Třecí svařování promíšením

Princip třecího svařování s promíšením resp. třecího svařování promíšením resp. třecího svařování s rotujícím nástrojem (Friction stir welding ve zkratce FSW) byl vynalezen a patentován v roce 1991 institutem TWI v Cambridge. Při svařování je využíván rotační nástroj s cylindrickým ramenem a profilovaným kolíkem (sondou), který se otáčí a pomalu zanořuje do místa spoje. Vzhledem k relativně velkým silám je zapotřebí pevné upnutí spojovaných dílů. Teplo vzniklé třením mezi svařovacím nástrojem a svařencem způsobuje, že materiál svařence může změknout, aniž by dosáhl teplota tavení. Změklý materiál je přenesen na vlečný okraj nástroje a mechanicky překován těsným kontaktem s ramenem nástroje a profilem sondy. Výsledkem třecího svařování s promíšením je nerozebíratelný spoj s nesymetrickými vlastnostmi. Tato skutečnost je dána rotací nástroje v jednom smyslu a má za následek rovněž nesymetrickou podobu vnitřní mikrostruktury spoje. Pro popis vlastností spoje a vnitřní mikrostruktury je proto velice důležité rozlišovat tzv. vzestupnou a sestupnou stranu spoje.

Během svařování dochází v okolí nástroje k velmi složitému toku materiálu. Při pohybu nástroje nejprve dochází těsně před jeho náběžnou stranou k předehřevu materiálu. Ten postupně prochází fází počáteční deformace a následně extruzí. Nejsložitější a nejdůležitější fáze poté probíhá těsně za sondou nástroje v tzv. oblasti spojování, po které již následuje chladnutí. Parametry procesu jako jsou rychlost otáčení nástroje, rychlost posuvu, velikost přítlaku a velikost úhlu náklonu nástroje závisí na konkrétním druhu svařovaného materiálu, typu nástroje, typu a uspořádání spoje.

Struktura FSW svaru

První pokus o klasifikaci mikrostruktury FSW svarů provedl P. L. Threadgill v Bulletinu TWI v březnu 1997. Tato práce byla založena výhradně na informacích platných pro hliníkové slitiny. Protože jejich chování se v mnoha aspektech odlišuje od jiných kovových materiálů, nedalo se toto schéma všeobecně použít. Po konzultacích s akademiky a odborníky z průmyslu bylo revidováno. Nové schéma rozděluje zónu svaru do následujících oblastí:

• A – neovlivněný základní materiál

Oblast dostatečně vzdálená od osy svaru v níž nebyl materiál svařovaných dílů ovlivněn mechanicky ani tepelně.

• B – TOO-tepelně ovlivněná oblast (HAZ - Heat Affected Zone)

Tento region leží zřetelně blíže ke středu svaru než základní materiál. Základním znakem této oblasti je, že není ovlivněna plastickou deformací, ale pouze zvýšenou teplotou. Tepelný proces v těchto místech modifikuje mikrostrukturu a tím i mechanické vlastnosti svaru.

• C – TMOO-termomechanicky ovlivněná oblast (TMAZ - Thermo-Mechanically Affected Zone)

Oblast svaru v níž je materiál ovlivněn působícím teplem a plastickými deformacemi. Svařovací nástroj v této oblasti materiál plasticky deformuje, avšak vlivem nízké rychlosti deformace nedochází k rekrystalizaci.

• D – svarový nuget (DXZ - Dynamically Recrystallized Zone, častěji se uvádí „weld nugget“)

Uprostřed svaru se vyskytuje zcela zrekrystalizovaná oblast, označovaná nejčastěji jako nugget. Ten se často skládá z jakýchsi vrstev, které se na výbrusu jeví jako řada soustředných oválů (tzv. onion rings, tj. cibulový kroužků). U některých slitin však tento rys nemusí být zřetelný. Tvar nuggetu závisí na použitém materiálu a svařovacích parametrech. Jeho průměr je obvykle o trochu větší než průměr sondy a naopak výrazně menší než průměr unášecího ramene nástroje. Mikrostruktura DXZ oblasti je velice jemná. Velikost zrna závisí na materiálu a svařovacím procesu, ale typicky je menší než 1 μm.

