Bez względu na metodę spajania, otrzymane połączenie powinno charakteryzo-wać się bardzo dobrą jakością oraz odpowiednimi własnościami w zależności od jego zastosowania. Dobra jakość złącza gwarantuje dużą trwałość i niezawodność wyrobów i konstrukcji spajanych. Stąd dobór metody jest bardzo ważny.
Stopy aluminium są najczęściej spawanymi stopami wśród stopów metali nieżela-znych. Ich spawalność zależy głównie od składu chemicznego stopu, technologii spa-wania i kształtu połączenia. Większość stopów aluminium jest spawalnych, jednak sto-py wysokowytrzymałe (niektóre stosto-py z serii 2xxx lub 7xxx) uznawane są za trudno lub w ogóle niespawalne [93Lan, 10Twi].
Spawalność stopów aluminium jest ograniczona wrażliwością na pękanie w procesie krzepnięcia i przez pogorszenie własności mechanicznych w strefie wpływu ciepła. Częstym problemem w spawaniu łukowym w osłonie gazów ochronnych jest również porowatość spoin. Ogólnie, wysokowytrzymałe stopy aluminium są bardziej wrażliwe na pękanie na gorąco w strefie stopienia i strefie częściowo przetopionej oraz spadek własności mechanicznych w strefie wpływu ciepła. Natomiast stopy Al-Li i stopy uzyskiwane metodami metalurgii proszków są wrażliwe na porowatość w strefie złącza [03Kou, 10Twi].
Najczęściej pojawiającym się problemem jest pękanie podczas krzepnięcia. Zwią-zane jest ono z dodatkiem pierwiastków stopowych a nie jak w przypadku stali z obecnością niskotopliwych domieszek. Pęknięcia mogą mieć charakter krystalizacyj-ny w osi spoikrystalizacyj-ny (rys. 3.1) lub segregacyjkrystalizacyj-ny w strefie wpływu ciepła (rys. 3.2).
Rys. 3.1. Pęknięcie krystalizacyjne w spoinie: a) małe powiększenie [10Twi], b) duże powiększenie [08Tas].
Rys. 3.2. Pęknięcie segregacyjne w spoinie a) małe powiększenie [10Twi], b) duże powiększenie [08Tas].
Pojawianie się pęknięć w stopach aluminium spowodowane jest segregacją faz niskostopowych do granic ziaren oraz dużymi odkształceniami, które występują w spoinie podczas jej krzepnięcia i stygnięcia. Ze względu na wysoką rozszerzalność cieplną aluminium (dwukrotnie wyższą od stali) i znaczny skurcz podczas krzepnięcia – około 7% – w procesie spawania stopów aluminium powstają znaczne naprężenia i odkształcenia elementów doprowadzające do pęknięcia spoiny. W przypadku stopów wysokowytrzymałych może pojawić się także pękanie korozyjno naprężeniowe [93Lan, 03Kou, 08Tas, 10Twi].
Głównymi przyczynami tworzenia się pęknięć krystalizacyjnych są:
− nieprawidłowy dobór spoiwa do materiału rodzimego,
− nieprawidłowa geometria spoiny,
− nieodpowiednie warunki spawania.
Ryzyko wystąpienia tego typu pękania może zostać zmniejszone poprzez zasto-sowanie odpowiedniego materiału spoiwa (najczęściej stosowane są stopy z serii 4xxx i 5xxx). Skład chemiczny spoiwa uzależniony jest od spawalności materiału rodzimego, minimalnych własności jakie powinna posiadać spoina oraz odporności korozyjnej.
______________________________________________________________________ W przypadku stopów obrabialnych cieplnie nie można użyć spoiwa o tym samym skła-dzie, co stop łączony, ponieważ wzrasta ryzyko pęknięcia. W rezultacie do spawania stopów obrabialnych cieplnie stosuję się spoiwa ze stopów nieobrabialnych cieplnie (np. 5083, 4043, stopy z serii 4xxx, które wykazują małą podatność do pękania na gorą-co). Należy, więc ograniczyć stosowanie materiałów charakteryzujących się wysoką skłonnością do pękania (np. stop Al z 3% Cu). Jeżeli zastosowanie ich jest konieczne, należy dobrać taki materiał spoiwa, który po zmieszaniu z materiałem spawanym da skład spoiny o małej skłonności do pękania. Poprzez zastosowanie właściwego materia-łu spoiwa, odpowiednio dobranej konstrukcji złącza i energii spawania, możemy unik-nąć pękania spoin. Konfiguracja złącza i sposób ukosowania także mają wpływ na roz-cieńczenie spoiwa, a zatem na jego skłonność do pękania [93Lan, 03Kou, 08Tas, 10Twi].
Pękanie segregacyjne pojawia się w SWC, kiedy na granicach ziaren tworzy się faza o niskiej temperaturze topnienia. Utrudnienie stanowi przeciwstawienie się
naprę-żeniom ściskającym generowanym podczas krzepnięcia i stygnięcia metalu spoiny.
