4.5.1. Zalety i ograniczenia procesu
Zwiększenie popularności technologii zgrzewania tarciowego z mieszaniem mate-riału spoiny w przemyśle związane jest z korzyściami jakie przynosi proces pod wzglę-dem metalurgicznym, środowiskowym i energetycznym [01Wil, 05Mis, 06Ada, 07Mis]. Do głównych korzyści FSW można zaliczyć [01Wil, 05Mis, 06Ada, 07Mis, 09Thr]:
Łączenie stopów konwencjonalnie niespawalnych. Dotychczas wszystkie przeba-dane stopy aluminium można było połączyć metodą FSW. Podczas procesu nie wy-stępują wysokie temperatury i topnienie, co ogranicza pojawienie się problemów z pękaniem, porowatością i utratą pierwiastków stopowych.
Spajanie różnych materiałów ze sobą.
Możliwość łączenia materiałów w różnych konfiguracjach złącza (rys. 4.10).
Dobre własności mechaniczne (drobnoziarnista struktura) złącz w porównaniu ze złączami wykonanymi konwencjonalnymi metodami.
Zdolność zgrzewania bardzo grubych materiałów (nawet powyżej 25 mm).
Rys. 4.10. Konfiguracje złącz możliwych do otrzymania metodą FSW: a) doczołowe; b) narożne; c) zakładkowe; d) teowe [05Mis].
Oszczędność materiałów; przy FSW nie jest wymagany materiał dodatkowy (drut do spawania, spoiwo czy lut) ani gaz ochronny (ze względu na stosunkowo niskie temperatury towarzyszące procesowi). Elementy zgrzewane tarciowo z mieszaniem materiału zgrzeiny nie wymagają również specjalnego przygotowania powierzchni (nie ma konieczności używania żadnych rozpuszczalników do otłuszczania czy roz-tworów do czyszczenia chemicznego).
Podczas procesu nie powstaje dym, co jest ważną zaletą procesu pod względem ekologicznym.
Procesowi nie towarzyszy promieniowanie. Nie jest obecny łuk (jak w przypadku spawania łukowego), ani nie ma bezpośredniego użycia dużej energii (jak w przypadku spawania plazmowego, laserowego czy wiązką elektronową). Zużywa się zaledwie 2,5 % energii wymaganej do łączenia laserowego. Zatem sprzęt może być bez problemu zainstalowany w jakiejkolwiek fabryce bez niebezpieczeństwa dla użytkowników.
Łatwe zautomatyzowanie technologii ze względu na prostą zasadę działania proce-su. Daje to powtarzalność otrzymywanych połączeń. Na rys. 4.11 pokazano przy-kładowe urządzenia do zgrzewania FSW.
______________________________________________________________________ b) ESAB LEGIO™ FSW 4UT [10Web].
Istnieją jednak pewne ograniczenia metody FSW. Wymagane jest sztywne moco-wanie elementów oraz podpora z przeciwnej strony narzędzia. Narzędzie w zależności od zastosowania może szybko się zużywać.
Ponieważ proces FSW jest stosunkowo nowy, dostępność danych dotyczących pa-rametrów procesu, projektu narzędzia czy własności mechanicznych zgrzeiny jest ogra-niczona do pewnego zakresu stopów i grubości elementów. Własności w niektórych przypadkach wymagają dalszego polepszenia, co pozwoli na pełne zasto-sowanie.
Na początku oraz na końcu ściegu występuje obszar o obniżonej jakości (rys. 4.12), choć ostatnio pojawiły się już rozwiązania tego problemu. Otwór wyjściowy spowodowany jest podniesieniem narzędzia. Kołnierz i trzpień są unoszone
jednocze-śnie, stąd materiał nie jest już dociskany, co powoduje niedobór ciepła
w miejscu, gdzie znajdował się trzpień. W wyniku tego materiał zostaje schłodzony i mniej plastyczny aby mógł zapełnić otwór [05Mis, 07Mis, 08Nan] .
Rys.4.12. Otwór wyjściowy powstający na końcu ściegu łączonych płyt metodą FSW. W celu uniknięcia powstania otworu wyjściowego stosuje się narzędzia z ruchomym trzpieniem. Trzpień zostaje uniesiony na kilka sekund przed zakończeniem procesu, natomiast kołnierz nadal dociska materiał i obracając się wymusza ruch mate-riału, który uzupełnia miejsce po trzpieniu.