Přednosti a nedostatky metody FSW

Princip svařování v šesti krocích: (1) vnoření sondy do materiálu (2) prodleva při vnoření (3) pohybem sondy dochází k vytvoření svaru (4) ukončení svaru 5) vytahování sondy (6) úplně vytažená sonda

Většina výhod procesu třecího svařování vyplývá z faktu, že nedochází k žádnému makroskopickému tavení spojovaných částí. Proto je možné svařovat i materiály, které jsou klasickými tavnými metodami obtížně svařitelné (např. hliníkové slitiny tříd 2000 a 7000). Do výčtu výhod FSW technologie lze uvést:

• minimální zkroucení i u dlouhých svarů,
• žádný dým nebo nebezpečné výpary,
• žádná poréznost svaru,
• vysoká estetická čistota svaru,
• nezávislost na poloze svařování,
• vysoká energetická účinnost,
• vysoká trvanlivost nástroje (typicky 1 km délky svaru pro hliníkové slitiny)
• žádný přídavný materiál (materiál spoje je naprosto stejný jako základní materiál)
• není nutná žádná ochranná atmosféra při svařování Al slitin
• malé nároky na přípravu před svářením (akceptovatelná je i tenká vrstvička oxidů)
• žádné broušení, kartáčování nebo speciální moření není zapotřebí

Tak jako každá technologie i třecí svařování s promíšením má svá omezení vyplývající z jejího principu. Mezi ně patří:

• svařovací rychlost je v některých případech o něco nižší v porovnání s některými tavnými metodami (např. rychlost do 2 m/min pro svařování hliníkové slitiny třídy 6000 o tloušťce 5 mm)
• během svařování působí na svařované díly relativně velké síly a proto musí být pevně upnuty (potřeba upínacích přípravků)
• potřeba zadní příložky pro podložení během svařování u standardní varianty (existují však již nástroje s vlastní rotující podporou – tzv. Bobbin Tool)
• stopa po nástroji v podobě důlku na konci každého svaru při použití standardního svařovacího nástroje s pevnou délkou sondy

Svařitelnost materiálů a jejich tloušťky

Metoda může být použita pro svařování velkého množství materiálů a jejich kombinací. Základní podmínkou je existence optimalizovaného nástroje vyrobeného z materiálu schopného práce při teplotách kování spojovaných částí. V současné době jsou největší zkušenosti především se svařováním hliníku a jeho slitin.

Dále jsou uvedeny hliníkové slitiny, jejichž svařitelnost je touto metodou zaručena.

• hliníkové slitiny třídy 2000 (Al-Cu)
• hliníkové slitiny třídy 5000 (Al-Mg)
• hliníkové slitiny třídy 6000 (Al-Mg-Si)
• hliníkové slitiny třídy 7000 (Al-Zn)
• hliníkové slitiny třídy 8000 (Al-Li)

Výzkumné práce v zahraničí probíhaly především na tvářených materiálech. Přesto i zkoušky svařování součástí typu odlitek-odlitek, odlitek-tlačený profil ze stejných materiálů i jejich kombinací byly úspěšné, a lze je doporučit. Pokračující úspěšný vývoj v oblasti konstrukce a materiálů FSW nástrojů již nyní umožňuje také úspěšně svařovat:

• měď a její slitiny
• olovo
• titan a jeho slitiny
• hořčíkové slitiny, hořčík s hliníkem
• kompozitní materiály s kovovou matricí (především pak s hliníkovou matricí)
• ostatní typy hliníkových slitin třídy 1000 3000 (Al-Mn), 4000 (Al-Si),
• plasty (PS, ABS, PMMA, PC, PPO/PA, PA)
• měkčí typy ocelí a niklových slitin

V současné době je možné z jedné strany na tupo svařovat materiály o tloušťkách 0,8 – 50 mm (laboratorně 0,3 až 75 mm). V případě větších tlouštěk je nutné provést svařování z obou stran spojovaných součástí (lze pak svařit materiál až o tloušťce 150 mm).

Typy a uspořádání spojů

Příklady konfigurace FSW spojů

Metodou je možné vytvářet nejen klasické tupé a přeplátované spoje, ale rovněž T-svary, lemové a koutové svary. Pro každý z těchto typů je používán specifický optimalizovaný nástroj. Podélné tupé a obvodové přeplátované svary hliníkových slitin byly s úspěchem použity například při výrobě palivových nádrží raket Delta II, III a IV. FSW proces umožňuje vytvářet obvodové, kruhové, nelineární a třírozměrné svary. Vzhledem k tomu, že nedochází k makroskopickému tavení, nemá gravitace výraznější vliv na samotný proces, a tudíž lze svařovat ve všech polohách.

Nejlépe zvládnutým uspořádáním FSW svaru je v současné době klasický tupý svar. Během počátečního ponoření nástroje dochází k velkým silám a zvláště u tupého svaru musí být zajištěno dostatečně pevné a tuhé upnutí spojovaných dílců. V opačném případě hrozí jejich oddělení a vznik mezery mezi hranami v inkriminované oblasti budoucího spoje.

