mnogo ređe ugaoni šavovi (sl. 4).

Slika 4. Vrste zavarenih spojeva

Najčešće se sučeono spajaju radni komadi debljine od 1.2 do 100 mm. Zavarivanje može da se izvede jednostrano ili dvostrano. Najoptimalnije je zavarivanje sučeonih spojeva debljine 1.6 do 10 mm, a preklopnih, debljine 1.2 do 6.4 mm.

Na slici 5 prikazan je dvostrani sučeoni spoj, radnih komada debljine od 75 mm.

Na slici 6 prikazan je jednostrani preklopni spoj radnih komada: valjana ploča debljine 6 mm i odlivak debljine 15 mm.

Na slici 7 prikazani su makro snimci jednostranog sučeonog (a) i preklopnog (b) spoja radnih komada od legure AlCu, debljine od 6.4 mm.

Slika 5. Dvostrani sučeoni spoj

Slika 6. Jednostrani preklopni spoj

a) sučeoni spoj b) preklopni spoj

Slika 7. Makro snimci zavarenih spojeva legure AlCu

Strukturne zone Metalografskim istraživanjima strukture zavarenih spojeva izvedenih ovim postupkom, uočeno je nekoliko karakterističnih zona (sl. 8) [12].

Slika 8. Karakteristične strukturne zone spoja

A. Zona osnovnog materijala, koja nije pretrpela nikakve promene.

B. Zona koja je bila pod uticajem toplote nastale za vreme zavarivanja.

C. Zona termodinamički izmenjene strukture, koja je plastično deformisana, i koja, u uskoj graničnoj oblasti, ima deo u kojem je nastala rekristalizacija.

D. Dinimački rekristalisana struktura, Nugget, gde se uočavaju linije nalik na poprečni presek stabla, tzv. linije starosti, godovi.

Veličina zona B, C i D zavisi od: vrste zavarivanog materijala, njegovog oblika i dimenzija; veličine alata za zavarivanje, brzine kojom rotira i kojom se pomera. Zona D je veća od prečnika trna alata, a manja od prečnika tela alata.

Mehaničke osobine zavarenih spojeva U dostupnoj literaturi o ovom postupku nalaze se rezultati statičkih i dinamičkih ispitivanja zavarenih spojeva: zatezanjem, savijanjem i ispitivanjem mikrotvrdoće [13, 14].

Šav se odlikuje visokim mehaničkim osobinama. Lom nastaje u zonama B i C šava. U ovim zonama i vrednosti mikrotvrdoće su manje. Povećanje čvrstoće i tvrdoće u zonama B i C postiže se termičkom obradom posle zavarivanja.

Zavareni spojevi se odlikuju visokom dinamičkom izdržljivošću. Tako, zavareni spoj delova legure AlMg debljine 5 mm, kod napona od 60 N/mm2 izdrži 9.3×103 promena ciklusa; zavareni spoj delova legure AlSi debljine 10 mm, kod napona od 60 N/mm2 izdrži 107 promena ciklusa, a kod napona od 150 N/mm2 izdrži 4×105 promena.

Mašine za zavarivanje Mašine za zavarivanje ovim postupkom najviše su razvijene u skandinavskim zemljama i Japanu. Najveći broj patenata iz oblasti konstruktivnih izvedbi mašina ima u Japanu. Mašina za duge šavove razvijena od ESAB (sl. 9), koristi se u Marine Aluuim Werft (Norveška), za zavarivanje brodskih panela i za železničke vagone. Ova mašina se koristi i za: teške profile, H-nosače, T-nosače i platforme; izrađuju se paneli dužine 6×16m i visine do 155 mm. Kod izrade nosača dužina je bez ograničenja, visina do 300 i širina do 400 mm. Materijali koji se zavaruju su Al legure, debljine od 1.6 do 15 mm. Legura AlSi (AA6082-T6) debljine 5 mm, zavaruje se brzinom od 0.7 m/min do 1.0 m/min. Mašina je u celini automatizovana [15, 16]. ESAB proizvodi i mašine manjeg radnog prostora, od 1 do 2 m (sl. 10).

NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 11 - 14 13

Slika 9. Mašina za duge šavove

Slika 10. Mašina za kratke šavove

Poslednjih godina u TWI izrađen je prototip mašine za zavarivanje (sl. 11) sa radnim prostorom 3.3 x 4.0 x 1.5 m, i brzinom zavarivanja od 1.7 m/min [17].

