Rodzaj narzędzia

Narzędzie spełnia dwie podstawowe funkcje podczas procesu: lokalne nagrzewa-nie łączonych materiałów i wytwarzanagrzewa-nie złącza poprzez wymieszanagrzewa-nie materiału. Stąd uzyskanie wysokiej jakości zgrzeiny wymaga wyboru właściwego narzędzia dla danego

______________________________________________________________________ zastosowania. Wszystkie narzędzia FSW składają się z dwóch części: trzpienia oraz kołnierza (rys. 4.5), przeznaczonych do specyficznych funkcji.

Rys.4.5. Narzędzie FSW: a) schemat; b) zdjęcie [05Mis].

Ogrzewanie materiału jest wynikiem tarcia pomiędzy narzędziem i łączonym ma-teriałem oraz wynikiem silnego odkształcenia plastycznego w strefie złącza. Podczas zagłębiania trzpienia w materiale, ciepło wydziela się przede wszystkim na skutek tarcia pomiędzy trzpieniem a zgrzewanym materiałem. Zagłębienie trwa do czasu, gdy koł-nierz zetknie sie z powierzchnią łączonych elementów. Wtedy większość ciepła pocho-dzi od tarcia pomiędzy kołnierzem a powierzchnią zgrzewanych materiałów. Kołnierz wytwarza większość ciepła pochodzącego od tarcia i odkształcenia w przypadku cien-kich blach, podczas gdy trzpień wytwarza większość ciepła w grubych materiałach. Narzędzie wyznacza więc objętość ogrzanego materiału. Drugą funkcją narzędzia jest mieszanie i wzajemne przemieszczanie materiału. Jednorodność mikrostruktury i wła-sności zależą od kształtu narzędzia. Kształt narzędzia odgrywa więc zasadniczą rolę w sposobie płynięcia materiału, a to z kolei determinuje szybkość przesuwu narzędzia, wyznaczając szybkość całego procesu zgrzewania. Najczęściej używa się nagwintowa-nego trzpienia i wklęsłego kołnierza, wykonanych z różnych materiałów [07Mis, 08Nan]. Fujii i in. [06Fuj] wykazali, że przy dużych prędkościach zgrzewania zastoso-wanie narzędzia z gwintem sprzyja powstawaniu defektów i spadkowi wytrzymałości. Przy odpowiednio dobranych prędkościach nagwintowanie trzpienia nie miało wpływu na jakość zgrzeiny.

Od początku stosowania metody FSW, nabyte doświadczenie oraz głębsze zro-zumienie procesu płynięcia materiału podczas procesu przyczyniło się to znacznej ewo-lucji projektu narzędzia. Kształty narzędzi stawały się coraz bardziej złożone, aby mieć wpływ na płynięcie materiału oraz ograniczyć obciążenia narzędzia. W ostatnich latach wprowadzono narzędzia z nowymi własnościami. Kilka nowych narzędzi zaprojekto-wanych w TWI przedstawiono w tab. 4.1 [03Tho, 07Mis, 08Nan].

Tablica. 4.2. Przykładowe narzędzia TWI [07Mis]

Narzędzie Cylindryczne Whorl^TM MX Triflute^TM Flared-Trifute^TM A-skew^TM Re-stir^TM

Schemat

Kształt trzpienia ^Cylindryczny

z gwintem Stożkowaty z gwintem Nagwintowany stożkowaty z trzema rowkami Trójrowkowy. Rowki rozchodzą się na końcu. Nachylony cylin-dryczny z gwintem Stożkowaty z gwintem Objętość trzpienia do jego cylindrycznej objętości 1 0,4 0,3 0,3 1 0,4

Zebrana objętość ma-teriału do objętości

trzpienia

1,1 1,8 2,6 2,6 ^{Zależy od kąta}

na-chylenia trzpienia ^1,8

Obrotowa zmiana

kierunku ^{Nie Nie Nie Nie Nie Tak}

Zastosowanie ^Połączenie doczołowe Połączenie doczołowe Połączenie doczołowe Połączenie zakładkowe Połączenie zakład-kowe Ograniczenie asy-metrii własności zgrzeiny

