201111_PSpaw.pdf 29Przegląd sPawalnictwa 11/2011 Adam Pietras Aleksandra Węglowska Beata Rams Marek Węglowski nowa technologia zgrzewania tarciowego rury z pokrywą new friction welding technology of the tube with the cover  Dr inż. Adam Pietras, mgr inż. Aleksandra Wę- glowska, mgr inż. Beata Rams, dr inż. Marek Wę- glowski – Instytut Spawalnictwa, Gliwice. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań nad zastoso- waniem do zgrzewania końcówek rur z pokrywami nowej technologii zgrzewania tarciowego z niezużywającym się narzędziem. Rury i pokrywy wykonane były ze stopu alu- minium EN AW 2017A, niespawalnego konwencjonalnymi metodami. Sprawdzono możliwość zgrzewania pokrywy z rurą metodą FSW oraz nową metodą z narzędziem o specjalnie wyprofilowanej powierzchni tarcia. Przedsta- wiono wyniki badań budowy strukturalnej zgrzeiny i wy- trzymałości złączy uzyskanych nową techniką. Abstract Results of the use of the new friction welding techno- logy with non-consumable tool for welding of the tubes with the covers are presented in this paper. Tubes and co- vers were made from the EN AW 2017A aluminium alloy, which is unweldable with the use of the conventional weld- ing methods. Possibility of application of the FSW tech- nology and of the new method with the use of the tool with a specially profiled friction face was tested during the investigations. Results of the microscopy and the joints strength examination are also presented. Wstęp Technologia zgrzewania końcówek rur z pokrywa- mi wymaga uwzględnienia wielu czynników związa- nych z późniejszą eksploatacją złączy oraz szybkością i łatwością wykonywania połączenia. W przypadku za- mykania końcówek rur, stanowiących cylinder siłowni- ka, zastosowana technologia musi umożliwiać uzyski- wanie trwałego i wytrzymałego połączenia, zachowu- jącego dużą szczelność przez cały okres eksploata- cji siłownika. W przypadku zastosowania materiałów niespawalnych lub trudno spawalnych, wykonywanie tego typu złączy jest zagadnieniem trudnym. Instytut Spawalnictwa podjął się zadania opracowania techno- logii zgrzewania końcówek rur z pokrywami wykonany- mi z wytrzymałego i lekkiego stopu aluminium EN AW 2017A, który – choć bardzo przydatny w wielu zastoso- waniach konstrukcyjnych – jest trudno spawalny zna- nymi metodami spawalniczymi. Zamknięcie rury wy- maga zagwarantowania wysokiej jakości połączenia na całej długości pobocznicy rury, uzyskiwanego w powtarzalny sposób w warunkach produkcyjnych. Zastosowanie konwencjonalnego zgrzewania tarcio- wego elementów rurowych wykonanych z tego mate- riału nie gwarantuje odpowiedniej jakości złącza. Rów- nież techniki spawania łukowego nie zapewniają po- prawnego połączenia wzdłuż całego obwodu rury. Ko- rzystając z dotychczasowych doświadczeń zgrzewa- nia metodą FSW różnego rodzaju materiałów, zdecy- dowano się zastosować tę stosunkowo nową meto- dę zgrzewania z niezużywającym się narzędziem do łączenia tych elementów [1÷3]. Opracowano warunki wykonywania połączenia tarciowego odpowiednio do- branym narzędziem FSW oraz metodą, która pozwa- la na uzyskiwanie połączenia o stałej jakości na całym obwodzie zgrzeiny, bez otworu technologicznego na końcu [4]. Narzędzie do FSW pozostawia na końcu li- nii zgrzewania otwór technologiczny, który może być wyeliminowany tylko przez przeprowadzenie dodat- kowych zabiegów ograniczających płynność produk- cji. Opracowanie nowej metody podyktowane było ko- niecznością ograniczenia lub wyeliminowania tej nie- dogodności. W ramach badania zgrzewania nową me- todą, korzystając z rozwiązania opracowanego w In- stytucie Spawalnictwa, przygotowano technologię do jej zastosowania w warunkach produkcyjnych [5, 6]. 