Widok Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych

(1)

Narzędzia, przyrządy i maszyny do obróbki plastycznej Oryginalny artykuł naukowy Metal forming tools, devices and machines Original Scientific Article

Możliwości wykorzystania materiału ceramicznego

na narzędzia do realizacji procesu zgrzewania tarciowego

z przemieszaniem cienkich blach tytanowych

Possibilities of using ceramic material for tools to carry out

the friction welding process of thin titanium sheets

(1) Stanisław Buszta, (2) Piotr Myśliwiec, (3) Romana Ewa Śliwa*, (4) Robert Ostrowski

Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Przeróbki Plastycznej, al. Powstańców Warszawy 8, 35-329 Rzeszów, Poland

Informacje o artykule

Zgłoszenie: 23.05.2018 Recenzja: 18.06.2018 Akceptacja: 28.09.2018

Wkład autorów

(1) Współautor programu realizacji badań, projektu i wykonawca na-rzędzi, opracowanie i analiza wy-ników, opracowanie manuskryptu (2) Opracowanie programu i warunków realizacji badań, autor projektu elementów oprzyrządowania i ich wykonawca, opracowanie wyni-ków badań i manuskryptu (3) Autor koncepcji, założeń i metod,

opracowanie i analiza wyników i manuskryptu

(4) Współautor projektu narzędzi, opracowanie i analiza wyników i manuskryptu Article info Received: 23.05.2018 Reviewed: 18.06.2018 Accepted: 28.09.2018 Authors’ contribution

(1) Co-author of the research imple-mentation program, project and tool manufacturer, development and analysis of results, manuscript preparation

(2) Development of the program and conditions for the implementation

Streszczenie

Tytan oraz jego stopy charakteryzują się małą gęstością, dużą opornością na wysoką temperaturę i korozję. Stopy tytanu mogą być spawane wiązką elektronów lub metodą TIG, ale wymagane jest stosowanie gazów osłonowych oraz odpowiednie oczysz-czenie łączonych elementów. Największym problemem przy spawaniu tytanu oraz stopów tytanu jest występowanie pęcherzyków oraz kruchości wywołanej powietrzem. Z tego powodu metoda FSW jest korzystną alternatywą przy łączeniu elementów tytanowych. W niniejszej pracy przedstawiono możliwości wykorzystania materiałów ceramicznych na narzędzia oraz inne elementy oprzyrządowania w realizacji zgrzewa-nia tarciowego z przemieszaniem cienkich blach tytanowych typu GRADE 3 i GRADE 5. Wysoka temperatura generowana w trakcie procesu FSW wymaga stosowania zaawan-sowanych materiałów narzędziowych. Jakość złącza oceniano poprzez analizę właści-wości mechanicznych, mikrostrukturę oraz przebiegów sił. Wykazano, że zastosowa-nie ceramiki narzędziowej na narzędzia oraz elementy oprzyrządowania pozwala na wykonywanie wolnych od wad wysokiej jakości złączy FSW stopów tytanu. Wysoko-temperaturowe właściwości ceramiki przyczyniają się do uproszczenia elementów mocujących zgrzewanych blach.

Słowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem, FSW, tytan, stopy tytanu,

ceramika narzędziowa

Abstract

Titanium and its alloys are characterized by low density, high resistance to high temperature and corrosion. Titanium alloys can be electron beam welded or TIG method, but it is required to use shielding gases and proper cleaning of connected elements. The biggest problem in the welding of titanium and titanium alloys is the presence of bubbles and brittleness caused by air pollution directive, for this reason, the FSW method is an advantageous alternative to the connecting elements of titanium. This paper presents the possibilities of using ceramic materials for tools and other tooling elements in the implementation of friction stir welding of GRADE 3 and GRADE 5 titanium sheets. High temperature generated during the FSW process requires the use of advanced tool materials. Joint quality was assessed by analyzing mechanical properties,

(2)

of the research, author of the tools’ elements design and their manu-facturer, development of the test results and the manuscript (3) Author of concept, conditions

and methodology, development and analysis of the test results and the manuscript

(4) Coauthor of tools’ design, deve-lopment and analysis of the test results and the manuscript

microstructure and waveforms forces. It has been shown that the use of ceramics materials for tools and fixing elements allows to make defect-free, high-quality FSW joints of titanium alloys. High temperature properties of ceramics strongly contribute to the simplification of the fastening elements of welded sheets.

