NAUKAISTRAIVANJERAZVOJ SCIENCERESEARCHDEVELOPMENT

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

D. Runev

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 Runev Mainski fakultet, Univerzitet Sv. Kirilo i Metodije PF 464, 1000 Skopje, Makedonija

Kljune rei:

Keywords: zavarivanje trenjem, aluminijum, Al legure, mehanike 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), najee se koristi za zavarivanje Al i Al legura i slinih 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 Klasino zavarivanje trenjem poznato je jo od 1956. godine. To je postupak kojim se zavaruju preteno rotaciono simetrini delovi. Ovim postupkom mnogo je tee zavariti pljosnate i velike delove.

Zbog ograniene zavarivosti, Al i njegove legure najee se zavaruju elektrolunim 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 dugogodinjeg istraivanja 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 (poetkom 1992.), do maja 1999. godine (oficijelno licencom) postupak je primenjen u proizvodnom procesu 37 firmi irom sveta. Danas je najvie zastupljen u skandinavskim zemljama (Norveka i vedska), u Velikoj Britaniji, SAD, Japanu i Australiji.

Nivo komercijalne primene i broj patenata iz ove oblasti zavarivanja svakodnevno se uveava. Od strane TWI izraeno je vie naunih projekata, a neki su jo u fazi izrade. Vrena su istraivanja u oblasti zavarivanja Al i njegovih legura: AlCu (AA2xxx), AlMg (AA5xxx), AlMgSi (AA6xxx), AlZn (AA7xxx) i AlLi (AA8xxx), a u toku su istraivanja zavarivanja legura tipa AlMn i AlSi, kao i drugih metala: Mg, Ti, Cu, Pb i Zn, pa ak i mogunost zavarivanja elika [13].

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

Alat rotira oko svoje ose i kree se u pravcu zavarivanja odreenom brzinom. Rotirajui alat velikom snagom pritiska osnovne materijale, dovodi do njihovog zagrevanja i plastinosti po celom preseku, ime su stvoreni uslovi za intenzivniju difuziju. Osnovni materijal se zagreva od 150 do 200 C, u zavisnosti od hemijskog sastava, oblika, mera i reima zavarivanja. Reim zavarivanja ine: oblik i dimenzija alata, njegova brzina rotacije i brzina pomeranja.

Alat je cilindrinog oblika odreenog prenika, a zavrava se konusnim klinom manjeg prenika, i visine koja odgovara debljini zavarivanih delova. Alat moe da bude jednodelan, kada su telo i klin izraeni jednodelno od istog materijala. Naje se izrauje dvodelno, kada su elo tela i klin izraeni

od tvreg materijala. Telo alata moe da ima i lebove, t.j. rebra za intenzivnije hlaenje [4, 5, 6].

Slika 1. Alat za zavarivanje postupkom FSW

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

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

Slika 2. Faze procesa zavarivanja

Proces zavarivanja poinje rotacijom alata oko svoje ose (sl. 2a); po postizanju odreene brzine rotacije alat se sputa prema osnovnim materijalima (sl. 2b); klin ulazi celom svojom visinom po preseku zavarivanih delova, sve dok ne doe do dodira izmeu ela alata i povrine zavarivanih delova (sl. 2c). Posle kratkog zadravanja pomeranje alata u pravcu zavarivanja (sl. 2d) se nastavlja odreenom brzinom. Na kraju se alat podie, klin izlazi iz osnovnih materijala i prestaje rotacija. Poetak i kraj zavarivanja su na odreenom otstojanju od ivica radnih komada. Na kraju ava ostaje upljina, oblika koji odgovara obliku klina (sl. 3). Poetak i zavretak ava se obino odseku ili se koriste produne ploice [3].

SCIENCERESEARCHDEVELOPMENT NAUKAISTRAIVANJERAZVOJ

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

Slika 3. Izgled zavretka zavarenog ava

Vrste zavarenih spojeva Ovim postupkom najee se izrauju sueoni i preklopni, a mnogo ree ugaoni avovi (sl. 4).