Obrabiane cieplnie stopy aluminium, szczególnie z serii 6xxx i 7xxx, są bardzo wrażli-we na ten typ pękania. Zastosowanie spoiwa z metalu o niższej temperaturze topnienia niż materiał podstawowy może ograniczyć ryzyko wystąpienia pękania segregacyjnego; stopy z serii 6xxx (np. 6061) mogą być spawane za pomocą spoiw z 4xxx (np. 4043). Jednakże spoiwa 4xxx nie powinny być stosowane do spawania stopów o wysokiej za-wartości magnezu (np. 5083). Nadmierna ilość powstałego krzemku magnezu spowodu-je spadek plastyczności i tym samym wzrost wrażliwości na pękanie na granicy stapia-nia [08Tas, 10Twi].
Spadek własności wytrzymałościowych, a także odporności korozyjnej spoiny spowodowany jest różnorodnością mikrostruktury na przekroju spoiny. Zmiany mikro-struktury w samym złączu i w jego pobliżu wynikają z przemian fazowych wywołanych zmianami temperatury. Podczas tradycyjnego spajania z udziałem fazy ciekłej mikro-struktura stopów umacnianych wydzieleniowo zmienia się od mikrostruktury charakte-rystycznej po odlewaniu (obecność eutektyki), poprzez mikrostrukturę po wyżarzaniu, przesycaniu, starzeniu naturalnym do mikrostruktury po przestarzeniu [93Lan, 03Kou, 08Tas, 10Twi].
Porowatość jest często uważana za nieodłączną cechę spoin wykonanych metodą MIG. Typowy wygląd porowatości w spoinie TIG pokazano na rys. 3.3.
Rys. 3.3. Porowatość w spoinie wykonanej metodą TIG [10Twi].
Głównym powodem porowatości jest absorpcja wodoru do jeziorka ciekłego me-talu, który formuje pojedyncze pory w krzepnącej spoinie. Najpowszechniejszymi źró-dłami wodoru są węglowodory i wilgoć z zanieczyszczeń z powierzchni rodzimego materiału i drutu do spawania, oraz z pary wodnej z atmosfery gazu ochronnego. Nawet ilości śladowe wodoru mogą przekroczyć próg stężenia powodującego powstawanie porów w jeziorku ciekłego metalu. Aluminium jest jednym z metali najbardziej wrażli-wych na porowatość. Duża przewodność cieplna aluminium oraz wysoka rozpuszczal-ność wodoru w ciekłym aluminium i praktycznie brak rozpuszczalności w stanie sta-łym, jest przyczyną porowatości w złączach spawanych. Krzepnięcie płynnego metalu jest tak szybkie, że proces dyfuzji rozpuszczonego gazu na zewnątrz spoiny jest utrud-niony, a w skrajnym przypadku nawet zatrzymany, stąd powstawanie pęcherzy gazo-wych.
Na powierzchni elementów łączonych obecna może być warstewka tlenków, wil-goć, smary, farba czy inne zanieczyszczenia, które rozkładając się w wysokiej tempera-turze łuku, tworzą wodór powodujący porowatość spoin. W celu uniknięcia ryzyka po-wstania porów, powierzchnie materiału oraz drutu spawalniczego powinny zostać do-kładnie oczyszczone. W spawaniu w osłonie gazów ochronnych, należy unikać napo-wietrzania. Osłona gazowa oraz łuk powinny być ochronione przed przeciągami. Za-bezpieczenia powinny chronić przed parą wodną, która może pojawić się np. ze sprzętu spawalniczego. Zaleca się oczyszczenie systemu spawalniczego na godzinę przed uży-ciem [93Lan, 03Kou, 10Twi].
Powierzchnie można oczyścić poprzez:
− Mechaniczne czyszczenie − do usunięcia warstwy tlenków i zanieczyszczeń z powierzchni materiału można użyć szczotki drucianej, skrobania lub spiłowania.
− Rozpuszczalniki − do usunięcia smarów, tłuszczy, oleju, brudu lub luźnych cząstek można zastosować zanurzanie, spryskiwanie lub wycieranie organicznym rozpusz-czalnikiem.
______________________________________________________________________
− Trawienie chemiczne − np. 5% roztwór wodorotlenku sodu można zastosować do czyszczenia kąpielowego, następnie należy wypłukać w HNO3 i wodzie w celu usu-nięcia produktów reakcji z powierzchni [10Twi].
Nieprawidłowy dobór parametrów spawania lub źle dobrana technika spawania może doprowadzić do utworzenia nieprawidłowej spoiny z wadami zewnętrznymi, tj. przyklejenia czy podtopienia. Wysoka przewodność cieplna aluminium i szybkie krzepnięcie jeziorka ciekłego metalu powoduje, że stopy są szczególnie wrażliwe na defekty profilu spoiny. Również niedokładne usunięcie z powierzchni łączonych ele-mentów trudno topliwej, nieulegającej redukcji i trudno rozpuszczalnej powłoki tlenku aluminium Al2O3 może być przyczyną występowania wad. Duże przewodnictwo ciepl-ne utrudnia miejscowe nagrzewanie i stapianie metalu prowadząc do rozległej strefy wpływu ciepła [03Kou, 08Tas].