Keywords: friction stir welding, FSW, titanium, titanium alloys, tools ceramic

1. WPROWADZENIE

Tytan i jego stopy są powszechnie stoso-wane w przemyśle lotniczym, morskim, energe-tycznym, biomedycznym i chemicznym ze wzglę-du na ich dobre właściwości mechaniczne, wy-soki stosunek wytrzymałości do masy, wysoką odporność na korozję oraz biokompatybilność [1–6]. Wytwarzanie skomplikowanych struktur tytanowych często wymaga łączenia elementów przy użyciu spawania laserowego lub metodą TIG [7–9]. Jednak konwencjonalne metody spawa-nia mogą powodować wady, pogarszające jakość połączeń takie, jak: tworzenie grubej mikrostruk-tury z kolumnowymi ziarnami, wysokie naprę-żenia szczątkowe, zniekształcenia ze względu na niskie przewodnictwo cieplne, wady krzepnię-cia, obecność tlenku tytanu, a także segregację substancji rozpuszczonej występującą podczas krzepnięcia [10–13]. Metoda zgrzewania tarcio-wego z przemieszaniem FSW (Friction Stir Welding) została opracowana i opatentowana na początku lat dziewięćdziesiątych przez Instytut Spawalnictwa TWI na Uniwersytecie Cambridge jako innowacyjna technika łączenia materiałów w stanie stałym [14]. Metoda pozwala na wyko-nywanie wysokiej jakości połączeń materiałów metalowych. Oczywiste korzyści wynikające z wykorzystania tej technologii łączenia blach różnych materiałów metalicznych powoduje, że jest ona szeroko wykorzystywana przez prze-mysł lotniczy, samochodowy czy stoczniowy. Metodę FSW można stosować do łączenia właś-ciwie wszystkich materiałów żelaznych i nie-żelaznych, jak również ich kombinacji w szero-kim zakresie grubości łączonych materiałów od 0,3 mm nawet do 50 mm. Technika FSW pozwala łączyć materiały w różnych konfiguracjach, jak

1. INTRODUCTION

Titanium and its alloys are widely used in the aerospace, marine, energy, biomedical and chemical industries due to their good mechanical properties, high strength to weight ratio, high corrosion resistance and biocompatibility [1–6]. The production of complex titanium structures often requires joining elements using laser welding or TIG [7–9]. However, conventional welding methods can cause defects, worsening the quality of joints, such as: formation of a thick microstructure with columnar grains, high resi-dual stresses, distortion due to low thermal con-ductivity, defects in solidification, presence of titanium oxide, and segregation of solute occur-ring duoccur-ring solidification [10–13]. Friction Stir Welding method was developed and patented in the early nineties by the TWI Welding Institute at the University of Cambridge, an innovative technique for joining materials in solid state [14]. It allows you to make high-quality connec-tions of metalic materials. The obvious benefits of using this technology for joining sheets of various metallic materials means that it is widely used by the aerospace, automotive and shipbuil-ding industry. The FSW method can be used to connect all ferrous and non-ferrous materials as well as their combinations in a wide range of thicknesses from 0.3 mm up to 50 mm. FSW technique can combine materials with different configurations, for example: Butt and overlap configuration. The joining process is carried out in the solid state. It is important that the process temperature does not exceed 0.8–0.9 melting point of the material. Exceeding this temperature completely disqualifies the joint by creating high

(3)

np. doczołowo, zakładkowo itp. Proces łączenia odbywa się w stanie stałym. Ważnym jest, aby temperatura procesu nie przekraczała 0,8–0,9 temperatury topienia materiału. Przekroczenie tej temperatury całkowicie dyskwalifikuje złą-cze poprzez powstawanie dużych naprężeń i ini-cjacje pęknięć w obszarze zgrzeiny. Łączenie zachodzi na skutek wprowadzenia specjalnego narzędzia pomiędzy łączone materiały i przesu-wania go wzdłuż linii styku. Ciepło generowane jest poprzez tarcie kołnierza narzędzia o po-wierzchnie łączonych materiałów natomiast roz-bijanie i mieszanie materiału realizowane jest za pomocą trzpienia. Narzędzia wykonywane są z różnych materiałów takich, jak na przykład: stal HSS, węgliki spiekane, PCBN, ceramika na-rzędziowa.

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem ma-teriału jest procesem termomechanicznym, w którym następuje uplastycznienie materiału w strefie oddziaływania narzędzia pod wpły-wem wysokiej temperatury pochodzącej od obra-cającego się narzędzia, które penetruje i miesza uplastycznione materiały w strefie złącza wzdłuż ich linii styku (rys. 1).

stresses and initiating cracks in the area of the weld. The joining is due to the plunging a special tool between the joining materials and moving it along the contact line. The heat is generated by the friction of the tool shoulder against the surfaces of the materials being joined, while the breaking and mixing of the material is carried out with the help of a mandrel. Tools are made of various materials such as: HSS steel, tungsten carbides, PCBN, tool ceramics.

Friction stir welding is a thermomechanical process, where the plasticity of the material in the tool impact zone occurs, under the influence of high temperature coming from the rotating tool, which penetrates and mixes the plasticized mate-rials in the joint zone along their contact lines (Fig.1).

Rys. 1. Schemat procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem Fig. 1. Scheme of friction stir welding process

Wytworzenie się zbyt wysokiej temperatury w trakcie procesu może skutkować pojawieniem się fazy ciekłej, co powoduje pogorszenie ja-kości złącza i je dyskwalifikuje. Aby móc reali-zować proces zgrzewania tarciowego, potrzebne jest odpowiednie oprzyrządowanie: specjalne narzędzia i uchwyty oraz urządzenia zapewnia-

The formation of too high a temperature du-ring the process may result in the appearance of a liquid phase, which results in a deterioration of the quality of the joint and disqualifies it. In or-der to be able to carry out the friction welding process, appropriate tooling is needed: special tools and brackets and devices enabling technical

(4)

jące adekwatne ruchy narzędzia (posuw, obroty, pochylenie narzędzia, możliwość ruchu w prze-strzeni, pochylenie stołu). W narzędziach wy-korzystywanych do procesu FSW wyróżnia się dwa podstawowe elementy: wieniec opory (koł-nierz) oraz trzpień. Kołnierze posiadają różno-rodne profile: płaskie, wklęsłe lub wypukłe; mo-gą posiadać również wyżłobienia, co zostało po-kazane na rys. 2.

implementation ensuring adequate tool move-ments (feed, revolutions, tool inclination, the abi-lity to move in space, tilt the table). The tools used for the FSW process are distinguished by two basic elements: the shoulder and the pin. The flanges have a variety of profiles: flat concave or convex, they can also have grooves as shown in Fig. 2.