30 Przegląd sPawalnictwa 11/2011 Stanowisko badawcze i narzędzia do zgrzewania Badanie procesu zgrzewania prowadzono na sta- nowisku do zgrzewania metodą FSW, znajdującym się w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach. W skład stano- wiska wchodziły: frezarka konwencjonalna FYF32JU2, unikatowa głowica pomiarowa lowStir, pirometr firmy FlUKE 576 oraz komputer wyposażony w oprogramo- wanie umożliwiające rejestrację, wizualizację i anali- zę danych pomiarowych, na bieżąco odczytywanych z przyrządów. Widok stanowiska badawczego przed- stawiono na rysunku 1. Narzędzia do nagrzewania i formowania lica zgrze- iny wykonano ze stali szybkotnącej HS 6-5-2-5. Widok części roboczej narzędzi przedstawiono w tablicy I. Pa- rametry technologiczne zostały dobrane na podstawie dotychczasowych doświadczeń autorów, związanych z badaniem procesu FSW i FSP oraz zakresem pracy zgrzewarki (frezarki FYF32JU2). Pomiary momentu tarcia oraz sił rejestrowano pod- czas procesu zgrzewania na całym obwodzie z często- tliwością 100 Hz. Wartość średnią momentu oblicza- no ze 100 punktów pomiarowych, przy czym pod uwa- gę wzięto jedynie obszar, gdzie nastąpiła pełna stabili- zacja procesu. W celu oceny głębokości oddziaływania narzędzia bez dodatkowego trzpienia w materiał obszaru zgrze- wania przeprowadzono badania metalograficzne struk- tury zgrzein otrzymanych w różnych warunkach pro- cesu. Badania wykonano na mikroskopie świetlnym MEF4M firmy leica. Zgłady wykonywane były prosto- padle do kierunku przesuwu narzędzia w odległości 50 mm od końca płyty próbnej. Wykorzystując anali- zator obrazu Omnimet Enterprise ver. 5.4 firmy Bueh- ler, dla każdego z badanych parametrów prowadzenia procesu wykonano pomiary grubości g uplastycznionej i wymieszanej warstwy tworzącej zgrzeinę. Elementy zgrzewane Próby zgrzewania prowadzono na rurach o średnicy zewnętrznej 68 mm i grubości ścianki 2,5 mm oraz od- powiednio przygotowanych pokrywach. Elementy wy- konano ze stopu aluminium EN AW 2017A. Zastoso- wany materiał oraz konfiguracja zgrzewanych elemen- tów wymagała specjalnego przygotowania obszaru łą- czenia. Pokrywa zamykająca rurę została przygotowa- na w taki sposób, aby rura na całym obwodzie podczas zgrzewania była nasunięta na odpowiednie wybranie pokrywy usztywniającej cały układ łączonych elemen- tów. Odpowiednio uformowana pokrywa stanowiła za- razem podporę uplastycznionych podczas procesu warstw materiału. Elementy przygotowane do zgrze- wania przedstawiono na rysunku 2. Rys. 1. Stanowisko badawcze Fig. 1. The welding stand Tablica I. Części robocze narzędzi zastosowanych w badaniach Table I. The view of the working parts of tools used during investigation Typ narzędzia Rzut z boku Rzut z dołu Widok narzędzia Narzędzie Triflute Narzędzie specjalne -- 31Przegląd sPawalnictwa 11/2011 Skład chemiczny stopu, z jakiego wykonano zgrze- wane elementy, zestawiono w tablicy II. Jest to stop utwardzony przez naturalne utwardzanie wydzielenio- we. Wykazuje dużą skłonność do pęknięć podczas procesów spawalniczych, stąd też uważany jest za nie- spawalny. W pracy badano oddziaływanie narzędzia bez trzpienia na proces zgrzewania. Do badań wykorzysta- no blachy o grubości 2,5 mm, wykonane z tych samych materiałów co rury i pokrywy. Badanie procesu