iThink.pl - dziennikarstwo i publicystyka

WPROWADZENIE
Jednym z najpoważniejszych wyzwań stojących przed konstruktorami samochodów jest redukcja ciężaru elementów konstrukcyjnych pojazdu, takich jak nadwozie, ramy, karoseria, itp. Wiąże się to bezpośrednio z obniżeniem konsumpcji paliwa oraz emisji spalin, chociaż coraz częściej pod uwagę bierze się również mozliwość poprawy komfortu i bezpieczeństwa pasażerów poprzez wyposażenie auta w większą ilość akcesoriów: instalację klimatyzacyjną, dodatkowe wzmocnienia i usztywnienia, poduszki powietrzne, itp.

Cel ten można osiągnąć poprzez zastąpienie stali stopami metali lekkich: aluminium, magnezu czy tytanu, jednak wiążą się z tym pewne komplikacje, z których najpoważniejszą jest wybór odpowiedniej metody i parametrów spawania. Pomimo, że spawanie stopów aluminium posiada wieloletnią tradycję, to jednak specyfika przemysłu samochodowego, tzn. bardzo mała grubość elementów konstrukcyjnych (zazwyczaj 2-5 mm), oraz wymaganie wysokiej wydajności produkcji sprawiają, że tylko najbogatsi producenci samochodów, tacy jak Audi, Ford czy Mazda zdecydowali się na niemal całkowite zastąpienie stali stopami nieżelaznymi. Elementy nośne są najczęściej spawane metodą MIG – elektrodą topliwą w osłonie gazów obojętnych a karoseria, w większości przypadków, jest zgrzewana punktowo (RSW). Zaletą obu tych metod jest wysoka wydajność – jest to pierwszy warunek jaki wszystkie technologie stosowane w przemyśle samochodowym muszą spełnić. Pozostałe dwie metody spawania stopów aluminium: TIG (spawanie elektrodą nietopliwą w osłonie gazów obojętnych) oraz LBW (spawania wiązką lasera) są mniej rozpowszechnione. W przypadku metody TIG jej główną wadą jest niska szybkość spawania, obniżająca wydajność procesu, natomiast spawanie laserowe stopów aluminium, pomimo potencjalnie ogromnej wydajności, jest dość trudne z powodu bardzo niskiej absorpcyjności promieniowania laserowego przez aluminium. Znaczna część promieniowania lasera zostaje odbita od powierzchni i rozproszona w otoczeniu. Efektem jest konieczność używania laserów dużej mocy, rzędu kilku kW, oraz wykonywanie spoin na odosobnionych, ekranowanych stanowiskach.

Również z metalurgicznego punktu widzenia podczas spawania z przetopem niektórych stopów aluminium mogą wystąpić problemy związane z ich podatnością na pęknięcia. Pękanie spoin wykonanych w stopach aluminium jest uzależnione niemal wyłącznie od składu chemicznego spoiny, na który wpływ ma zarówno materiał rodzimy jak i ewentualny materiał elektrody (MIG) lub materiał dodatkowy (TIG, LBW). W połączeniu z bardzo dobrą przewodnością cieplną aluminium, która powoduje szybkie chłodzenie materiału, w spoinie powstają wysokie naprężenia spawalnicze, mogące z łatwością doprowadzić do zniszczenia złącza.

Wspomniana wcześniej przewodność cieplna aluminium, oraz wysoka rozpuszczalność wodoru w ciekłym aluminium i praktycznie brak rozpuszczalności w stanie stałym, powoduje w złączach spawanych z przetopem obecność pęcherzy gazowych [1] – krzepnięcie płynnego metalu jest tak szybkie, że proces dyfuzji rozpuszczonego gazu na zewnątrz spoiny jest utrudniony, a w skrajnym przypadku nawet zatrzymany (rys.1).

FRICTION STIR WELDING - ZGRZEWANIE TARCIOWE Z MIESZANIEM MATERIAŁU ZGRZEINY
Te oraz inne problemy związane ze spawaniem stopów aluminium nie dotyczą złącz wykonanych metodami, w których nie występuje zmiana stanu materiału spawanego. Jedną z takich metod jest Friction Stir Welding, znana w nomenklaturze polskiej jako zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny. Proces [2] ten wynaleziony został w roku 1991 w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. Elementem podstawowym procesu jest narzędzie, przypominające formą frez palcowy. Zazwyczaj złożone jest z dwóch części (rys.2): powierzchni czołowej (shoulder), oraz części penetrującej (pin). Narzędzie wprowadzone w ruch obrotowy zostaje dociśnięte do powierzchni materiału zgrzewanego aż do momentu, gdy powierzchnia czołowa zetknie się z materiałem zgrzewanym a część penetrująca zagłębi się w materiał. Tarcie pomiędzy narzędziem (w głównej mierze częścią czołową) a powierzchnią materiału powoduje wzrost temperatury materiału do około 0,8 temperatury topnienia [3]. W efekcie granica plastyczności materiału obniża się do poziomu, w którym materiał zachowuje się jak płyn o dużej gęstości.