______________________________________________________________________ Narzędzia typu Whorl^TM oraz MX Triflute^TM posiadają trzpienie w kształcie ścię-tych stożków, ich objętość jest mniejsza niż trzpieni cylindrycznych. Dzięki tym narzę-dziom możliwe jest przemieszczanie mniejszej ilości materiału niż w przypadku użycia trzpieni cylindrycznych. Przeważnie narzędzie typu Whorl^TM zmniejsza przemieszczaną objętość materiału o ok. 60%, a narzędzie typu MX Triflute^TM o ok. 70%. Wprowadze-nie nowych projektów kształtu narzędzia: trzpieWprowadze-nie w kształcie stożków ze spiralWprowadze-nie ukształtowanym gwintem (Whorl^TM) czy wielospiralnymi gwintami i z rowkami (MX Triflute^TM) zmniejszają obciążenia narzędzia, ułatwiają płynięcie plastyczne materiału, polepszają zagłębianie trzpienia (efekt nawiercania), zwiększają powierzchnię styku trzpienia i materiału zgrzewanego powodując wzrost ilości wydzielanego ciepła [01Nic, 03Tho, 05Mis, 07Mis, 08Nan]. Wykazano, że używając tego typu narzędzi można połą-czyć płyty aluminiowe o grubości 50 mm podczas jednego przebiegu, a płyty o grubości 75 mm ze stopu 6082-T6 połączono w dwóch przebiegach, przy czym w jednym prze-biegu głębokość penetracji narzędzia wynosiła 38 mm [09Par]. Narzędzia tego typu stosuje się do połączeń doczołowych, ale nie są użyteczne przy połączeniach zakładko-wych, gdzie nadmierne uplastycznienie materiału górnej płyty może wystąpić razem z uwięzieniem tlenków pomiędzy stykającymi się płytami. Flared-Trifute^TM i A-skew^TM są tak zaprojektowane, że zapewniają rozrywanie przyległej do powierzchni warstwy tlenków i zapewniają szerszą zgrzeinę niż w zgrzewaniu doczołowym. Flared-Trifute^TM jest narzędziem podobnym do MX Triflute^TM, ale posiada rowki rozszerzone na końcu. Natomiast narzędzie typu A-skew^TM posiada stożkowaty, nagwintowany trzpień, ale nachylony względem osi narzędzia. Wszystkie te narzędzia zwiększają objętość prze-mieszczonego materiału, w ten sposób rozszerzając obszar mieszania i w rezultacie two-rzą szerszą zgrzeinę (190 – 195 % grubości płyty dla trzpieni Flared-Trifute^TM oraz A-skew^TM, 110% dla konwencjonalnego gwintowanego trzpienia). W porównaniu do konwencjonalnego gwintowanego trzpienia, zwiększają szybkość łączenia o ponad 100% oraz zmniejszają siłę nacisku o około 20% . Narzędzia typu Flared-Trifute^TM oraz A-skew^TM doskonale nadają się również do złącz teowych oraz podobnych, w których łączone powierzchnie są prostopadłe do osi narzędzia [01Nic, 03Tho, 08Nan].

Ruch spowodowany obrotem i przesunięciem narzędzia powoduje asymetryczny przepływ materiału i ciepła w poprzek trzpienia. Przepływ materiału jest różny po stro-nie natarcia i po strostro-nie spływu [01Xu, 01Sei, 03Sei, 06Nan, 07Nan]. Aby

pojawiających się z obecną asymetrią konwencjonalnego FSW.

Wyszczególnione typy narzędzi różnią się rodzajem trzpienia, ale ważny jest również profil kołnierza dopasowany względem materiału i warunków zgrzewania. Wśród kołnierzy FSW możemy wyróżnić: wklęsłe, płaskie i wypukłe. Każdy z takich kołnierzy powinien posiadać odpowiedni kształt, dzięki któremu zwiększy się oddzia-ływanie kołnierza na materiał. Efektem tego będzie poszerzenie obszaru mieszania i podwyższenie jakości złącza. Kołnierz może charakteryzować się spiralami, wyżło-bieniami, rowkami, wypustkami lub współosiowymi kręgami (rys. 4.6). Tego typu kształty poprawiają dopasowanie kołnierza narzędzia do powierzchni spajanych płyt poprzez wychwytywanie wypychanego na zewnątrz odkształconego plastycznie mate-riału w specjalnie zaprojektowanych wgłębieniach [05Mis, 07 Mis].

Rys. 4.6. Przykładowe profile kołnierza [05Mis].

Dla łączenia zakładkowego gwintowane cylindryczne trzpienie prowadzą do znacznego pocienienia górnej części blachy i tym samym do pogorszenia odporności na zginanie. Ponadto w przypadku połączenia zakładkowego szerokość powierzchni złącza oraz kąt, przy którym nacięcie styka się z krawędzią złącza, ma duże znaczenie w zastosowaniach, w których istotne znaczenie ma odporność na zmęczenie.