tworze- nia zgrzeiny w tym układzie prowadzono przy tym sa- mym zakresie parametrów, jak przy zgrzewaniu rur. Badanie procesu zgrzewania elementów rurowych metodą FSW Opracowanie najbardziej korzystnej technologii zgrzewania rury z pokrywą rozpoczęto od sprawdzenia możliwości zgrzewania ww. elementów metodą FSW. Rury i pokrywy montowano na odpowiednim stanowisku (rys. 1) i prowadzono proces zgrzewania z wykorzysta- niem narzędzia Triflute (tabl. I). Proces zgrzewania pro- wadzono przy prędkości zgrzewania 200÷700 mm/min, i różnych prędkościach obrotowych narzędzia. Badania zgrzewania elementów przeprowadzono dla różnych układów narzędzie-element. Schematy ustawienia na- rzędzia względem elementów zgrzewanych przedsta- wiono na rysunku 3. Poszukiwano takiego ustawienia narzędzia, które zagwarantuje tworzenie powtarzalnej zgrzeiny o odpowiedniej budowie strukturalnej. Wy- brane wyniki badań budowy strukturalnej uzyskanych zgrzein przedstawiono na rysunku 4. Z badań wynika, że w przypadku usytuowania trzpie- nia narzędzia w styku łączonych elementów uzyskiwa- no zwartą strukturę zgrzeiny o prawidłowej budowie. W przypadku ustawienia trzpienia narzędzia na krawę- dzi styku elementów jakość zgrzeiny była niezadowala- jąca, bez względu na zastosowane prędkości obrotowe Rys. 2. Elementy przygotowane do łączenia metodą FSW: a) schemat konstrukcji pokrywy, b) widok pokrywy i rury Fig. 2. The view of the elements ready to weld with FSW: a) the sche- me of cover construction, b) the view of cover and tube Tablica II. Skład chemiczny stopu aluminium EN AW 2017A (% wag.) Table II. Chemical constitution of aluminium alloy EN AW 2017A (we- ight %) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Al 0,2÷0,8 0,7 3,5÷4,5 0,4÷1,0 0,4÷1,0 0,1 0,25 reszta Rys. 3. Schemat ustawienia narzędzia z trzpieniem względem styku rura-pokrywa podczas zgrzewania: a) trzpień narzędzia umieszczo- ny w miejscu styku dwóch elementów, b) krawędź trzpienia narzę- dzia umieszczona w styku dwóch elementów Fig. 3. Scheme of tool setting with pin in relation to the pipe–cover contact during the welding process: a) pin set in the pipe–cover con- tact, b) edge of pin set in the pipe–cover contact Rys. 4. Struktura zgrzeiny uzyskana z zastosowaniem narzędzia Tri- flute. Prędkość obrotowa narzędzia, od lewej: 450, 560 i 710 obr/min, prędkość zgrzewania: 430 mm/min. W czasie zgrzewania elementy wykonały 1 obrót: a) trzpień narzędzia umieszczony w miejscu sty- ku dwóch elementów (wg rys. 3a), b) krawędź trzpienia narzędzia umieszczona w styku dwóch elementów (wg rys. 3b) Fig. 4. Structure of weld obtained with the use of a Triflute tool. Ro- tational speed of tool, from the left side: 450, 560 i 710 rpm, welding speed: 430 mm/min. During the welding process elements executed one revolution: a) pin set in the pipe–cover contact (fig. 3a), b) edge of pin set in the pipe–cover contact (fig. 3b) a) b) a) b) a) b) 32 Przegląd sPawalnictwa 11/2011 głębokość oddziaływania wieńca narzędzia na zgrze- wane elementy oraz na jakość złączy. Badania proce- su zgrzewania prowadzono z prędkością liniową zgrze- wania (posuwu): 280, 450 i 560 mm/min. Prędkości ob- rotowe narzędzia wynosiły dla każdego posuwu: 450, 560, 710, 900 i 1120 obr/min. Dodatkowo dla posu- wu 280 mm/min zastosowano niższe prędkości obro- towe narzędzia: 280 oraz 355 obr/min. Schemat pro- wadzenia procesu pokazano na rysunku 5. Przykłado- we makrostruktury uzyskanych zgrzein przedstawiają rysunki 6 i 7. Przebieg