Slika 11. Mašina koncipirana u TWI

PRIMENA FSW POSTUPKA ZAVARIVANJA Primena FSW postupka za zavarivanje je velika i raznovrsna [8, 9, 10, 11]:

− u brodogradnji, u izradi: tela, poda, krova i drugih elementa;

− u mašinogradnji i građevinarstvu, u izradi: mostova, fasadnih elementa, krovnih i podnih konstrukcija, vrata, prozora i slično;

− u procesnoj industriji, u izradi: cevi, posuda i rezervoara manjih dimenzija;

− u industriji transportnih sredstava, u izradi: automobila, aviona, vagona; za izradu rezervoara za gorivo i elemenata tela transportnh sredstava;

− u elektrotehnici, u izradi tela elektromotora.

Na slici 12 prikazano je zavarivanje rezervoara za gorivo u avionskoj i raketnoj industrii.

Slika 12. Zavarivanje rezervoara

Primena u automobilskoj industriji je i kod proizvodnje bandaža. U firmi Hydro Aluminium (Norveška) zavaruje se telo bandaža izrađeno valjanjem, i glavčina, izrađena livenjem ili kovanjem. Na ovoj način smanjena je masa bandaža. U firmi Shoma Aluminium & Rubber (Japan) zavarene su vulkanizirane cevi prečnika od 20 do 30 mm. Ove cevi se koriste kod izrade amortizera za putničke automobile.

POREĐENJE FSW SA DRUGIM POSTUPCIMA Poređeno sa drugim postupcima zavarivanja radnih komada od Al i Al legura, postupak FSW ima niz prednosti, ali nije mali broj i nedostataka.

Kod ovog postupka nema dodatnog materijala i inertne zaštitne atmosfe. Proces zavarivanja se odvija uz malu potrošnju energije, oko 20 % od toplote unete kod MIG zavarivanja istog materijala, istog oblika i dimenzija. Nije potrebna dopunska oprema i mere zaštite, jer nema gasova, dimova, brizganja rastopljenog materijala, svetlosnog i toplotnog zračenja; moguće je eventualno povećanje buke, zbog trenja suvih površina.

Posle zavarivanja nije potrebna obrada lica šava, koje je već profilisano trenjem čelom alata.

Za legure tipa AlMgSi (AA 6xxx), jednim klinom alata može da se izvede preko 1000 m dužine šava.

Priprema površine za zavarivanje je znatno manja; obično samo odmašćivanje.

Pojava deformacije posle zavarivanja je znatno manja. Tako, na elementima dužine 12 m i debljine 2.8 mm, izmereni su najveći ugibi od 0.25 mm; kod širine elemenata od 6 m, sa 25 podužnih šavova dužine od 16 m , skraćenje je manje od 2 mm.

Najčešći nedostatci ovog postupka su: ograničena primena samo za izvođenje pravih šavova ili šavova velikog radiusa krivine; rad samo u radionici, ali ne i terenska montaža; isplativ postupak samo za velike proizvodne serije; zasad uspešno primenjen samo za zavarivanje Al i Al legura.

DALJI RAZVOJ Dalji razvoj FSW postupka zavarivanja trenjem je usmeren u više pravaca. Vrše se istraživanja mogućnosti primene i za druge materijale, i za spajanje raznorodnih materijala. U tom cilju, u firmi Alco Pittsburg (Pennsylvania USA), uvedeno je za vreme zavarivanja dopunsko elektrootporno zagrevanje osovnog materijala, proticanjem električne struje između klina alata i radnih komada.

SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ

14 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2002), str. 11 - 14

Velika su nastojanja da se celi proces zavarivanja robotizira, da bi se moglo zavarivati u različitim položajima. Tako je za zavarivanje konstrukcije automobila, nemački istraživački institut GKSS razvio prototip robota za zavarivanje ovim postupkom [17].

Očekuje se da nova dostignuća i pravci daljeg razvoja budu prezentovana na Trećoj međunarodnoj konferenciji FSW (27.09 - 28.09.2001. u Kobe, Japan) Prva Konferencija na ovu temu je održana 1999. godine u Rockwell Science Centar, housand Oaks (California USA), a druga 2000. (Gothenburg, Sweden) [18, 19].

ZAKLJUČAK Razvojem FSW postupka u mnogim aspektima je poboljšano, inače problematično, zavarivanje Al i Al legura. Šavovi su visokog kvaliteta, a sam proces, u određenim segmentima primene, je visoke produktivnosti .Daljim razvojem očekuje se anuliranje nekih nedostataka i potpuna automatizacija i robotizacija procesa, čime će se povećati kvalitet i proširiti industrijska primena ovog postupka zavarivanja.

LITERATURA [1] K.E. Knipström: New welding method for aluminium, ESAB

Svetsaren No 3, 1995, pp. 5-6. [2] N.N.: Friction welding of aluminium, ESAB Svetsaren No 1, 1995, pp.

