Zavarivanje trenjem s miješanjem (FSW) je tehnika zavarivanja u čvrstom stanju koja formira zavareni šav ručnim miješanjem metala kako bi se stvorila toplina trenja i dovođenjem rotirajućeg alata duž spojne linije između dvaju obratka. To miješanje ili miješanje daje naziv procesu. Konvencionalno FRW generira toplinu trenja iz samih dijelova, dok FSW generira iz zasebnog alata otpornog na habanje.
Kako funkcionira zavarivanje trenjem i miješanjem
Kod FSW zavarivanja, rotirajući alat je stepenasto oblikovan; ima manju sondu koja se proteže ispod njegovog cilindričnog ramena. Rame stvara mnogo topline trenjem kada se trlja o gornje površine dvaju dijelova tijekom zavarivanja. Istovremeno, sonda - koja je namijenjena lakšem mehaničkom miješanju - stvara više topline miješanjem metala duž spoja. Umjesto taljenja metala, ovaj proces trenja i miješanja omekšava ga do vrlo kovanljivog stanja.
Vodeća površina rotirajuće sonde gura omekšali metal u prostor iza sebe i oko sebe dok se alat kreće duž spoja. Ovim postupkom metal se kuje u bešavni zavar. Kako bi se osiguralo da plastificirani metal pravilno teče oko sonde, rame je ključno za ograničavanje materijala.
Fina, jednakoosna rekristalizirana zrna nastaju intenzivnom plastičnom deformacijom na visokim temperaturama tijekom FSW procesa. Zavari proizvedeni ovom fino podešenom mikrostrukturom imaju iznimna mehanička svojstva. Robusnost zavara poboljšana je složenim kretanjem materijala oko igle omogućenim posebnom geometrijom alata i kombinacijom translacije i rotacije.
Geometrija i dizajn alata
Geometrija alata ključna je za razvoj postupka zavarivanja trenjem s miješanjem (FSW). Dizajn FSW alata, koji se sastoji od igle i ramena, ključan je za brzinu zavarivanja i protok materijala. Glavne svrhe alata su olakšavanje protoka materijala i osiguravanje lokaliziranog zagrijavanja, kao što je prikazano na slici ispod.
Toplina se proizvodi tijekom prvog uranjanja trenjem između igle i obratka, kao i deformacijom materijala. Trenje između ramena i obratka proizvodi većinu komponente zagrijavanja. Ostali elementi dizajna manje su važni za učinkovitost zagrijavanja od relativnih veličina igle i ramena. Osim toga, rame pomaže kod lokaliziranog zagrijavanja ograničavanjem zagrijanog materijala.
Sposobnost alata da pomiče i miješa materijal njegova je druga ključna uloga. Dizajn alata utječe i na procesna opterećenja i na mikrostrukturu zavara i ujednačenost svojstava. Za ove vrste poslova obično se koriste navojni cilindrični klinovi i konkavno rame.
Geometrija alata razvila se kako bi uključila sofisticirane značajke koje poboljšavaju protok materijala, miješanje i smanjuju procesna opterećenja kako se naše razumijevanje protoka materijala povećavalo. Na primjer, TWI je razvio alate Whorl i MX Triflute, koji su prikazani na slici ispod, s klinovima oblikovanim poput krnjeg zgloba. U usporedbi s cilindričnim klinovima istog promjera korijena, ovi dizajni pomiču puno manje materijala; otprilike 60% odnosno 70% manje. Prednosti ovih alata uključuju smanjenu snagu zavarivanja, lakši protok plastificiranog materijala i veće stvaranje topline zbog poboljšanog spoja materijala i klina. Uspješno su zavarivali aluminijske ploče debljine do 50 mm u jednom prolazu, a u sljedećim prolazima su izrađivali još deblje zavare.
Tradicionalni cilindrični navojni klinovi za preklopno zavarivanje često rezultiraju pretjeranim stanjivanjem gornjeg lima, što smanjuje karakteristike savijanja. Kada je zamor glavni problem u primjeni, širina zavarenog spoja i kut zareza su ključni. Kako bi se poboljšala kvaliteta preklopnog zavarivanja, stvorene su novije geometrije klinova kao što su A-skew i Flared-Trifute. Ovi dizajni poboljšavaju aktivnosti kovanja i miješanja na zavarenom spoju, proširuju zonu zavarivanja i povećavaju omjer zahvatnog volumena i statičkog volumena. Daju znatno proširena područja zavarivanja, smanjenje stanjivanja gornje ploče za više od faktora četiri i poboljšanje brzine zavarivanja za više od 100% u usporedbi s tradicionalnim klinovima, sve uz 20% smanjenje aksijalne sile.