zmian grubości zgrzeiny g oraz uzyski- wanych wytrzymałości zgrzein Rm, aproksymowanych odpowiednimi funkcjami, przedstawiono na rysunku 8. Z badań wynika, że dla stosunkowo niewielkiej pręd- kości obrotowej narzędzia grubość czynna zgrzeiny g jest stosunkowo wysoka i sięga prawie grubości zgrze- wanych blach. Wraz ze wzrostem prędkości obroto- wej narzędzia grubość zgrzeiny gwałtownie spada. Ze zmianą grubości zgrzeiny zmienia się wytrzymałość złączy. Największą wytrzymałością charakteryzują się złącza wykonane przy niskiej prędkości obrotowej na- rzędzia, natomiast przy wysokich prędkościach zgrze- wania i wysokich prędkościach obrotowych narzędzia wytrzymałość złączy jest bardzo niska. narzędzia. W przypadku zastosowania podczas proce- su zgrzewania narzędzia z trzpieniem, po jego wycofa- niu na końcu linii zgrzewania pozostawał otwór techno- logiczny, który może stanowić znaczącą niedogodność przy planowanym wykorzystaniu tej technologii w wa- runkach produkcyjnego zamykania rur. Badanie procesu zgrzewania płaskich blach narzędziem specjalnym Proces zgrzewania elementów rurowych narzę- dziem z trzpieniem, przygotowanym jak do typowego procesu FSW, przebiegał poprawnie, lecz na końcu linii zgrzewania pozostawał otwór technologiczny. W celu jego wyeliminowania sprawdzono możliwość uzyski- wania użytecznej zgrzeiny, wykorzystując w celu na- grzania i uplastycznienia materiału w obszarze styku narzędzie bez trzpienia, ze specjalnie uformowaną po- wierzchnią roboczą, jak w tablicy I. Podczas wykony- wania złączy zastosowano różne zestawy parametrów zgrzewania. Pozwoliło to na określenie wpływu pręd- kości obrotowej narzędzia oraz prędkości liniowej na Rys. 5. Schemat procesu zgrzewania z narzędziem specjalnym i za- znaczona grubość zgrzeiny g; 1, 2 – zgrzewane blachy; 3 – narzę- dzie; P – siła docisku narzędzia; vn – prędkość obrotowa, obr/min; vzg – prędkość zgrzewania, mm/min Fig. 5. Scheme of the welding process with a special tool, with mark thickness of weld g; 1, 2 – welded sheets; 3 – tool; P – weld force; vn – rotational speed, rpm; vzg – welding speed, mm/min Rys. 6. Makrostruktura zgrzeiny. Parametry zgrzewania: vn = 355 obr/min, vzg = 280 mm/min Fig. 6. Macrostructure of weld. Welding parameters: vn = 355 rpm, vzg = 280 mm/min Rys. 7. Makrostruktura zgrzeiny. Parametry zgrzewania: vn = 710 obr/min, vzg = 280 mm/min Fig. 7. Macrostructure of weld. Welding parameters: vn = 710 rpm, vzg = 280 mm/min Tablica III. Zestawienie danych dotyczących głębokości zgrzewania w zależności od zastosowanych parametrów zgrzewania Table III. Statement of data concerning of the thickness of weld in de- pendence on the used welding parameters Parametry zgrzewania Grubość zgrzeiny g, mm Wytrzyma- łość na roz- ciąganie Rm, MPa Prędkość obrotowa vn, obr/min Prędkość linio- wa vzg, mm/min 280 280 1,9 240,12 355 2,0 252,63 450 1,5 189,47 560 0,8 100,05 710 1,0 101,02 900 0,2 24,15 1120 0,1 10,10 450 450 1,2 151,55 560 1,1 138,90 710 0,8 100,01 900 0,5 63,10 1120 0,4 50,40 450 560 1,0 121,12 560 0,5 60,15 710 0,4 49,95 900 0,2 24,00 1120 0,1 9,55 33Przegląd sPawalnictwa 11/2011 Rys. 8. Przebieg zmian grubości zgrzeiny g i wytrzymałości złączy Rm uzyskanych przy różnych parametrach zgrzewania Fig. 8. Run of the thickness of weld g and the tensile strength Rm as a function of the rotational speed obtained for different welding speeds Zgrzewanie rury z pokrywą specjalnym narzędziem bez trzpienia Proces zgrzewania narzędziem bez trzpienia, ba- dany