Rys. 2. Schemat narzędzi do procesu FSW [15] Fig. 2. A scheme of tools for the FSW process [15]

Przed materiałami przeznaczonymi na na-rzędzia do zgrzewania tarciowego tytanu stawia się następujące wymagania:

− wysoka wytrzymałość na ściskanie w pod-wyższonej temperaturze – narzędzie musi być w stanie wytrzymać moment pierwszego kontaktu z podłożem (materiałem łączonym), gdzie występuje wysokie naprężenie ściska-jące, a następnie kolejne etapy zgrzewania w podwyższonej temperaturze; granica plas-tyczności narzędzia powinna być większa niż siły działające na narzędzie;

− odporność na pełzanie – materiał używany na narzędzia FSW musi mieć dużą stabilność wymiarową; kształt i wymiary narzędzia mają duży wpływ na przepływ materiału, a zatem każda zmiana może powodować zakłócenia, a tym samym może doprowadzić do uzyska-nia spoiny o złej jakości [16];

− odporność na zużycie – zwiększone zużycie ścierne zmienia kształt narzędzia, a zwłaszcza jego cechy (grzbiety i rowki), co znacząco wpły-wa na przepływ materiału i może prowpły-wadzić

The following requirements apply to mate-rials intended for the friction welding tools of titanium:

− high compressive strength at elevated tempe-rature – the tool must be able to withstand the moment of first contact with the substrate (workpiece material), where there is high com-pressive stress, and then subsequent welding stages at elevated temperature; the yield point of the tool should be greater than the forces acting on the tool;

− creep resistance – material used for FSW tools must have high dimensional stability; the shape and size of the tool have a large impact on the material flow, so any change can cause interference, and thus can lead to poor quality weld [16];

− resistance to wear – increased abrasive wear changes the shape of the tool, especially its features (ridges and grooves), which signifi-cantly affects the flow of material and can lead

(5)

do uzyskania złego połączenia; zwiększa rów-nież częstotliwość występowania wad struk-turalnych; narzędzia FSW podczas procesu mogą zużywać się ze względu na: oklejanie, ście-ranie, jak również reaktywność materiału na-rzędzia (dyfuzja); mechanizm ten zależy od oddziaływania pomiędzy narzędziem a łączo-nym materiałem, jak również od parametrów procesu;

− brak reaktywności materiału z materiałem zgrzewanym – narzędzie nie może reagować z materiałem zgrzewanym; może to pro-wadzić do zmian właściwości powierzchni narzędzia poprzez tworzenie różnych faz (np. tlenków), a tym samym ich szybkie zużycie lub złuszczanie, co prowadzi do powstania wielu wad w zgrzeinie; dobrym przykładem jest łączenie tytanu, ponieważ jest on pow-szechnie znany jako materiał wysoce reak-tywny; w skrajnych przypadkach oddziały-wanie względem siebie niektórych mate-riałów może powodować emisję toksycznych tlenków takich, jak Mo03, co stwarza

zagro-żenie dla życia i zdrowia operatora [16, 17]; potrzeba zastosowania atmosfery ochronnej podczas zgrzewania stopów tytanu zmniejsza problem reaktywności z narzędziem; należy pamiętać natomiast o unikaniu materiałów zawierających w składzie molibden;

− odporność na pękanie – odgrywa ważną rolę podczas zagłębiania pinu oraz mieszania łączonych materiałów; naprężenia lokalne występujące w narzędziu podczas pracy częs-to wystarczają do ich uszkodzenia lub znisz-czenia; drobne pozostałości materiału narzę-dzia w zgrzeinie powodują znaczne wady w połączeniu.

Zasadniczo wymagania te nie różnią się od wymagań przewidzianych dla narzędzia do zgrzewania stopów aluminium, ale wartość parametrów/cech w tym przypadku jest znacz-nie wyższa. Analiza literatury pokazuje, że ma-teriałem wykorzystywanym w produkcji narzę-dzi do zgrzewania materiałów o wysokiej tem-peraturze uplastycznienia jest przede wszyst-kim ceramika techniczna. Spotyka się również narzędzia ze stopów wolframu z renem (25%) oraz azotku boru i węglika wolframu.

to a poor connection; it also increases the fre-quency of structural defects. FSW tools during the process may wear due to: sticking, abra-sion, as well as the reactivity of the tool material (diffusion); this mechanism depends on the interaction between the tool and the connected material, as well as the parameters of the process;

− no reactivity of the tool material with the welded material – the tool cannot react with the welded material; this can lead to changes in the surface properties of the tool by creating different phases (e.g. oxides), and thus their rapid wear or peeling, which leads to many faults in the weld; a good example is the com-bination of titanium because it is commonly known as a highly reactive material; in extre-me cases, the interaction of soextre-me materials with one another may cause the emission of toxic oxides, such as Mo03, which poses a threat

to the life and health of the operator [16, 17]; the need to use a protective atmosphere during the welding of titanium alloys reduces the problem of reactivity with the tool; one should remember about avoiding materials contain-ing molybdenum;

− resistance to cracking – plays an important role when plunging the pin and mixing mixed materials; local stresses occurring in the tool during work are often enough to damage or destroy them; small residues of tool material in the weld cause significant defects in the connection.