Alati s proširenim trifluteom
Ovi razvoji ističu važnost geometrije alata u simulaciji fluida. Posebno, A-skew i Flared-Trifute igle povećavaju kvalitetu zavara smanjenjem kuta zareza na granici zavara, promjenom putanje protoka i poboljšanjem djelovanja miješanja.
Parametri zavarivanja kod zavarivanja trenjem s miješanjem
Dva su čimbenika posebno važna kod zavarivanja trenjem s miješanjem (FSW): brzina pomicanja alata (v, mm/min) i brzina rotacije alata (ω, okretaji u minuti). Kako bi se završio proces zavarivanja, alat svojim pomicanjem prenosi materijal koji je miješan duž linije spoja nakon što je svojom rotacijom promiješao i izmiješao materijal oko rotirajućeg klina.
Intenzivno miješanje i miješanje materijala uzrokovano je većim brzinama rotacije alata zbog viših temperatura nastalih većim zagrijavanjem trenjem. Stoga je važno napomenuti da trenje između površine alata i obratka kontrolira proces zagrijavanja. Stoga se ne očekuje nužno da će zagrijavanje rasti linearno s brzinom rotacije alata, jer koeficijent trenja na granici može varirati.
Druga važna varijabla je kut pod kojim se alat ili vreteno naginje u odnosu na površinu obratka. Navojni klin pomaže ramenu alata da učinkovito pomiče miješani materijal kada je pod odgovarajućim kutom u smjeru pratećeg materijala. Za glatke ramene alata i čvrste zavare, dubina umetanja klina - ponekad nazvana ciljana dubina - u obratke također je bitna.
Za učinkovito pomicanje materijala od prednje prema stražnjoj strani igle, idealna dubina umetanja jamči ispravan kontakt ramena alata s izvornom površinom obratka. Zavar može razviti površinske utore ili unutarnje kanale ako je dubina umetanja preplitka. S druge strane, ako je preduboka, može doći do puno ispuštanja, što bi uzrokovalo da zavar postane primjetno konkavan, a zavarene ploče lokalno stanjivanje.
Novi razvoji, uključujući "spiralna" ramena alata, omogućuju FSW bez ikakvog nagiba alata, što je vrlo korisno za spojeve s krivuljama.
Za neke FSW procese, predgrijavanje ili hlađenje također mogu biti bitni. Moguće je da samo trenje i miješanje neće uzrokovati omekšavanje i plastifikaciju materijala s visokim talištem, poput čelika i titana, ili visoke vodljivosti, poput bakra, oko rotirajućeg alata u potrebnoj mjeri. Predgrijavanje ili dodavanje više vanjskih izvora topline može poboljšati protok materijala i produžiti procesni prozor u takvim okolnostima. Nasuprot tome, hlađenje može biti korisno za materijale s nižim talištem, poput magnezija i aluminija, kako bi se spriječilo otapanje taloga ojačavanja i značajan rast rekristaliziranih zrna u i oko zone miješanja.
Zglobni dizajni
Sučeljeni i preklopni spojevi su najpraktičniji spojevi za zavarivanje trenjem s miješanjem (FSW). Zbog svoje svestranosti i jednostavnosti korištenja, ovi su spojevi nezamjenjivi.
Za osnovni kvadratni sučeoni spoj, dvije ploče ili limovi identične veličine čvrsto se stežu na podložnu ploču. To sprječava odvajanje površina susjednih spojeva tijekom zavarivanja. Značajne sile primjenjuju se dok se rotirajući alat uranja u liniju spoja; stoga je vrlo važno obratiti posebnu pozornost na održavanje poravnanja ploča. Snažan zavar nastaje kada se rame alata pomiče duž linije spoja nakon kontakta s površinom ploče. Sučeoni spojevi uobičajena su opcija za mnoge primjene zavarivanja zbog svoje jednostavnosti.