w przypadku zgrzewania blach, zastosowano również do łączenia rury z pokrywą. Schemat ustawie- nia narzędzia podczas prób technologicznych przed- stawiono na rysunku 9. Oś narzędzia ustawiona była w styku łączonych elementów. Stabilizację warunków zgrzewania po obwodzie rury, wzdłuż całej linii zgrzewania, badano analizu- jąc zarejestrowane przebiegi momentu tarcia oraz sił w kierunku zgrzewania, a także temperaturę narzędzia w miejscu jego styku z materiałem zgrzewanym. Dobór parametrów zgrzewania prowadzono pod kątem o se- lekcji najbardziej stabilnych i powtarzalnych warunków Rys. 9. Schemat procesu zgrze- wania tarciowego rury z pokrywą; 1 – rura, 2 – pokrywa, 3 – narzę- dzie; P – siła docisku narzędzia, vn – prędkość obrotowa, obr/min, vzg – prędkość zgrzewania (posu- wu), mm/min Fig. 9. Scheme of the friction welding process of tube and co- ver; 1 – tube, 2 – cover, 3 – tool; P – friction force, vn – rotational speed, rpm, vzg – welding speed, mm/min Rys. 10. Przykładowy przebieg zmian sił (a) i temperatury (b) pod- czas zgrzewania rury z pokrywą z prędkością obrotową narzędzia 1120 obr/min oraz prędkością liniową zgrzewania 430 mm/min Fig. 10. Exemplary run of the force and torque (a), and temperatu- re (b) during welding of the tube and cover with the rotational speed 1120 rpm and the welding speed 430 mm/min Vz = 280 mm/min Vz = 280 mm/min Vz = 450 mm/min Vz = 450 mm/min Vz = 560 mm/min Vz = 560 mm/min a) b) 34 Przegląd sPawalnictwa 11/2011 Jak wynika z badań, dla wszystkich prędkości linio- wych zgrzewania wraz ze wzrostem prędkości obroto- wej narzędzia moment tarcia gwałtownie spada, nato- miast temperatura obszaru zgrzewania wzrasta. Jest to typowe zjawisko obserwowane podczas zgrzewania tarciowego konwencjonalnego i FSW. Zbadano budowę strukturalną zgrzein wykonanych przy różnej prędkości obrotowej zgrzewania oraz usta- lonej, najbardziej korzystnej prędkości liniowej zgrzewa- nia. Prędkość zgrzewania dobrano pod kątem prognozo- wanej wydajności procesu podczas produkcji. W wyni- ku prowadzonej analizy danych pomiarowych i po wyko- nanych wstępnych próbach za najkorzystniejszą uznano prędkość zgrzewania 430 mm/min, która pozwalała na wykonanie zgrzeiny na całym obwodzie w czasie 0,5 s. Ze względu na obserwowany wzrost temperatury wzdłuż całej linii zgrzewania sprawdzono budowę zgrzeiny na początku procesu i na końcu linii zgrzewania. Wybrane wyniki badań przedstawiono na rysunku 12. Jakość zgrzewania sprawdzono w próbie ciśnie- niowej, na zamkniętej z dwóch stron pokrywami ru- rze. Próbę ciśnieniową prowadzono do momentu zniszczenia złączy w zgrzeinie, w strefie wpływu cie- pła lub zniszczenia materiału rury. Wyniki z próby ci- śnieniowej dla elementów zgrzewanych przy różnych prędkościach obrotowych narzędzia wykazały, że dla nagrzewania i uplastyczniania materiału na całym ob- wodzie rury. Typowy przebieg momentu tarcia, sił i tem- peratury przedstawiono na rysunku 10. Podczas prowadzenia pomiarów zanotowano, że stabilizacja sił i momentów następowała szybko po pierwszej fazie wnikania narzędzia w materiały zgrze- wane, natomiast temperatura narzędzia i całego ob- szaru zgrzewania w całym okresie tarcia rosła. Wyni- ki pomiarów temperatury i momentu tarcia, zarejestro- wane w końcowym obszarze zgrzewania, tuż przed za- kończeniem procesu, aproksymowane odpowiednimi funkcjami, przedstawiono na rysunku 11. Rys. 11. Zmiana momentu tarcia Mt i temperatury T wraz ze zmianą prędkości obrotowej narzędzia