Essentially, these requirements do not differ from the requirements provided for the alumi-num alloy welding tool, but the value of the parameters / features in this case is considerably higher. Literature analysis shows that the mate-rial used for the production of tools for welding materials with a high plasticizing temperature is primarily technical ceramics. There are also found tools from tungsten alloys with rhenium (25%), boron nitride and tungsten carbide.

(6)

Powszechnie stosowanym materiałem na-rzędziowym dla zgrzewania tarciowego z prze-mieszaniem stopów tytanu jest polikrystaliczny azotek boru o regularnej strukturze (Polycrys-talline Cubic Boron Nitride – PCBN) [18]. Jest on zalecany ze względu na wysoką odporność che-miczną i odporność na ścieranie w tempera-turze występującej w trakcie zgrzewania tarciowego. Jednakże użycie polikrystalicznego azotku boru ma pewne ograniczenia: m.in. trudności z obróbką skrawaniem tego mate-riału powodują, że nie jest możliwe wykonanie narzędzia o złożonej geometrii opory i trzpie-nia, co w konsekwencji znacznie wpływa na generowanie ciepła, przepływ materiału, siłę potrzebną do utrzymania kontaktu z powierz-chnią narzędzia, prędkością obrotową i pręd-kością przemieszczania narzędzia, a tym sa-mym z całym procesem zgrzewania [19, 20].

Parametry geometryczne narzędzia decy-dują o zapoczątkowaniu i propagacji zjawiska uplastycznienia i wymieszania łączonych mate-riałów blach w strefie złącza. Opora narzędzia w procesie FSW wywołanym tarciem nagrzewa obszar powierzchni łączonych blach oraz wy-twarza siłę skierowaną w dół ( rys. 1), która jest niezbędna do zgrzewania i zapobiega wypły-nięciu uplastycznionego metalu powyżej po-wierzchni opory.

Typowe rodzaje geometrii pobocznicy opo-ry, kształty powierzchni roboczych oraz ich wy-kończenie zestawiono na rys. 3.

A commonly used tool material for friction welding with mixing of titanium alloys is poly-crystalline boron nitride with a regular structure (Polycrystalline Cubic Boron Nitride – PCBN) [18]. It is recommended due to its high chemicalresistance and resistance to abrasion at temperature occurring during friction welding. However, the use of polycrystalline boron nitride has some limitations, among others difficulties in machining this material cause that it is not possible to obtain a tool with a complex shoulder and pin geometry, which consequently signifi-cantly affects the generation of heat, material flow, the force needed to maintain contact with the tool surface, rotational speed and tool speed, and thus, the entire welding process [19, 20].

The geometrical parameters of the tool de-termine the initiation and propagation of the plasticizing phenomenon and the mixing of the joined sheet materials in the joint zone. The tool shoulder in the FSW caused by friction heats the surface of the surface of the joined plates and creates a downward force (Fig. 1), which is ne-cessary for welding and prevents the flow of plasticized metal from above the surface of the shoulder.

Typical types of shoulder geometry, shapes of work surfaces and their finish are presented in Fig. 3.

Rys. 3. Wieńce opory narzędzia FSW o różnych kształtach i cechach [21] Fig. 3. Shoulder shapes and features [21]

(7)

Najczęściej spotykanym rodzajem narzędzi są narzędzia o cylindrycznej geometrii pobocz-nicy, ale czasami spotyka się też narzędzia z geo-metrią stożkową. Geometria pobocznicy (cylin-dryczna lub stożkowa) nie ma zbyt dużego wpływu na jakość zgrzeiny ze względu na to, żena to, że głębokość penetracji opory w głąb łą-czonych blach waha się w granicach 1–5% ich grubości [22].

Kształt powierzchni roboczej opory może być płaski, wklęsły lub wypukły. Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie opory o po-wierzchni płaskiej, lecz wadą takiego rozwiąza-nia jest to, że płaska powierzchrozwiąza-nia niedostatecz-nie ogranicza uplastyczniony materiał, który może wydostawać się poza oporę, tworząc nad-mierną wypływkę. W celu eliminacji tego zja-wiska znacznie częściej używa się narzędzi z wklęsłą oporą, która powoduje, że podczas zagłębiania narzędzia materiał wypychany przez trzpień jest wprowadzany do wolnej przestrzeni pod oporą i jest przesuwany w kierunku linii zgrzewania, w trakcie trwania całego procesu. Dodatkowo efekt ten można poprawić poprzez wprowadzenie kąta pochylenia narzędzia wzglę-dem osi zgrzewania o 1–3stopnie. W praktyce narzędzia o wypukłej geometrii opory nie spra-wdzają się i nie są stosowane, ponieważ powodują znaczne wypchnięcie uplastycznio-nego materiału ze strefy zgrzewania [23].

Wykończenia powierzchni roboczej opory może również zawierać pewne cechy zwiększa-jące tarcie, ścinanie i deformację materiału w celu zwiększenia stopnia przemieszania, a tym samym otrzymania połączenia lepszej jakości.