Již na počátku vývoje technologie FSW bylo zjištěno, že geometrie pracovní části nástroje může mít zásadní vliv na výsledné mechanické vlastnosti spoje. V případě přeplátovaných spojů má velký význam šířka svaru a jeho tvar. Tyto dvě charakteristiky jsou zvláště pak důležité z pohledu únavové odolnosti svarového spoje. První zkoušky třecího svařování přeplátovaných spojů probíhaly za pomoci neoptimalizovaných nástrojů určených pro tupé svary. Při svařování docházelo k některým nežádoucím jevům jako například zeslabování horní spojované součásti. Další potíže činily oxidické vrstvy na rozhraní součástí. Proto se v současné době používají speciální nástroje pro přeplátované spoje.

Aplikace technologie

Lodní a námořní průmysl

USS Freedom (LCS-1)

Oblast stavby lodí byla jedním z prvních průmyslových odvětví, kde se metoda třecího svařování promíšením začala komerčně využívat, především v následujících aplikacích:

• vyztužené panely pro boční pláště, paluby a přepážky lodí
• výroba profilů z hliníkových slitin
• heliporty pro ropné plošiny
• nástavby těžebních věží
• stožáry a ramena jeřábů
• mrazírenská zařízení

Železniční doprava

A-train

Produkce rozměrných panelů z hliníkových profilů vyrobených extruzí je přímo předurčena pro využití FSW technologie. Absence příčných svarů a velká tuhost těchto panelů přispívá k výraznému zvýšení bezpečnosti pasažérů v případě nehody. V Japonsku došlo v 90. letech k nevídanému rozmachu této metody spojování právě v oblasti výroby železničních souprav. Společnost Hitachi velice rychle pochopila strategický význam této technologie. U jejího projektu nové generace vysokorychlostních souprav A-train je již většina podélných spojů svařena třením. Do dnešní doby bylo firmou Hitachi za pomoci FSW vyrobeno již více než 200 vozů různých typů příměstských a vysokorychlostních souprav.

Evropští výrobci železničních souprav jsou ve srovnání s japonskou konkurencí v této oblasti poměrně pozadu. Konkrétní aplikace FSW se začínají teprve objevovat, ale podle vyjádření expertů se tato situace v blízké budoucnosti změní a lze očekávat obdobný vývoj jako v Japonsku. S prvními aplikacemi již přišly společnosti Alstom LHB’s a Bombardier Transportation. První vyztužené panely byly použity u souprav typu Pendolinos (225 km/h).

Letecký a kosmický průmysl

Výroba palivových nádrží nosičů Falcon

FSW proces je velice nadějnou spojovací technologií rovněž pro oblast leteckých a „space“ konstrukcí. Na základě studie pracovníků Airbus Deutschland byla metoda třecího svařování označena jako vhodná pro svařování potahových panelů trupů civilních letadel. Naměřená data prokázala, že mechanické i technologické vlastnosti svarových spojů se blíží vlastnostem základního materiálu. FSW je často porovnáváno s klasickým nýtováním. Ve srovnání s ním dochází k razantnímu snížení výrobního času při zvýšení užitných vlastností konstrukce. Ta je aerodynamicky čistější a svým chováním připomíná spíše integrální konstrukci vyrobenou z jednoho kusu materiálu.

Jednou z prvních aplikací FSW v aerokosmickém průmyslu byla výroba palivových nádrží raket Delta II, III a IV. Na základě dobrých zkušeností bylo později rozhodnuto o zahájení výroby palivových nádrží také pro Space Shuttle (NASA) a nosiče Falcon 1 a Falcon 9 (SpaceX). Pro výrobu těchto nádrží jsou využívány svařovací stroje umístěné v Marshall Space Flight Center v Hunstville.

Společnost Boeing v posledních letech vyvinula značné úsilí ve zdokonalování FSW metody pro její využití při stavbě draků letadel. První aplikací byla výroba podvozkových krytů pro stíhací letouny. V současné době probíhají jejich zkoušky v běžném provozu. V nejbližší době se počítá také ze zavedením třecího svařování při spojování podlahových nosníků nákladové rampy u letounu C-17 Globemaster III.