Otrzymana spoina nie powinna mieć mniejszej wytrzymałości niż materiał rodzi-my. Ścieg spoiny powinien być na tyle gruby, aby przeciwdziałać naprężeniom powo-dującym skurcz. Także stopień osłabienia na spoinie musi być zminimalizowany po-przez zastosowanie odpowiednio przygotowanych krawędzi, dokładnego ułożenia złą-cza i poprawnego porządku spoiny [10Twi].
Przedstawione powyżej wady spoin powodują ograniczenie możliwości spawania. W przypadku niektórych stopów aluminium, np. Al−Zn−Mg−Cu nie można uzyskać trwałej spoiny za pomocą konwencjonalnego spawania. Zbyt wysoka temperatura i to-pienie materiału powodują pojawianie się problemów związanych z pękaniem i porowa-tością. Naprzeciw tym problemom wychodzi metoda zgrzewania tarciowego z miesza-niem materiału spoiny. Dzięki temu, że proces zachodzi w stanie stałym, ilość ciepła powstająca jest dużo niższa niż przy spawaniu i unika się powstawania naprężeń i two-rzenia się niekorzystnych eutektyk, powodujących pękanie złącza.
4. Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału spoiny
4.1. WprowadzenieZgrzewanie tarciowe z mieszaniem materiału spoiny (FSW) jest procesem łącze-nia metali zachodzącym w stanie stałym, która została wynaleziona i opatentowana w Instytucie Spawalnictwa (The Welding Institute – TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii w 1991 roku [91Tho]. Technika ta uważana jest za jedno z największych osią-gnięć w technice spajania materiałów w ostatnim dwudziestoleciu [99Hon, 01Nic, 03Pie1, 05Mis, 06Ada, 07Mis]. Łączenie zachodzi bez udziału fazy ciekłej, czyli
poni-żej temperatury topnienia materiału elementów zgrzewanych, a ilość ciepła wydzielana
podczas tego procesu jest znacznie mniejsza niż podczas spawania tradycyjnego. Dzięki temu naprężenia wewnętrzne są mniejsze oraz możliwe jest uniknięcie tworzenia struk-tury dendrytycznej oraz niekorzystnych faz, np. eutektyk. Mikrostruktura złącza ufor-mowana w wyniku silnego odkształcenia plastycznego i jednoczesnej rekrystalizacji jest drobnoziarnista i zasadniczo pozbawiona wad powstających podczas tradycyjnego spawania [03Lit, 03Pie1, 03Pie2, 05Mis, 06Ada, 06Bar, 06, Bur, 07Dym, 07Lee, 07Mis, 07Pie, 08Mia, 08Sta, 08Węg, 09Thr, 10Mro].
Zastosowanie techniki FSW pozwala na osiągnięcie wyższej jakości połączeń w porównaniu do złącz wykonanych metodami z przetopem [07Ham]. Na rysunku 4.1. pokazano zdjęcia spoiny oraz zgrzeiny FSW. W przypadku stopów aluminium, także tych umacnianych wydzieleniowo, tzw. efektywność połączeń FSW, mierzona jako iloraz wytrzymałości próbki ze zgrzeiną i wytrzymałości materiału rodzimego, jest większa niż najlepszych połączeń tradycyjnych.
______________________________________________________________________ Metoda FSW jest nadal przedmiotem intensywnych badań. W Polsce prace nad tą metodą są prowadzone od kilku lat w Gliwicach w Instytucie Spawalnictwa [03Pie1, 03Pie2, 04Pie, 07Pie, 08Mia, 08Pie, 08Węg] oraz w Krakowie w Instytucie Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN we współpracy z Uniwersytetem Pedagogicznym [02Bra, 03Lit, 05Mro, 06Dut, 06Mro1, 06Mro2, 10Mro], lecz ze względu na skalę problemu ograniczone są do zaledwie kilku lub kilkunastu stopów.
Obecny stan badań nad zgrzewaniem tarciowym z mieszaniem został przedsta-wiony w przeglądowej pracy Threadgilla [09Thr] oraz w książce "Friction Stir Welding and Processing" [07Mis]. Pomimo wielu wysiłków, istota procesu jest daleka od zado-walającego wyjaśnienia. Z dotychczasowych badań wynika, że mikrostruktura, i tym samym własności złącza, zależą nie tylko od parametrów procesu (które są zwy-kle chronione patentami – szczególnie kształt narzędzia), ale również od rodzaju spaja-nych stopów. Otwiera to zatem możliwości dalszych badań przyczyniających się do pełnego poznania zjawisk towarzyszących procesowi zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału spoiny i w konsekwencji do opracowania technologii złącz o coraz wyższej jakości.