Geometria trzpienia (rys. 4) ma również bardzo duże znaczenie dla procesu FSW, po-nieważ trzpień pełni główną rolę w odkształ-caniu i mieszaniu materiału, narusza powierz-chnie styku pomiędzy łączonymi blachami, inicjując ich łączenie, ścina materiał na przedzie narzędzia oraz przesuwa materiał za narzę-dziem. Podobnie jak dla opór, wydzielić można trzpienie o pobocznicy cylindrycznej i stożko-wej, natomiast rodzaje wykończenia powierz-chni bocznych i czołowych są znacznie bardziej skomplikowane ze względu na zastosowanie różnego rodzaju gwintowań, nacięć, rowków itp. Stosowanie tego rodzaju geometrii (np. trzpieni

The most common type of tools are cylindri-cal shoulder geometries but sometimes tools with conical geometry are also found. The shoulder geometry (cylindrical or conical) does not have a large influence on the quality of the weld due to the fact that the penetration depth of the shoul-der into the joined sheets varies within 1–5% of their thickness [22].

The shape of the working surface of the shoulder may be flat, concave or convex. The simplest solution is to use a shoulder with a flat surface, but the disadvantage of such a solution is that the flat surface does not sufficiently restrict the plasticized material that can escape beyond the resistance creating an excessive flash. In order to eliminate this phenomenon, tools with a concave shoulder are much more often used, which causes the material pushed through the pin to enter the free space under the shoulder during the penetration of the tool and is moved towards the welding line during the whole process. In addition, this effect can be improved by entering the angle of inclination of the tool relative to the welding axis by 1–3 degrees. In practice, tools with convex shoulder geometry do not work well and are not used because they cause a significant push out of the plasticized material from the welding zone [23].

The finishing of the working surface of the shoulder may also include certain features that increase friction, shear and deformation of the ma-terial to increase the degree of mama-terial mixing and thus obtain a better quality combination.

The pin geometry (Fig. 4) is also very impor-tant for the FSW process because the pin plays a major role in deforming and mixing the material, breaking the contact surfaces between the joined plates initiating their joining, cutting the material at the front of the tool and moving the material behind the tool. Similarly to the shoulder, there are cylindrical and conical pins, while the types of finishing of the side and front surfaces are much more complicated due to the use of various types of threading, cuts, grooves, etc. The use of such geometries (e.g. pins with a thread in the direction of rotation of the tool)

(8)

z gwintem zgodnym z kierunkiem obrotów narzędzia) powoduje, że materiał jest ciągniony przez gwinty wzdłuż powierzchni trzpienia i mo-że krążyć wielokrotnie wokół narzędzia zanim zostanie osadzony za narzędziem, co znacznie polepsza przemieszanie materiału [24].

causes the material to be drawn by the threads along the surface of the pin and can circulate many times around the tool before it is inserted behind the tool, which significantly improves the mixing of the material [24].

Rys. 4. Różne typy trzpieni narzędzi FSW [21] Fig. 4. FSW tool pins [21]

Dzięki zastosowaniu technologii FSW można ograniczyć konwencjonalne łączenie elementów ze stopów tytanu i powiązane z tym problemy [25, 26]. Do tej pory technologia FSW była szeroko stosowana do łączenia materiałów o stosunkowo niskiej temperaturze topnienia takich, jak stopy aluminium i magnezu [27–31]. Jednak zastosowanie technologii FSW do łącze-nia materiałów o wysokiej temperaturze top-nienia takich, jak stopy tytanu, niesie za sobą pewne ograniczenia spowodowane zastosowa-niem narzędzi z materiałów odpornych na wy-soką temperaturę powstającą w procesie zgrze-wania. Biorąc pod uwagę ciężkie warunki pracy, narzędzia do procesu FSW są zwykle wytwa-rzane z materiałów odpornych na wysokie tem-peratury takich, jak: materiały na bazie wolfra-mu, kobaltu, molibdenu i na bazie niklu [32–44]. Nie zaleca się jednak stosowania narzędzi z poli-krystalicznego azotku boru PCBN z powodu ich dużego zużycia w procesie zgrzewania metodą FSW elementów ze stopów tytanu [45].

By using FSW technology can reduce the conventional switching of titanium alloys, and related problems [25, 26]. Until now, FSW technology has been widely used to combine materials with a relatively low melting point such as aluminum and magnesium alloys [27– 31]. However, the use of FSW technology for joining materials with a high melting point, such as titanium alloys, carries certain limitations due to the use of tools from materials resistant to high temperatures resulting from the welding process. Considering the hard working condi-tions, tools for the FSW process are usually made of materials resistant to high temperatures, such as tungsten, cobalt, molybdenum and nickel ba-sed materials [32–44]. However, it is not recom-mended to use tools made of polycrystalline PCBN boron nitride due to their high consum-ption in the process of welding with elements made of titanium alloys by the FSW method [45].

(9)

Z uwagi na sprostanie warunkom eksploata-cyjnym procesu, głównym wyzwaniem jest od-powiednie zaprojektowanie, wykonanie i zasto-sowanie ceramicznego narzędzia odpornego na pracę w wysokiej temperaturze, jaka powstaje podczas zgrzewania tarciowego z przemiesza-niem cienkich blach ze stopu tytanu Grade 3 oraz Grade 5, pozwalającego na uzyskanie dob-rego połączenia blach z materiałów o wysokiej temperaturze topnienia. Wyniki badań w tym zakresie prezentuje niniejsza praca.

2. BADANIA EKSPERYMENTALNE

Celem pracy było zastosowanie zaawanso-wanych materiałów narzędziowych, w tym ce-ramicznych, na oprzyrządowanie w procesie FSW, zdolnych pracować w temperaturze prze-kraczającej 1000°C.