Pozemní doprava

Středový tunel sportovního vozu Ford GT je vyroben ze dvou extrudovaných Al profilů frikčně přivařených k ohýbanému hliníkovému plechu

V současné době jsou intenzivně ověřovány možnosti technologie FSW pro použití v oblasti automobilového průmyslu. Příkladem toho může být společný projekt Edisonova institutu pro svařování a TWI zaměřený na konstrukční uspořádání lehkých automobilových karosérií s ohledem na použití FSW. Pro použití třecího svařování přicházejí v úvahu následující aplikace:

• příčné nosníky motorů
• disky kol
• prostorové rámy
• nástavby nákladních automobilů
• spouštěcí zadní čelo nákl. automobilů
• autojeřáby
• pancéřovaná vozidla
• palivové nádrže
• karavany
• autobusy
• rámy motorek a jízdních kol
• opravy karosérií z hliníkových slitin

Stavební průmysl

• mosty a lávky z lehkých slitin
• fasádní panely z hliníku, mědi, titanu a jejich slitin
• rámy oken
• potrubí z Al slitin
• reaktory pro chemický průmysl
• výparníky klimatizačních jednotek

Ostatní průmysl

• chladicí panely
• vybavení kuchyní
• bílá technika
• plynové zásobníky
• spojování plechů z hliníkových a slitin mědi na válcovacích tratích
• nábytek

Odkazy

Literatura

• BĚLSKÝ, Petr. FSW-Friction Stir Welding.Třecí svařování leteckých konstrukcí. Letectví+kosmonautika. 20. září 2003, roč. LXXIX., čís. 9, s. 46–48. ISSN 0024-1156. 
• BĚLSKÝ, Petr. Feasibility tests of friction welding of high melting temperature materials in VZLÚ,Plc.. Czech Aerospace Proceedings. Letecký zpravodaj. Duben 2011, čís. 1, s. 2–6. Dostupné v archivu pořízeném dne 2016-10-05. ISSN 1211-877X.  Archivováno 5. 10. 2016 na Wayback Machine.
• BĚLSKÝ, Petr; KOLAŘÍK, Ladislav; VÁLOVÁ, Marie. Innovative Welding Technologies for Joining Al Alloy 6082-T6. Czech Aerospace Proceedings. Letecký zpravodaj. Říjen 2008, čís. 2, s. 2–5. Dostupné v archivu pořízeném dne 2020-07-27. ISSN 1211-877X.  Archivováno 27. 7. 2020 na Wayback Machine.
• BĚLSKÝ, Petr. New FSW Equipment in VZLÚ,Plc.. Czech Aerospace Proceedings. Letecký zpravodaj. Listopad 2007, čís. 3, s. 32–34. Dostupné v archivu pořízeném dne 2020-07-27. ISSN 1211-877X.  Archivováno 27. 7. 2020 na Wayback Machine.
• BĚLSKÝ, Petr. Preliminary Tests of Friction Stir Welding. Czech Aerospace Proceedings. Letecký zpravodaj. Listopad 2006, čís. 3, s. 24–26. Dostupné v archivu pořízeném dne 2020-07-27. ISSN 1211-877X.  Archivováno 27. 7. 2020 na Wayback Machine.
• BĚLSKÝ, Petr. Friction Stir Welding of Aircraft Structures. Letecký zpravodaj. 21. listopad 2003, čís. 3, s. 15–17. ISSN 1211-877X. 
• GANEV, N.; MAREK, J.; SLÁMA, P. Structure characteristics of Al plates joined by friction stir welding. Materials Structure. Červen 2005, čís. 2, s. 89–92. Dostupné online. ISSN 1211-5894. 
• KLIMČÁKOVÁ, Kateřina. Diplomová práce - Nekonvenční metody svařování tvářených slitin hořčíku. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2011. 156 s. Dostupné online. 
• OČENÁŠEK, V.; SLÁMOVÁ, M.; DOS SANTOS, J.F. Microstructure and properties of friction stir welded aluminium alloys. In: METAL 2005 - 14th International Metallurgical & Material Conference 24.-26.5.2005 Červený zámek, Hradec nad Moravicí. Ostrava: TANGER, spol. s r.o., 2005. Dostupné online. S. 8. (eng)^{[nedostupný zdroj]}

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Třecí svařování promíšením na Wikimedia Commons
• (anglicky) Friction Stir Welding at TWI^{[nedostupný zdroj]}
• (anglicky) Friction Stir Link - Description Archivováno 9. 3. 2012 na Wayback Machine.
• (anglicky) VU Welding Automation Lab Archivováno 16. 12. 2012 na Wayback Machine.
• (anglicky) Frikční svařování s promíšením Archivováno 27. 7. 2020 na Wayback Machine.
• (anglicky) Friction Stir Welding at University of Cambridge
• (anglicky) Názorná ukázka svařování trubky metodou FSW na YouTube