Część penetrująca narzędzia, najczęściej o formie stożka gwintowanego, przemieszczając się wzdłuż linii złącza, powoduje mieszanie tak zmiękczonego materiału dwóch lub więcej części zgrzewanych, tworząc w efekcie zgrzeinę. W odróżnieniu od spoin wykonanych metodami z przetopem w tym przypadku mikrostruktura nie jest dendrytyczna, lecz zrekrystalizowana dynamicznie, o ziarnach osiągających średnie rozmiary rzędu 1-10 mm. Zgodnie z zależnością Halla-Petcha [4] wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów ziaren zwiększa się wytrzymałość materiału – faktycznie złącza FSW posiadają własności mechaniczne lepsze niż spoiny z przetopem [5]. Inną niezaprzeczalną zaletą tej metody jest brak odkształceń spawalniczych, które są typowym problemem przy konwencjonalnym spawaniu stopów aluminium. Brak zmiany stanu materiału zgrzewanego oznacza, że połączenie zgrzewanych części następuje w sposób niemal całkowicie mechaniczny (rys.3), z niewielkim tylko wpływem procesów dyfuzyjnych.

Jakość zgrzein FSW jest uzależniona od trzech głównych parametrów procesu:
· Szybkości obrotowej narzędzia [obr/min] – przedział wartości typowych to 300-3000 obr/min,
· Szybkości spawania [m/min] – zależy głownie od grubości i typu materiału spawanego; w przypadku stopów aluminium stosowanych w konstrukcji samochodów waha się od 0,3-1,5 m/min,
· Siły docisku narzędzia do powierzchni materiału [N] – docisk jest niezbędny by ograniczyć wypływ uplastycznionego materiału poza obszar zgrzewania; złącza pozbawione defektów wykonywane są przy sile docisku zawierającej się w zakresie 12-17 kN.

Pierwsze dwa parametry są ze sobą proporcjonalnie związane, tzn. zwiększając prędkość obrotową zwiększa się również prędkość spawania, a zatem i wydajność procesu. Jest to związane z większą ilością ciepła generowaną przy wyższych prędkościach obrotowych narzędzia trącego o powierzchnię materiału. Zastosowanie wysokiej prędkości obrotowej i niskiej prędkości spawania mogłoby doprowadzić do lokalnego wzrostu temperatury powyżej temperatury topnienia, szczególnie w przypadku stopów posiadających eutektyczny skład chemiczny, lub stopów charakteryzujących się wysokim stopniem mikro i makrosegregacji (produkty odlewnicze). Naturalnie w takim przypadku utracona zostałaby jednorodność złącza oraz większość korzyści związanych ze zrekrystalizowana dynamicznie strukturą. Wysoka wydajność procesu jest szczególnie widoczna w przypadku zgrzewania elementów o dużej grubości, ponieważ złącza wykonywane są jednym ściegiem. Na dzień dzisiejszy możliwe jest zgrzewanie stopów aluminium o grubości do 75mm i stali niskostopowych bądź nierdzewnych austenitycznych o grubości około 20mm. Ciekawym faktem jest brak zależności jakości zgrzeiny od grubości elementów zgrzewanych.

W porównaniu z klasycznymi metodami spawania z przetopem, FSW jest techniką ekologiczną, tzn. nie powoduje emisji gazów spawalniczych, żużlu, hałasu, czy też powstawania pól magnetycznych. W przypadku zgrzewania stopów aluminium kolejną zaletą jest brak konieczności usuwania pasywnej warstwy tlenków, co jest konieczne przy spawaniu z przetopem. Ponadto nie jest wymagana osłona gazów obojętnych, ponieważ nie występuje ryzyko powstania pęcherzy gazowych spowodowanych nadmierna ilością wodoru rozpuszczonego w aluminium.