Materiał badań skuteczności zastosowania proponowanego narzędzia stanowiły cienkie blachy ze stopów w tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm oraz Grade 5 o grubości 0,8 mm. W tab. 1 przedstawiono właściwości fizyczne gatunków tytanu użytych do badań.

Due to meeting the operating conditions of the process, the main challenge is the proper design, execution and use of a ceramic tool resis-tant to high temperature work that arises during the friction welding process of thin sheets of Grade 3 and Grade 5 titanium alloys and enables enables a good joint of sheet metal with materials high melting temperature. The results of research in this area are presented in this work.

2. EXPERIMENTAL PROCEDURE

The purpose of the work was to use advanced tool materials, including ceramic, for tooling in the FSW process capable of operating at temperatures exceeding 1000°C.

The material for testing the effectiveness of the application of the proposed tool were thin sheets of alloys in titanium Grade 3 with a thick-ness of 0.4 mm and Grade 5 with a thickthick-ness of 0.8 mm. Tab. 1 shows the physical properties of the titanium species used for the tests.

Tab. 1 Wybrane właściwości stopów tytanu Grade 3 oraz Grade 5 [46] Tab. 1 Selected properties of titanium Grade 3 and Grade 5 alloys [46]

Właściwości Properties Grade 5 Grade 3

Gęstość Density 4.43 g/cc 4.5 g/cc

Twardość Brinella Hardness, Brinell 334 225

Twardość Knoopa Hardness, Knoop 363 220

Twardość Rockwella C Hardness, Rockwell C 36 16

Granica wytrzymałości Tensile Strength, Ultimate 900 MPa 440 MPa Granica plastyczności Tensile Strength, Yield 830 MPa 377 - 520 MPa Wydłużenie całkowite Elongation at Break 10 % 18 %

Moduł Younga Modulus of Elasticity 114 GPa 105 GPa Wytrzymałość na ściskanie Compressive Yield Strength 860 MPa 450 MPa

Współczynnik Poissona Poisson's Ratio 0.33 0.37

Wytrzymałość zmęczeniowa Fatigue Strength 510 MPa 289 MPa Współczynnik sprężystości postaciowej Shear Modulus 44 GPa 45 GPa

(10)

Narzędzia użyte do procesu zgrzewania wykonano ze specjalnej ceramiki narzędziowej oraz węglika spiekanego o oznaczeniu CKI 10 firmy Hartmetalle. Wybrane właściwości węgli-ka zawarto w tab. 2.

The tools used for the welding process were made of a special tool ceramic and a tungsten carbide designated CKI 10 by Hartmetalle. Selec-ted properties of the carbide are included in Tab. 2.

Tab. 2 Właściwości węglika CKI 10 [47] Tab. 2 Properties of CKI 10 carbide [47]

ISO K30-K40 WC% 90,0 Co% 10 TiC/Ta (Nb)C % - Density [g/cm3] 14,45 Hardness [HV30] 1610 Bending strength [N/mm2] 3600 Grain size [µm] 0,6

Wybrane właściwości mechaniczne cera-miki zdolnej do pracy w wysokiej temperaturze zawarto w tab. 3.

Selected mechanical properties of high-tem-perature ceramics are included in Tab. 3.

Tab. 3 Wybrane właściwości mechaniczne różnych wariantów ceramiki SIALON [wg 48] Tab. 3 Selected mechanical properties of SIALON ceramics [48]

Syalon 050 Syalon 101 Syalon 110 Syalon 201 Syalon 501 Jednostki (Units) Skład fazowy Composition

α/β-Sialon β-Sialon β-Sialon/BN β-Sialon β-Sialon/TiN - Gęstość Density 3.23 3.24 2.65 3.24 4.01 g/cc Porowatość Porosity 0 0 10 0 0 % Wytrzymałość na zginanie przy 20˚C Modulus of Rapture at 20˚C 800 945 500 825 825 MPa Wytrzymałość na zginanie przy 1000˚C Modulus of Rapture at 1000˚C 750 700 400 750 - MPa

Moduł Weibulla Weibull Modulus 12 15 10 10 11 -

Moduł Younga Young’s Modulus of Elasticity

290 288 139 290 340 GPa

Współczynnik Poissona

Poisson’s Ratio 0.23 0.23 0.19 0.23 0.31 -

Twardość (HRA) Hardness (HRA) 94 92 88 92.7 90.5 -

Twardość Vickersa (HV50) Hardness (Vickers HV50) 19.81 (2020) 14.71 (1500) 11.77 (1200) 16.18 (1650) 13.24 (1350) GPa (kg/mm2₎ Odporność na pękanie K1C Fracture Toughness K1C 6.5 7.7 3.5 4.5 5.7 MPa*m½ Współczynnik rozszerzalności cieplnej (0-1200˚C) Thermal Expansion Coefficient (0-1200˚C) 3.2 x 10-6 3.0 x 10-6 3.0 x 10-6 _{3.0 x 10}-6 _{5.6 x 10}-6 _K-1

Przewodność cieplna Thermal Conductivity 20 28 27 21 19 W/(m*K) Odporność na szok termiczny Thermal Shock Resistance 600 900 800 600 400 ΔT˚C

(11)

Syalon 050 Syalon 101 Syalon 110 Syalon 201 Syalon 501 Jednostki (Units) Skład fazowy Composition

α/β-Sialon β-Sialon β-Sialon/BN β-Sialon β-Sialon/TiN - Maksymalna temp. pracy

Max. Use Temp. 1450 1200 1450 1450 700 ˚C

Rezystancja Electrical Resistivity

1012 1012 1012 1012 7.2 x 10-4 _{Ω * cm}

Opracowano proces zgrzewania tarciowe-go z przemieszaniem oraz dokonano analizy efektu uplastycznienia materiałów w obszarze złącza cienkich blach ze stopów tytanu Grade 3 oraz Grade 5.

