• Polska
FSW przyszłością metalurgii

FSW przyszłością metalurgii

Konstruktorzy nowoczesnych samolotów, samochodów czy kolei coraz częściej decydują się na komponenty łączone przez zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem materiału zgrzeiny.

Metod łączenia aluminium jest wiele, jednak najnowocześniejszą jest technika zgrzewania tarciowego z przemieszaniem materiału zgrzeiny. To metoda nowatorska, ale sprawdzona technologicznie pod kątem różnych parametrów takich jak wytrzymałość na zginanie czy odporność na korozję przez The Welding Institute z siedzibą w Cambridge. Technika ta coraz częściej wykorzystywana jest także w Polsce: PZL Mielec wykorzystuje zgrzewanie tarciowe w produkcji samolotów Black Hawk; W ten proces zaangażowała się firma Sapa, mająca swoje siedziby także w Polsce.

FSW- Friction Stir Welding

Technologia zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, inaczej FSW, opiera się na specjalistycznej technice łączenia materiałów poprzez narzędzie, które powoduje uplastycznienie i wymieszanie materiału w obszarze zgrzeiny. Najistotniejszym elementem urządzenia potrzebnego w tym procesie jest wyprofilowany trzpień osadzony w wieńcu opory, który wykonuje ruch obrotowy. Pod wpływem tarcia oraz wytworzonego ciepła łączone materiały stają się na tyle plastyczne, że ruch obrotowy, wykonywany przez trzpień, łączy je, a w miejscu łączenia powstaje zgrzeina. Połączenie mieszanych materiałów zachodzi przy jednoczesnym rozbiciu i równomiernym rozłożeniu tlenków pochodzących z powierzchni zgrzewanych elementów.

Najważniejsze korzyści

Wytrzymałość elementów połączonych przy użyciu zgrzewania tarciowego jest zbliżona do wytrzymałości materiału rodzimego. Według badań z 2003r. przeprowadzonych w Polsce w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach, połączenia stopów aluminium metodą zgrzewania osiągały między 80 a 95% wytrzymałości w porównaniu do materiału rodzimego.

Szczelność zgrzeiny pomiędzy łączonymi elementami jest tak duża, że tworzą one niemal jednolitą płaszczyznę o minimalnej porowatości, co również skutkuje większą wytrzymałością. Badania firmy Sapa Aluminium na chłodnicach zamykanych metodą FSW dowodzą, że części łączone tą metodą są całkowicie szczelne, tym samym nie występuje ryzyko przeciekania czy ulatniania się substancji.

Powtarzalność struktury łączenia, wytrzymałości, szczelności i płaskości jest na tyle duża, że w cyklu produkcyjnym w przypadku obróbki seryjnej występują jedynie bardzo małe różnice pomiędzy zgrzeinami. - Precyzyjność narzędzi używanych przy zgrzewaniu tarciowym jest tak duża, że nawet jeśli w przypadku produkcji masowej wystąpią jakieś różnice pomiędzy zgrzeinami, to nie wpłyną one znacząco na jakość wykonania tych połączeń - tłumaczy Michał Karbowy, kierownik produkcji w firmie Sapa Aluminium.

Minimalne odkształcenia cieplne występujące przy zgrzewaniu są znacznie mniejsze niż w przypadku zastosowania innych metod opierających się na wykorzystaniu ciepła do połączenia metalowych komponentów. Zgrzewanie FSW przebiega w niższej temperaturze niż topnienie metalu, więc naprężenia termiczne w materiale, które mogłyby powodować odkształcenia, są znikome. Dzięki temu zespojone powierzchnie są całkowicie płaskie i nie wymagają późniejszych poprawek.

Odporność na korozję zgrzeiny powstałej podczas zgrzewania tarciowego z przemieszaniem jest tak duża jak w przypadku materiału rodzimego, ponieważ ich składy chemiczne są dokładnie takie same.

Zastosowanie

Metoda FSW znajduje swoje zastosowanie w praktycznie każdej dziedzinie przemysłu, jednak należy wyróżnić te, dla których jest ona szczególnie korzystna, ze względu na wymagania, jakie stawiają przed nimi współczesne wymagania rynkowe.

Lotnictwo to branża, która wciąż się rozwija i poszukuje coraz tańszych i wygodniejszych rozwiązań. W większości przypadków do połączenia metali potrzebnych do stworzenia części samolotowych, takich jak kadłuby, skrzydła, zbiorniki paliwowe, czy silniki turbinowe stosowano metody konwencjonalne, takie jak spawanie, klejenie czy nitowanie. Jednak z roku na rok coraz częściej używa się metody FSW, dzięki której można łączyć ze sobą stopy aluminium, których struktura nie pozwalała na tworzenie stałych połączeń.

Motoryzacja podobnie jak lotnictwo stawia na lżejsze konstrukcje celem zmniejszenia zużycia paliwa, kosztów produkcji oraz emisji CO2 do środowiska. Aluminium pod postacią glinu jest trzecim pod względem powszechności występowania pierwiastkiem w przyrodzie. W związku z tym jest on również jednym z najbardziej dostępnych materiałów. - Aluminiowe silniki, chłodnice oraz inne elementy konstrukcji wykonane przez nas metodą FSW zapewniają odpowiednią szczelność, wytrzymałość oraz lekkość, które przekładają się na bezpieczeństwo i koszty produkcji oraz na koszty późniejszego utrzymania samochodów – tłumaczy Michał Karbowy z firmy Sapa.

Budownictwo to branża, dla której takie właściwości jak wytrzymałość czy odporność na korozję są bardzo ważne, dlatego również wykorzystuje FSW przy produkcji m.in. konstrukcji podłóg, rur czy ram okiennych. Dzięki temu budynki nie niszczeją tak szybko i nie wymagają ciągłej konserwacji.

Nie wszystkie elementy metalowe mogą być łączone przez zgrzewanie tarciowe ze względu na to, że zgrzewarka musi być do nich dopasowana, aby połączenie było trwałe i jednolite. W przypadku większych elementów lub w przypadku napraw można jednak z powodzeniem użyć innych metod, takich jak spawanie czy lutowanie, które również są skuteczne, choć nie tak szybkie i nieskomplikowane jak FSW.