dla różnych prędkości liniowych zgrzewa- nia: a) 210 mm/min, b) 430 mm/min, c) 540 mm/min Fig. 11. Diagram of the friction torque Mt and temperature T as a function of the rotational speed for a different welding speeds: a) 210 mm/min, b) 430 mm/min, c) 540 mm/min Rys. 12. Makrostruktury złączy wykonanych przy różnych pręd- kościach obrotowych narzędzia, vzg = 430 mm/min. Z lewej stro- ny struktury zgrzein na początku linii zgrzewania, z prawej struktu- ry zgrzein na końcu linii: a) vn = 450 obr/min, b) vn = 560 obr/min, c) vn = 900 obr/min, d) vn = 1120 obr/min, e) vn = 1400 obr/min Fig. 12. Macrostructures of joints made by different rotational spe- eds, Vzg = 430 mm/min. On the left side the weld’s structure on the beginning of the process and on the right side the weld’s structure at the end of the process are shown: a) vn = 450 rpm, b) vn = 560 rpm, c) vn = 900 rpm, d) vn = 1120 rpm, e) vn = 1400 rpm Rys. 13. Przykładowe zdjęcia próbek po próbie ciśnieniowej: a) zniszczenie złącza w zgrzeinie (vn = 1400 obr/min, vzg = 430 mm/min), b) zniszczenie w materiale rury (vn = 450 obr/min, Vzg = 430 mm/min) Fig. 13. Exemplary photographs of the test pieces after the pressure test: a) failure in the weld (vn = 1400 rpm, Vzg = 430 mm/min), b) failu- re in the material of tube (vn = 450 rpm, vzg = 430 mm/min) a) b) c) d) e) a) b) a) b) c) 35Przegląd sPawalnictwa 11/2011 wszystkich warunków zgrzewania szczelność złącza jest gwarantowana do ciśnienia próbnego 10 MPa. Złącza ulegały zniszczeniu przy ciśnieniu 11÷15 MPa. Przykładowe zdjęcia próbek poddanych badaniom ci- śnieniowym przedstawiono na rysunku 13. Największą wytrzymałość wykazywały złącza wykonane przy naj- mniejszej prędkości obrotowej narzędzia. Analiza wyników W artykule zbadano możliwość wykonywania złą- czy zgrzewanych tarciowo na elementach z niespa- walnego stopu aluminium EN AW 2017A. Jest to ma- teriał cechujący się dużą wrażliwością na temperatu- rę podczas procesów spawalniczych. Kruche struktu- ry powstałe w czasie nagrzewania tego stopu podczas spawania lub zgrzewania obniżają jakość złączy i nie pozwalają na stosowanie znanych technik spawalni- czych w procesie produkcyjnym, zwłaszcza odpowie- dzialnych wyrobów. Z tego powodu, opracowując wa- runki zgrzewania elementów wykonanych z tego ma- teriału, zwrócono uwagę na poznanie warunków ciepl- nych procesu nagrzewania tarciowego i przeanalizo- wano ich wpływ na budowę zgrzeiny. Z badań wynika, że metodą FSW można uzyskać złącza o wysokiej i powtarzalnej jakości, w szerokim zakresie parametrów zgrzewania. Złącza charaktery- zują się typową dla FSW budową strukturalną i mają wysokie właściwości wytrzymałościowe. Trudnością, wiążącą się z procesem FSW, jest pozostały po proce- sie otwór technologiczny – ślad po wycofywanym na- rzędziu, znacznie obniżający wytrzymałość tego odcin- ka zgrzeiny obwodowej. Otwór technologiczny na koń- cu zgrzeiny wykonywanej na pobocznicy elementów walcowych poważnie ogranicza możliwość zastosowa- nia produkcyjnego tej metody. Wstępne wyniki badan zgrzewania blach nowo opracowaną metodą z narzędziem, na powierzchni ro- boczej którego nacięto rowek w postaci spirali, wyka- zały znaczny wpływ warunków zgrzewania na jakość złączy. Wytrzymałość złączy zależała głównie od pręd- kości obrotowej narzędzia oraz w mniejszym stopniu od prędkości zgrzewania. Największą wytrzymałość uzyskują złącza wykonywane przy niskiej prędkości obrotowej – 450 obr/min. Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wytrzymałość gwałtownie spada. Zależność ta występuje dla przebadanych prędkości zgrzewa- nia: 280, 450 i 560 mm/min (rys. 8). Wytrzymałość złą- cza wiąże się z budową strukturalną zgrzeiny. Stwier- dzono, analizując makrostruktury zgrzein wykonanych w różnych warunkach prowadzenia procesu zgrzewa- nia, że im mniejsza jest prędkość obrotowa narzędzia, tym większa jest głębokość jego oddziaływania i zwią- zana z tym grubość zgrzeiny g (tabl. III). Przy małej prędkości obrotowej narzędzia grubość zgrzeiny sięga grubości zgrzewanych blach, natomiast przy maksy- malnej prędkości obrotowej uwzględnionej w badaniach (1120 obr/min) stanowi jedynie 5% grubości blach. Korzystając z wyników badań zgrzewania blach dobrano warunki zgrzewania elementów rurowych, gwarantujące uzyskanie odpowiednich właściwości złącza zgrzewanego i tym samym właściwe parame- try jego eksploatacji. Opracowano konstrukcję pokry- wy przydatną do zgrzewania tarciowego (rys. 2) oraz narzędzie do zgrzewania (tabl. I). Przeprowadzono cykl badań zgrzewania tarciowego z zastosowaniem narzędzia z naciętą spiralą na płaskiej powierzchni roboczej. Analizując proces zgrzewania od strony warun- ków cieplnych tarcia stwierdzono, że przy najmniej- szych prędkościach obrotowych narzędzia, korzyst- nych z punktu widzenia wytrzymałości złącza, tempe- ratura procesu jest najniższa i wzrasta wraz ze wzro- stem prędkości obrotowej tarcia oraz prędkości zgrze- wania. Moment tarcia zaś spada wraz ze wzrostem prędkości obrotowej narzędzia (rys. 11). Można stwier- dzić, że przy wzrastającej prędkości tarcia proces od- kształcania materiału siłami tarcia odbywa się w coraz wyższej temperaturze, przy spadającej wytrzymałości i objętości odkształcanego materiału. Z przeprowa- dzonych badań i analiz wynika, że aby uzyskać złącze o odpowiedniej jakości, należy prowadzić proces zgrze- wania przy stosunkowo niskiej prędkości tarcia, czy- li niskiej prędkości obrotowej i małej prędkości zgrze- wania, wówczas temperatura procesu będzie najniż- sza, a zgrzeina będzie rozbudowana na wystarczają- cą głębokość. Odrębny problem stanowi wzrost tem- peratury i kumulowanie się ciepła wzdłuż linii zgrze- wania rury, obserwowany we wszystkich przebada- nych warunkach procesu (rys. 10). Jednak jak stwier- dzono, nie wpływa on istotnie na budowę struktural- ną zgrzeiny. Przy odpowiednim zestawie parame- trów ruchu narzędzia uzyskano zgrzeinę ciągłą o wy- starczającej grubości i szczelności wzdłuż całej linii zgrzewania (rys. 12). Wpływ kumulowanego się cie- pła w badanej konfiguracji elementów na przebieg procesu zgrzewania jest w dalszym ciągu badany. Nowa technologia zgrzewania tarciowego, wykorzy- stująca specjalnie ukształtowane narzędzie, odpowied- nio ustawione podczas procesu zgrzewania wzglę- dem osi elementów (rys. 3a), spełniła wszystkie wa- runki, jakie musi spełniać technologia przewidziana do zastosowania produkcyjnego. Średnicę narzędzia w części roboczej ustalono na 14 lub 15 mm, w za- leżności od sztywności i mocy urządzenia do zgrze- wania i wydajności procesu. Dla obu narzędzi uzy- skano w Instytucie Spawalnictwa odpowiednią jakość zgrzeiny. Najkorzystniejsza z punktu widzenia jako- ści i wydajności procesu okazała się prędkość zgrze- wania 430 mm/min. Przy tej prędkości czas zgrzewa- nia całego obwodu wynosi ok. 0,5 s, co gwarantuje wystarczającą płynność produkcji. Przy ustalonych warunkach prowadzenia proce- su zgrzeina na całym obwodzie zgrzewania ma gru- bość