Złącza liniowe wykonano z użyciem pró-bek blach o wymiarach 100x200 mm łączonych doczołowo. Proces zgrzewania tarciowego z prze-mieszaniem realizowano na frezarce numerycz-nej wyposażonumerycz-nej w siłomierz piezoelektryczny z odpowiednim oprzyrządowaniem mocującym pokazanym na rys. 5.

The friction welding process was developed and the effect of plasticizing the materials in the area of the joint of thin plates from titanium Grade 3 and Grade 5 alloys was analyzed.

Linear butt joints were made using 100x200 mm steel plates. The process of friction stir welding was carried out on a numerical milling machine equipped with a piezoelectric dynamo-meter with a suitable fastening tool shown in Fig. 5.

Rys. 5. Stanowisko do realizacji procesu Makino PS95 a) wrzeciono obrabiarki, b) uchwyt do mocowania próbek, c) płyta siłomierza

Fig. 5. Stand for the implementation of FSW method based on Makino PS 95 process a) machine tool spindle, b) sample clamp holder, c) dynamometer plate

Narzędzia do realizacji procesu zaprojekto-wano i wykonano ze specjalnej ceramiki narzę-dziowej, dostosowując parametry geometryczne

Tools for the implementation of the process were designed and made of special tool ceramics adjusting geometrical parameters to the thick-

b

c a

(12)

do grubości zgrzewanych blach wg zależności przedstawionych w literaturze [49–52]:

− średnica Ø trzpienia: ~0,8 x grubość łączo-nego materiału + 2,2mm,

− średnica Ø kołnierza: ~2,2 x grubość mate-riału łączonego + 7,3mm.

Po uwzględnieniu powyższych zależności zaproponowano narzędzia do zgrzewania blach o grubości 0,4 mm o średnicach odpowiednio: dla kołnierza 8,2 mm i 2,6 mm dla trzpienia. Natomiast do zgrzewania blach o grubości 0,8 mm zaproponowano narzędzia z kołnierzem o śred-nicy 9,1 mm i trzpieniem o średśred-nicy 2,9 mm.

Zaprojektowane narzędzia kształtowano na wieloosiowej szlifierce numerycznej z odpo-wiednio dobranymi parametrami obróbkowymi, w celu uzyskania odpowiedniej dokładności wymiarowo-kształtowej oraz odpowiedniej ja-kości powierzchni kształtowanych narzędzi, pa-kietem dwóch ściernic 1A1 D150 T8 D126 C100 BXT oraz 11V9 D100 T35 U10 D54 BMX. Zasadniczym testem jakości narzędzia do realizacji procesu FSW w trudnych warunkach, zwłaszcza w wysokiej temperaturze, jest jakość otrzymanego z jego użyciem złącza, jego sku-teczność i stopień ewentualnego zużycia.

Zgrzewanie realizowano w atmosferze och-ronnej wytworzonej przez argon dostarczany spec-jalnie skonstruowaną dyszą, pierścieniową. Na rys. 6 pokazano dyszę do atmosfery ochronnej oraz ceramiczne narzędzie użyte do badań.

ness of welded sheets according to the dependen-cies presented in the literature [49–52]:

− pin diameter : ~0,8 x thickness of welded ma-terial + 2,2mm,

− shoulder diameter: ~2,2 x thickness of welded material + 7,3mm.

After taking into account the above rela-tionships, tools for welding sheets of 0.4 mm in thickness were made with the following diame-ters: for the shoulder of 8.2 mm and 2.6 mm for the pin. For the welding of sheets of 0.8 mm in thickness, were made tools with 9.1 of shoulder mm and a pin with a diameter of 2.9 mm.

Tools for FSW were made on a multi-axis numerical grinder with appropriately selected machining parameters, in order to obtain the appropriate dimensional and shape accuracy and appropriate surface quality of shaped tools, a package of two grinding wheels 1A1 D150 T8 D126 C100 BXT and 11V9 D100 T35 U10 D54 BMX.

The basic test of the quality of the tool for implementing the FSW process in difficult condi-tions, especially at high temperature is the qua-lity of the joint obtained with its use, its effective-ness and the degree of possible wear.

The FSW welding was carried out in a shiel-ding gases atmosphere created by argon suppliedby a specially constructed nozzle, in Fig. 6 there is shown a nozzle for the shielding gases atmo-sphere and a ceramic tool used for testing.

Rys. 6. Narzędzie ceramiczne zastosowane w procesie FSW przy zgrzewaniu blach ze stopu tytanu Grade 3 i Grade 5 a) narzędzie ceramiczne, b) dysza pierścieniowa

Fig. 6. Ceramic tool used in the FSW process for welding of Grade 3 and Grade 5 titanium alloys a) ceramic tool, b) nozzle b

(13)

Oceny jakości otrzymanych złączy doko-nano, porównując wyniki badań wytrzymałości próbek wyciętych z materiału rodzimego oraz próbki zgrzein uzyskanych w procesie FSW, w warunkach statycznej próby rozciągania. Wy-znaczono stosunek maksymalnej siły zrywają-cej złącza do materiału rodzimego, który wska-zuje na jakość i wytrzymałość wykonanego połączenia.