Slika 4. Vrste zavarenih spojeva

Najee se sueono spajaju radni komadi debljine od 1.2 do 100 mm. Zavarivanje moe da se izvede jednostrano ili dvostrano. Najoptimalnije je zavarivanje sueonih spojeva debljine 1.6 do 10 mm, a preklopnih, debljine 1.2 do 6.4 mm.

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

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

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

Slika 5. Dvostrani sueoni spoj

Slika 6. Jednostrani preklopni spoj

a) sueoni spoj b) preklopni spoj

Slika 7. Makro snimci zavarenih spojeva legure AlCu

Strukturne zone Metalografskim istraivanjima strukture zavarenih spojeva izvedenih ovim postupkom, uoeno je nekoliko karakteristinih zona (sl. 8) [12].

Slika 8. Karakteristine 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 termodinamiki izmenjene strukture, koja je plastino deformisana, i koja, u uskoj graninoj oblasti, ima deo u kojem je nastala rekristalizacija.

D. Dinimaki rekristalisana struktura, Nugget, gde se uoavaju linije nalik na popreni presek stabla, tzv. linije starosti, godovi.

Veliina zona B, C i D zavisi od: vrste zavarivanog materijala, njegovog oblika i dimenzija; veliine alata za zavarivanje, brzine kojom rotira i kojom se pomera. Zona D je vea od prenika trna alata, a manja od prenika tela alata.

Mehanike osobine zavarenih spojeva U dostupnoj literaturi o ovom postupku nalaze se rezultati statikih i dinamikih ispitivanja zavarenih spojeva: zatezanjem, savijanjem i ispitivanjem mikrotvrdoe [13, 14].

av se odlikuje visokim mehanikim osobinama. Lom nastaje u zonama B i C ava. U ovim zonama i vrednosti mikrotvrdoe su manje. Poveanje vrstoe i tvrdoe u zonama B i C postie se termikom obradom posle zavarivanja.

Zavareni spojevi se odlikuju visokom dinamikom izdrljivou. Tako, zavareni spoj delova legure AlMg debljine 5 mm, kod napona od 60 N/mm2 izdri 9.3103 promena ciklusa; zavareni spoj delova legure AlSi debljine 10 mm, kod napona od 60 N/mm2 izdri 107 promena ciklusa, a kod napona od 150 N/mm2 izdri 4105 promena.

Maine za zavarivanje Maine za zavarivanje ovim postupkom najvie su razvijene u skandinavskim zemljama i Japanu. Najvei broj patenata iz oblasti konstruktivnih izvedbi maina ima u Japanu. Maina za duge avove razvijena od ESAB (sl. 9), koristi se u Marine Aluuim Werft (Norveka), za zavarivanje brodskih panela i za eleznike vagone. Ova maina se koristi i za: teke profile, H-nosae, T-nosae i platforme; izrauju se paneli duine 616m i visine do 155 mm. Kod izrade nosaa duina je bez ogranienja, visina do 300 i irina 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. Maina je u celini automatizovana [15, 16]. ESAB proizvodi i maine manjeg radnog prostora, od 1 do 2 m (sl. 10).

NAUKAISTRAIVANJERAZVOJ SCIENCERESEARCHDEVELOPMENT

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

Slika 9. Maina za duge avove

Slika 10. Maina za kratke avove

Poslednjih godina u TWI izraen je prototip maine 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. Maina 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 mainogradnji i graevinarstvu, u izradi: mostova, fasadnih elementa, krovnih i podnih konstrukcija, vrata, prozora i slino;

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 bandaa. U firmi Hydro Aluminium (Norveka) zavaruje se telo bandaa izraeno valjanjem, i glavina, izraena livenjem ili kovanjem. Na ovoj nain smanjena je masa bandaa. U firmi Shoma Aluminium & Rubber (Japan) zavarene su vulkanizirane cevi prenika od 20 do 30 mm. Ove cevi se koriste kod izrade amortizera za putnike automobile.