ok. 2 mm i stanowi szczelne połączenie pokry- wy z rurą (rys. 13). Ocenę wytrzymałości tak uzyska- nego złącza prowadzono głównie na podstawie badań 36 Przegląd sPawalnictwa 11/2011 zgrzewania ulegały zniszczeniu przez rozerwanie rury, przy zachowaniu spójności zgrzein. Jak sprawdzono, obróbka skrawaniem powierzchni prawidłowo wykona- nych złączy nie obniża jakości połączeń poniżej wyma- ganego poziomu. Głębokość skrawania nie może być jednak większa niż 0,5 mm. szczelności w próbie ciśnieniowej. Wszystkie złącza uzyskiwały wystarczającą wytrzymałość, nie ulega- jąc zniszczeniu przy wymaganym ciśnieniu próbnym 10 MPa. W zależności od warunków zgrzewania złą- cza ulegały zniszczeniu przy ciśnieniu 11÷15 MPa. Elementy wykonywane przy najmniejszej prędkości Wnioski Szczelne połączenie pokrywy z rurą, wykonane z niespawalnego stopu aluminium EN AW 2017A, można uzyskać metodą zgrzewania tarciowego z niezużywającym się narzędziem trącym. Najlepszą jakość połączenia uzyskuje się przy stosunkowo niewielkich prędkościach obrotowych narzędzia i małej prędkości zgrzewania. Wzrost prędkości obrotowej tarcia powoduje spa- dek głębokości oddziaływania narzędzia i zmniej- szenie grubości zgrzeiny. Temperatura obszaru zgrzewania wzrasta wraz ze wzrostem prędkości tarcia. Literatura [1] Thomas W.M. Friction Stir Butt Welding. Int. Patent Applica- tion. PCT/GB92/02203. 1991. [2] Mroczka K., Dutkiewicz J., Pietras A.: Characterization of fric- tion stir welds of 6013 and 6013/2017A aluminium alloy she- ets. Inżynieria Materiałowa, 31 nr 3/ 2010, 586-589. [3] Węglowski M.S., Pietras A., Węglowska A.: Effect of we- lding parameters on mechanical and microstructural proper- ties of Al 2024 joints produced by friction stir welding. Jour- nal of Kones Powertrain and Transport, vol. 19, nr 1/2009, s. 523-532. Temperatura obszaru zgrzewania wzrasta podczas procesu wzdłuż linii zgrzewania na skutek kumulowania się ciepła w materiale rury i pokrywy. Wzrost ten nie wpływa jednak na budowę struktural- ną zgrzeiny. Narzędzie bez dodatkowego trzpienia może być zastosowane do zgrzewania blach i płyt. Głębo- kość oddziaływania narzędzia, jak i związane z tym grubość zgrzeiny i jej nośność zależą od prędkości zgrzewania. Użyteczne połączenia można uzyskać dla bardzo niskich wydajności procesu. [4] Guohong lUAN., Guang lI., Weibing WANG, Ju KANG.: The Fundamental Research of the Friction Flow Welding. The 8th international Friction Stir Welding Symposium, Germany, 18-20 May 2010. [5] Opracowanie i wdrożenie technologii zgrzewania obwodo- wego tarciowego głowicy z tuleją siłownika pneumatycznego. Praca Badawcza dla REWA Sp z o.o. nr B-182/2009. [6] Zgłoszenie do UP RP nr P.390268. Sposób zgrzewania tar- ciowego doczołowego blaszanych zaślepek z korpusem chłodnicy. PoLSKIE ToWARZYSTWo SPAWALNICZE oddział w opolu informuje o organizacji XVIII KoNFERENCJI SPAWALNICZEJ „SPAWANIE W ENERGETYCE” w dniach od 24 do 26 kwietnia 2012 r. w ośrodku Ziemowit w Jarnołtówku – sesje referatowe – wystawy techniczne – imprezy towarzyszące Wszystkich zainteresowanych udziałem w konferencji zapraszamy do skontaktowania się z Polskim Towarzystwem Spawalniczym – Oddział w Opolu. Dodatkowe informacje: Pocica Anna, tel. 48 77 400 62 51, e-mail: a.pocica@po.opole.pl Derwich Tomasz, tel. 48 77 401 92 95, e-mail: tomasz.derwich@esab.pl Korespondencję prosimy kierować pod adresem: POlSKIE TOWARZYSTWO SPAWAlNICZE – ODDZIAŁ W OPOlU ul. A. Struga 10, 45-073 OPOlE (fax: 48 77 401 92 01)