Uważa się, że kształty nowych trzpieni przyczyniają się do:

zwiększenia stosunku objętości "dynamicznej" do objętości "statycznej", czyli sto-sunku objętości materiału zmieszanego podczas pojedynczego obrotu do objętości trzpienia. Zapewnia to optymalny przepływ materiału wokół i poniżej trzpienia.

poszerzania strefy złączenia,

lepszego wymieszania tlenków i cząstek dyspersyjnych na powierzchni złącza,

wywołania efektu kucia przy podstawie złącza poprawiając jakość spoiny w tym miejscu [05Mis, 07 Mis].

Oprócz kształtu ważne są też wymiary narzędzia. Długość trzpienia zdetermino-wana jest przez grubość łączonych elementów, jest ona minimalnie mniejsza od

______________________________________________________________________ doszło do pęknięcia (oderwania trzpienia od kołnierza) pod wpływem sił przemieszcza-jących materiał, ale na tyle mała, aby pozwolić na połączenie materiału za narzędziem zanim ostygnie. Kołnierz posiada średnicę większą od średnicy trzpienia. Optymalny stosunek średnic kołnierza do trzpienia najczęściej dobiera się względem kształtu na-rzędzia. Jednak stosunek uwarunkowany jest od materiału jaki będzie łączony (jego składu chemicznego oraz grubości). Im materiał grubszy tym udział ciepła pochodzące-go od kołnierza spada i trzpień musi wytworzyć więcej ciepła. Przy zastosowaniu na-rzędzia o stosunku średnic 2,5:1 lub 3:1 do łączenia płyt o grubości do 6 mm otrzymuje się bezdefektowe złącze, natomiast przy łączeniu płyt o grubości 12 mm nie jest już możliwe uzyskanie takiego połączenia [03Pie1, 05Mis, 07Mis].

Przykładowe wymiary narzędzi dla danych materiałów podano w tab. 4.2. Tablica 4.2. Przykładowe wymiary narzędzi dla danych materiałów[07Mis].

Średnica kołnierza [mm] Średnica trzpienia [mm] Stosunek średnic kołnierz : trzpień

Materiał zgrzewany i jego grubość 13 5 2,6:1 6061-T6, 3 mm 23 8,2 2,8:1 2024-T351, 6,4 mm 12 4 3:1 1050 i miedź, 1,8 mm 25,4 7,87 3,22:1 7075-T7351, 9,53 mm 20 4 5:1 6064 ze stalą węglową, 4,5 mm

Podczas procesu temperatura narzędzia zbliża się do temperatury topnienia łą-czonego materiału, dlatego wymagany jest wybór właściwego materiału na narzędzie dla określonego użycia. Niepożądane jest narzędzie, które traci trwałość wymiarową lub co gorsze pęka. Wiele właściwości materiałowych rozważanych jest jako ważnych przy wyborze na narzędzie FSW. Jednak materiał narzędzia dobiera się względem materiału elementów, które mają zostać zgrzane. Dobór materiału zależy również od spodziewa-nego czasu żywotności narzędzia (np. przy łączeniu wytłaczanych elementów alumi-niowych narzędzie bez wymiany powinno wykonać do 1000 m zgrzeiny o grubości 5 mm). Wśród właściwości materiałowych uwzględnianych przy projektowaniu narzę-dzia można między innymi wyróżnić: wytrzymałość w temperaturze pokojowej i w podwyższonej temperaturze, trwałość w podwyższonej temperaturze, odporność na

ścieranie, reaktywność narzędzia, odporność na pękanie, współczynnik rozszerzalności

cieplnej (przy narzędziach bimetalowych), obrabialność, jednorodność struktury i gę-stości oraz dostępność materiałów [01Nic, 07Mis]. Przy zgrzewaniu stopów aluminium

stosuje się np. narzędzia stalowe lub z WC–Co (dla grubości mniejszych od 12 mm) i MP159 – stop Ni–Co (dla grubszych elementów, do 26 mm) [07Mis].

Budowa narzędzia uzależniona jest również od konfiguracji złącza, które ma zo-stać wykonane. Kształt narzędzia używanego do połączeń zakładkowych różni się od tych stosowanych w łączeniu doczołowym. W zgrzewaniu zakładkowym narzędzie mu-si uplastycznić dużo większą objętość metalu i wymieszać ją w kierunku równoodle-głym od osi obrotu trzpienia [03Pie1].

Podsumowując, w celu otrzymania wymaganej jakości złącza należy zwrócić uwagę na dobór narzędzia, uwzględniając jego materiał i materiał łączonych elemen-tów, konfigurację złącza, parametry pracy narzędzia (prędkość obrotowa, prędkość przesuwu) i doświadczenie użytkownika oraz jego preferencje. Narzędzie ma ogromny wpływ na charakter płynięcia materiału, czyli tym samym na mikrostrukturę złącza i jego własności [05Mis, 07Mis, 08Nan].