ZASTOSOWANIA FSW W PRODUKCJI SAMOCHODÓW
Znaczna część złącz spawanych w konstrukcji samochodów jest wykonywana z wykorzystaniem elementów o rożnych grubościach, tzw. tailor welded blanks, w celu redukcji ciężaru i jednocześnie zapewnienia wystarczającej wytrzymałości elementów szczególnie obciążonych. Zgrzeiny FSW są pozbawione nadlewów lica czy wypływów grani, co znacznie zmniejsza ilość metalu a zatem i ciężar, bez konieczności mechanicznego usuwania nadmiaru materiału (frezowanie).

FSW umożliwia również wykonywanie złącz między rożnymi stopami tego samego metalu (np. rożnymi stopami aluminium), a nawet między stopami rożnych metali, bez problemów natury metalurgicznej. Fakt ten został wykorzystany np. przy produkcji felg aluminiowych. Dwie części tworzące felgę, wykonane z rożnych stopów aluminium i często przy użyciu rożnych technik (kucie, odlewanie, tłoczenie, itp.) są zgrzewane obwodowo przy użyciu FSW.

Innym zastosowaniem FSW jest produkcja elementów zawieszenia (rys.4). Dwa półwyroby (odlewy lub odkuwki) są zgrzewane liniowo, a następnie cięte na żądaną grubość. Oprócz wspomnianego wcześniej braku nadlewów czy nieregularności lica spoiny uzyskuje się znaczny wzrost wydajności produkcji. Wysoka jakość złącz i ich dobre własności mechaniczne, w tym wytrzymałość zmęczeniowa powodują, że elementy wykonane z wykorzystaniem FSW są montowane również w samochodach sportowych, które w trakcie eksploatacji poddawane są znacznym obciążeniom: Ford od kilku już lat stosuje zawieszenia zgrzewane FSW w modelach z serii GT.

Wszystkie z opisanych dotychczas przykładów zastosowań FSW dotyczyły wykonywania złącz liniowych na płaszczyźnie bądź w przestrzeni. Innym wariantem techniki FSW jest Friction Stir Spot Welding (FSSW, rys.5), czyli punktowe zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny, metoda opracowana w roku 2001 przez Mazdę [6] i wprowadzona do produkcji w roku 2003 w modelu RX-8, gdzie została wykorzystana do zgrzewania tylnich drzwi i dachu. FSSW zastąpiła tradycyjną metodę punktowego zgrzewania oporowego, dzięki czemu koszty produkcji związane ze zgrzewaniem zostały zredukowane o 99% (80% w przypadku elementów ze stali) ponieważ wyeliminowana została główna wada zgrzewania oporowego, czyli ogromny pobór energii elektrycznej związany z koniecznością wytworzenia znacznych gęstości prądu koniecznych do utworzenia pełnego przetopu.

PODSUMOWANIE
Klasyczne techniki spawania stosowane w przemyśle motoryzacyjnym do łączenia elementów wykonanych ze stopów aluminium mog powodują powodować powstawanie znacznej ilości defektów natury metalurgicznej. Zastosowanie techniki FSW w produkcji samochodów, zarówno podzespołów jak i w montażu końcowym, pozwoliło na osiągnięcie wyższej jakości złącz, oraz zwiększenie wydajności produkcji.

LITERATURA
[1] ADAMOWSKI J., GAMBARO C., Metallurgy of welded joints in 5xxx series Al alloys, Aluminium Days Conference, Bologna, 6-7 Listopad 2003.
[2] THOMAS W.M., NICHOLAS E.D., NEEDHAM J.C., MURCH M.G., TEMPLESMITH P., DAWES C.J., 1993. International Patent Application N° PCT/GB92/02203.
[3] MURR L.E., McCLURE J.C., Low-temperature friction stir welding of 2024 aluminum, Scripta Materialia 41 (1999), str.809-815.
[4] SATO Y., URATA M., KOKAWA H., IKEDA K., 2003. Hall-Petch relationship in friction stir welds of equal channel angular pressed aluminium alloys, Materials Science and Engineering A 354, str.298-305.
[5] DALLE DONNE C., BRAUN R., STANIEK G., LBW and FSW of 6013-T6 aluminium alloy sheet, Mat.-wiss. U. Werkstofftech. 31 (2000), str.1017-1026.
[6] FUJIMOTO M., Development of spot FSW robot system for automotive body members, 3rd international Friction Stir Welding Symposium , Kobe, 27-28 wrzesien 2001.

1. Mateusz | 22:21 16-08-2006

rzetelne opracowanie

2. Kamil | 15:19 06-01-2007

Na prawdę bardzo dobre opracowanie.
Gratuluje.
A ja wlasnie pisze magisterke z tego zakresu :)

3. Łukasz | 14:11 26-08-2007

ciekawy i dopracowany artukuł