PROFILBARU.COM

Princip třecího svařování s promíšením resp. třecího svařování promíšením^[1] resp. třecího svařování s rotujícím nástrojem^[2] (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.^[3]

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

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

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

Oblast stavby lodí byla jedním z prvních průmyslových odvětví, kde se metoda třecího svařování promíšením začala komerčně využívat, především v následujících aplikacích:^[4]

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

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.^[5]

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

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

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:^[6]

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

Reference

↑ ČSN EN ISO 4063. Svařování a příbuzné procesy - Přehled metod a číslování. Praha : ÚNMZ, 2010-03-01. detail.
↑ KUBÍČEK, Jaroslav. Technologie svařování [online]. VUT, ÚST, 2010-12-20 [cit. 2011-07-24]. S. 37. Dostupné v archivu pořízeném dne 2016-03-05.
↑ D. Lohwasser and Z. Chen: "Friction stir welding — From basics to applications" Woodhead Publishing 2010 Archivováno 18. 7. 2011 na Wayback Machine., Chapter 5, Pages 118–163, ISBN 978-1-84569-450-0.
↑ Fred Delany, Stephan W Kallee, Mike J Russell: "Friction stir welding of aluminium ships"^{[nedostupný zdroj]}, Paper presented at 2007 International Forum on Welding Technologies in the Shipping Industry (IFWT). Held in conjunction with the Beijing Essen Welding and Cutting Fair in Shanghai, 16–19 June 2007.
↑ S. W. Kallee and J. Davenport: "Trends in the design and fabrication of rolling stock"^{[nedostupný zdroj]}, Paper published in European Railway Review, Volume 13, Issue 1, 2007.
↑ S. W. Kallee, J. M. Kell, W. M. Thomas und C. S. Wiesner:"Development and implementation of innovative joining processes in the automotive industry"^{[nedostupný zdroj]}, Paper presented at DVS Annual Welding Conference "Große Schweißtechnische Tagung", Essen, Germany, 12–14 September 2005.

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]}