4.5.2. Zastosowanie
spaja-czenia wysokowytrzymałych stopów aluminium i zaawansowanych stopów aluminium otrzymanych metodami metalurgii proszków. Obecnie za pomocą FSW można otrzy-mać odpowiedniej jakości zgrzeiny takich materiałów jak: miedź, ołów, magnez, tytan, cynk, stal miękka, wybrane stale nierdzewne i stopy niklu, zarówno w łączeniu elemen-tów z dwóch tych samych materiałów jak i różnych, np. różne stopy aluminium, alumi-nium-miedź, aluminium-stal [01Nic].
W krajach wysoko uprzemysłowionych (USA, Japonia, kraje skandynawskie) proces stosowany jest na skalę przemysłową, przeważnie przy produkcji środków trans-portu i w przemyśle zbrojeniowym. Pierwszym zastosowaniem FSW było łączenie długich płyt materiału w przemysłach lotniczym, okrętowym i kolejowym (np. zbiorniki paliwa w rakietach nośnych, pokłady ładunkowe promów, dachy wagonów kolejo-wych).
Przodującymi firmami w zastosowaniu metody są Boeing Company, Lockheed Martin i NASA, czyli firmy lotnicze. Pierwsze zastosowanie procesu FSW przy pro-dukcji w USA wykonano przez Boeing Company do rakiety nośnej Delta w 1998 roku, która rok później została z powodzeniem wystrzelona [10Ajt]. W maju 2002 roku za-twierdzono proces FSW jako proces zastępujący nitowanie głównej struktury samolotu Eclipse 500. Za pomocą FSW otrzymywano konstrukcję sztywniejszą niż po nitowaniu, a sam proces można było wykonać 10 razy szybciej niż nitowanie. Obecnie przemysł lotniczy wykorzystuje proces FSW w łączeniu konstrukcji skrzydeł, kadłubów, zbiorni-ków paliwowych. Także zbiorniki paliwowe do rakiet wykonywane są przy użyciu FSW [01Wil, 06Ada].
Metoda FSW cieszy się dużym zainteresowaniem również w przemyśle samocho-dowym. Rozwój w projektowaniu nowych, bardziej ekonomicznych pojazdów dopro-wadził do wzrostu zużycia stopów aluminium, które w efekcie zmniejszały masę du, czyli zużycie paliwa i pozwalały na możliwość recyklingu po złomowaniu pojaz-dów. Wskutek większego wykorzystywania niespawalnych wysokowytrzymałych sto-pów aluminium zaczęto wprowadzać metodę FSW. W 2001 roku Mazda Motor Corpo-ration, Japan, ogłosiła, że opracowała metodę zgrzewania punktowego opartą na FSW dla montażu produkcji nadwozi aluminiowych. Technologia została stosowana przy tylnich drzwiach i masce silnika w Mazdzie RX-8, nowym czteroosobowym samocho-dzie sportowym. Mazda zakomunikowała, że w przeciwieństwie do tradycyjnego zgrzewania oporowego punktowego, procesowi nie towarzyszą rozpryski przy
zgrze-______________________________________________________________________ Coraz większa liczba innych firm w przemyśle samochodowym wprowadza pro-ces FSW do wspomagania swojej produkcji. W lipcu 2003 roku w Advanpro-ces Mate-rials&Processes, Ford zakomunikował o swoim pierwszym zastosowaniu FSW w łączeniu wieloelementowego zawieszenia w nowym Fordzie GT. Opierając się na oświadczeniu Forda, FSW w porównaniu z zautomatyzowanym spawaniem łukowym w osłonie gazowej, polepsza dokładność wymiarów montażu i produkuje złącza o 30% większej wytrzymałości.
Przez ostatnie 15 lat FSW stała się dojrzałą technologią łączenia stopów alumi-nium, wykorzystywaną przy produkcji niemal wszystkich środków transportu. Ta prosta metodologia procesu, połączona z wysokowytrzymałymi złączami, podnosi niezawod-ność i redukuje zanieczyszczenia. Jednakże badania nad możliwościami metody jeszcze trwają [01Nic, 03Pie1, 06Ada, 10Met].