POREENJE FSW SA DRUGIM POSTUPCIMA Poreeno 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 zatitne atmosfe. Proces zavarivanja se odvija uz malu potronju energije, oko 20 % od toplote unete kod MIG zavarivanja istog materijala, istog oblika i dimenzija. Nije potrebna dopunska oprema i mere zatite, jer nema gasova, dimova, brizganja rastopljenog materijala, svetlosnog i toplotnog zraenja; mogue je eventualno poveanje buke, zbog trenja suvih povrina.

Posle zavarivanja nije potrebna obrada lica ava, koje je ve profilisano trenjem elom alata.

Za legure tipa AlMgSi (AA 6xxx), jednim klinom alata moe da se izvede preko 1000 m duine ava.

Priprema povrine za zavarivanje je znatno manja; obino samo odmaivanje.

Pojava deformacije posle zavarivanja je znatno manja. Tako, na elementima duine 12 m i debljine 2.8 mm, izmereni su najvei ugibi od 0.25 mm; kod irine elemenata od 6 m, sa 25 podunih avova duine od 16 m , skraenje je manje od 2 mm.

Najei nedostatci ovog postupka su: ograniena primena samo za izvoenje pravih avova ili avova velikog radiusa krivine; rad samo u radionici, ali ne i terenska montaa; isplativ postupak samo za velike proizvodne serije; zasad uspeno primenjen samo za zavarivanje Al i Al legura.

DALJI RAZVOJ Dalji razvoj FSW postupka zavarivanja trenjem je usmeren u vie pravaca. Vre se istraivanja mogunosti 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 elektrine struje izmeu klina alata i radnih komada.

SCIENCERESEARCHDEVELOPMENT NAUKAISTRAIVANJERAZVOJ

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 razliitim poloajima. Tako je za zavarivanje konstrukcije automobila, nemaki istraivaki institut GKSS razvio prototip robota za zavarivanje ovim postupkom [17].

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

ZAKLJUAK Razvojem FSW postupka u mnogim aspektima je poboljano, inae problematino, zavarivanje Al i Al legura. avovi su visokog kvaliteta, a sam proces, u odreenim segmentima primene, je visoke produktivnosti .Daljim razvojem oekuje se anuliranje nekih nedostataka i potpuna automatizacija i robotizacija procesa, ime e se poveati kvalitet i proiriti industrijska primena ovog postupka zavarivanja.

LITERATURA [1] K.E. Knipstrm: 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 Schweiverfahren fr

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: Reibrhrschweien - Verfahren und Einsatzfle, 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 Reibrhrschweien von Al-Legierungen, GKSS / TWI Workschop, 3.Mai. 1999, S.18-24.

[12] D.Engel: Anwendungsmglichkeiten von FSW und Qualittssicherung 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 reibrhrgeschweiten 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 Schweitechniken, GKSS, Unter Uns, 1998, S.8.

[18] P.Threadgill, S.Kallee: Patentsituation und gruppengefrdete 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. raspolae strunjacima i opremom za IBR metodama:

KonMat je angaovan na znaajnim objekatima energetske i procesne industrije meu kojima izdvajamo: TE Nikola Tesla A, TE Nikola Tesla B, TE Morava, Rafinerija nafte Panevo, Beoinska fabrika cementa, Rafinerija nafte Srpski Brod, Tehnogas, UTVA - Vozila, GOA, MIN, DD HIP Petroremont,...

- vizuelna; - magnetnim esticama; - radiografija;

- povrinska metalografija metodom uzimanja otiska mikrostrukture - replike.

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

- tenim penetrantima;- ultrazvukom;- ispitivanje izolacije cevovoda;

- ultrazvuno merenje debljine zida;- merenje tvrdoe materijala prenosnim ureajem;- kontrola nepropusnosti vakuumskom metodom;- spektroskopska semikvantitativna hemijska analiza;

Svi rezultati ispitivanja kao i Izvetaji o ispitivanjima, sa foto-grafijama, mikrografijama, skicama i sl., kompjuterski se obrauju i, posle predaje Izvetaja, trajno arhiviraju na kompakt diskovima. Pored pisanih Izvetaja 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 parovodameupregrejane pare - replika, 200x

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

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