(a) kvadratni tup spoj, (b) rubni tup spoj, (c) T tup spoj
Druga tipična konfiguracija je preklopni spoj, koji je potporna ploča stegnuta preko dvije preklapajuće ploče ili limova. Rotirajući alat spaja dvije ploče probijajući okomito kroz gornju ploču i u donju ploču, a zatim se pomičući u ispravnom smjeru. Primjene gdje preklapajući materijali trebaju biti sigurno povezani uvelike imaju koristi od ove tehnike.
FSW dopušta niz alternativnih izvedbi spojeva, uključujući kutne spojeve, uz osnovne sučeone i preklopne spojeve. Ove kombinacije, koje kombiniraju aspekte sučeonih i preklopnih spojeva, izrađene su kako bi zadovoljile posebne inženjerske zahtjeve. Na primjer, kutni spojevi (vidi sliku dolje) koriste se kada se tijekom procesa zavarivanja moraju zadovoljiti određeni strukturni kriteriji.
filetni spoj
Prednosti FSW-a
Za primjene gdje su sigurnost i strukturni integritet najvažniji, zavarivanje trenjem s miješanjem (FSW) pruža mnoštvo prednosti, uključujući stvaranje nevjerojatno izdržljivih zavarenih šavova koji mogu podnijeti povišene mehaničke tlakove. Ovaj proces jamči izvrsnu dimenzijsku stabilnost s minimalnim izobličenjem i proizvodi spojeve koji su nepropusni za medije i tlak s malim izobličenjem. FSW stvara urednu mikrostrukturu bez loma i održava karakteristike legure jer proizvodi vrlo malo topline.
Kad je riječ o okolišu, FSW je iznimno prihvatljiv jer ne zahtijeva potrošni materijal poput žica i plinova te ne zahtijeva čišćenje površine, otpad od brušenja ili zaštitni plin. Koristi znatno manje materijala i teži manje jer je njegova potrošnja energije samo 2.5 posto laserskog zavarivanja. U automobilskoj, pomorskoj i industriji lakih zrakoplova, ova učinkovitost dovodi do niže potrošnje goriva.
FSW također proizvodi jači, glatkiji zavar od drugih tehnika zavarivanja i smanjuje broj fiksnih dijelova koje je potrebno zamijeniti tijekom procesa projektiranja i proizvodnje. To se postiže laganim okretanjem obratka bez upotrebe vanjskih sila.
Izazovi i ograničenja
Metoda zavarivanja trenjem s miješanjem (FSW) ima razne nedostatke. Jedan od glavnih nedostataka je taj što kada se alat izvuče, ostaje izlazni otvor koji može biti problematičan za neke primjene.
Dijelovi koji se zavaruju također moraju biti čvrsto stegnuti, što komplicira operaciju.
Primjene koje ovise o tradicionalnoj opremi ne mogu koristiti FSW zbog visokih početnih ulaganja i potrebe za specijaliziranom opremom. Štoviše, FSW zahtijeva značajno vrijeme zastoja između zavarivanja i sporiji je od drugih tehnika zavarivanja.
Primjene zavarivanja trenjem uz miješanje (FSW)
Mnoge različite industrije koriste zavarivanje trenjem s miješanjem (FSW), uglavnom za spajanje aluminijskih legura svih vrsta koje su lijevane, valjane ili ekstrudirane. Ovisno o kvaliteti legure i kapacitetu stroja, ova tehnika može zavarivati sučeone spojeve aluminijskih legura debljine od 0.3 mm do 75 mm u jednom prolazu. FSW je koristan za spajanje legura poput magnezija, titana, bakra, nikla i čelika, uz aluminij. Također se može koristiti za spajanje plastike i metalnih matričnih kompozita (MMC). Može čak kombinirati i materijale koji nisu kompatibilni, poput čelika i aluminija.
U zrakoplovnoj industriji, FSW je savršen za proizvodnju tankih legiranih obloga, spremnika za gorivo i trupa zrakoplova zbog visoke kvalitete zavara i geometrijske ispravnosti. Koristi se u automobilskoj industriji za lagane konstrukcije, što poboljšava učinkovitost goriva. FSW se koristi u brodogradnji i željezničkoj industriji za izgradnju teških spremnika, vagona i željezničkih vagona. FSW se također koristi u elektronici, kao što su ladice za baterije električnih vozila, što pokazuje njegovu prilagodljivost nizu namjena.
Reference
Groover, MP, 2010. Osnove moderne proizvodnje: Materijali, procesi i sustavi. 4. izd. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