30-31. [3] C.Dawes, W.Thomson: Friction stir joining of aluminium alloys, TWI

Bulltin 6, 1995, pp. 124-127. [4] S.Stoltz: Friction stir welding - Ein neues Schweißverfahren für

Alluminiumwerkstoffe, DVS Berichte, Band 200, S.1-8. [5] N.N.: A New Aluminium Welding Process,

www.frictionstirwelding.com [6] N.N.: Friction Stir Welding, www.fpe.co.uk [7] A.O.Kluken, M.Ranes: Aluminium bridge constructions – welding

tehnology and fatigue propeties, ESAB Svetsaren No 3, 1995, pp. 13-15.

[8] N.N.; Application of Friction Stir Welding to Automotive Lightweight Structures, www.ewi.org/ewi

[9] S.Kallee: Reibrührschweißen - Verfahren und Einsatzfäle, GKSS / TWI Workschop, 3 Mai,1999, S.4-17.

[10] H.Larson, L.Karlsson, L-E.Svensson: Friction Stir of AA 5083 and AA 6082 aluminium, ESAB Svetsaren No 2, 2000, pp. 6-10.

[11] F.Palm: Charakterisirung des Materialflusses beim Reibrührschweißen von Al-Legierungen, GKSS / TWI Workschop, 3.Mai. 1999, S.18-24.

[12] D.Engel: Anwendungsmöglichkeiten von FSW und Qualitätssicherung im Schiffbau, GKSS / TWI Workschop, 3.Mai. 1999, S.25-53.

[13] A.Strombeck, F.Torster, J.dos Santos, M.Kocak: Mikrostrukturelle und mechanische Eingeschaften von reibrührgeschweißten Verbindungen in Al-Legierungen, GKSS / TWI Workschop, 3.Mai. 1999, S.54-63.

[14] N.N: Continued success for ESAB Super StirTM, ESAB Svetsaren No 1, 2001, pp. 15.

[15] K.Weman: Euipment for aluminium welding, ESAB Svetsaren No 2, 2000, pp. 13.

[16] S.Kallee, D.Nicholas: Friction Stir Welding at TWI, www.twi.co.uk/bestparac/datashts/fswintro.html

[17] J.dos Santos, A.von Stombeck: RIFTEC - Ein Roboter lernt neue Schweißtechniken, GKSS, Unter Uns, 1998, S.8.

[18] P.Threadgill, S.Kallee: Patentsituation und gruppengefördete Projekte am TWI, GKSS / TWI Workschop, 3.Mai. 1999, S.64-69.

[19] A.Norlin: A centrury of aluminium – a product of the future, ESAB Svetsaren No 2, 2000, pp. 31-33.

KonMat d.o.o. raspolaže stručnjacima i opremom za IBR metodama:

KonMat je angažovan na značajnim objekatima energetske i procesne industrije među kojima izdvajamo: TE “Nikola Tesla A”, TE “Nikola Tesla B”, TE “Morava”, Rafinerija nafte “Pančevo”, “Beočinska fabrika cementa”, Rafinerija nafte “Srpski Brod”, “Tehnogas”, “UTVA - Vozila”, “GOŠA”, “MIN”, DD “HIP Petroremont“,...

- vizuelna; - magnetnim česticama; - radiografija;

- površinska metalografija metodom uzimanja otiska mikrostrukture - replike.

Pored površinske, radimo i metalografiju na uzorcima i makro/mikro ispitivanje zavarenih spojeva u cilju kvalifikacije tehnologije zavarivanja.

- tečnim penetrantima;- ultrazvukom;- ispitivanje izolacije cevovoda;

- ultrazvučno merenje debljine zida;- merenje tvrdoće materijala prenosnim uređajem;- kontrola nepropusnosti vakuumskom metodom;- spektroskopska semikvantitativna hemijska analiza;

Svi rezultati ispitivanja kao i Izveštaji o ispitivanjima, sa foto-grafijama, mikrografijama, skicama i sl., kompjuterski se obrađuju i, posle predaje Izveštaja, trajno arhiviraju na kompakt diskovima. Pored pisanih Izveštaja i Elaborata o ispitivanjima i kontroli, na poseban zahtev Investitora, svi zapisi mogu biti dostavljeni i na CD-u.

Mikrografija prsline na radijusu T- fazonskog komada parovodameđupregrejane pare - replika, 200x

Mikrografija prslina na austenitnoj kapi rotora generatora,replika, 200x

Mikrografija prsline na livenom čeličnom prstenu mase 120t,replika, 200x