Efekty łączenia doczołowego blach tytano-wych Grade 3 oceniono w statycznej próbie rozciągania. Badania wykonano w temperaturze pokojowej na maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z100, zgodnie z normą ISO 6892-1:2009.

Na wartość parametrów technologicznych zgrzewania ma wpływ rodzaj i grubość blachy materiału łączonego oraz typ złącza. Parametry technologiczne zostały dobrane doświadczalnie tak, aby jakość i wytrzymałość zgrzein była jak największa.

Na rys. 7 przedstawiono zgrzeinę liniową wykonaną technologią FSW stopu tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm. Na podstawie wizualnej oceny powierzchni otrzymanej zgrzeiny można stwierdzić, że złącze jest jednorodne i wolne od wad, zarówno od strony lica, jak i grani. Do wykonania zgrzeiny użyto narzędzia wykona-nego ze specjalnej ceramiki narzędziowej. Para-metry technologiczne procesu zgrzewania zo-stały dobrane doświadczalnie i oscylowały w gra-nicach: prędkość zgrzewania od 90 do 110 mm/min, obroty narzędzia od 3500 do 5500 obr/min, a czas zapoczątkowania procesu uplas-tycznienia łączonego materiału (dwell time) wy-nosił 20 s. Proces zgrzewania realizowano w os-łonie argonu.

Evaluation of the quality of the joints was carry out by comparing the results of FSW joint strength to parent material based of static tensile test. The ratio of the maximum breaking force of the obtained FSW joints to the parent material was determined. Such a comparison indicates the quality and strength of the FSW joints. The quality of FSW joints Grade 3 titanium sheets was evaluated in a static tensile test. The tests were carried out at room temperature on a Zwick/Roell Z100 testing machine in accordance with ISO 6892-1: 2009.

The technological parameters of FSW weld-ing are influenced by the type and thickness of the sheet metal of the combined material and the type of joint. Technological parameters have been selected experimentally so that the quality and strength of the welds is as large as possible.

Fig. 7 shows a linear weld made of FSW titanium Grade 3 of 0.4 mm in thickness. On the basis of a visual assessment of the surface of the weld obtained, it can be concluded that the joint is homogeneous and defects free both on the faces and the ridge sides. A ceramic tool was used to make the weld. The technological parameters of the welding process were selected experimentally and fluctuated within the limits of: welding speedfrom 90 to 110 mm / min, tool rotations from 4200 to 5500 rpm The dwell time was 20 s. Weld-ing process was carried out in argon shield.

(14)

b)

Rys. 7. Widok złącza FSW z blach tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm a) lico, b) grań Fig. 7. FSW joint of Grade 3 titanium sheets of 0.4 mm in thickness a) face, b) ridge

Na rys. 8 przedstawiono wykres rozciąga-nia dla materiału rodzimego oraz złącza FSW stopu tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm. Wytrzymałość na rozciąganie stopu tytanu Grade 3 w temperaturze pokojowej wynosi ok. 600 MPa, natomiast otrzymanej zgrzeiny FSW ok. 505 MPa, co daje efektywność połączenia na poziomie 84%.

Fig. 8 shows the tensile test diagram for the parent material and the FSW joint of Grade 3 titanium alloy of 0.4 mm in thickness. The tensile strength of Grade 3 titanium alloy at room tem-perature is about 600 MPa, while the obtained FSW weld approx. 505 MPa, which gives a joint efficiency of 84%.

Rys. 8. Wykresy rozciągania materiału rodzimego oraz złącza otrzymanego w procesie FSW tytanu, stopu Grade 3 o grubości 0,4 mm; warunki procesu: prędkość zgrzewania 100 mm/min, obroty narzędzia od 4000 obr/min, atmosfera ochronna argonu

Fig. 8. Graphs of tensile strength of parent material and joints of titanium Grade 3 of 0.4 mm in thickness, obtained in the FSW process

Głównymi parametrami procesu wpływa-jącymi na jakość połączenia FSW są: posuw, obroty i pochylenie narzędzia; warunki pracy wpływają na poziom sił w procesie. Przykła-dowe wyniki pomiarów siły osiowej i promie-niowej pokazano na rys. 9.

The main process parameters affecting the quality of the FSW connection are: feed (welding speed), rotational speed and tool tilt angle. Working conditions affect the level of forces in the process. Sample results of axial and radial force measurements are shown in Fig. 9.

(15)

Rys. 9. Przebieg siły osiowej Z i siły promieniowej w osi X i Y w czasie procesu łączenia blach ze stopu tytanu Grade 3 o grubości 0,4 mm metodą FSW

Fig. 9. Graph of axial force Z and radial force the X and Y axes during the process of joining of sheets made of Grade 3 titanium alloy of 0.4 mm in thickness using the FSW method

Zarejestrowany przebieg siły jest charakte-rystyczny dla przebiegu sił procesu FSW. Na początku następuje duży wzrost wartości sił podczas zagłębiania się narzędzia w łączony materiał, następnie siły maleją, gdyż obracające się wokół własnej osi narzędzie pozostaje w ma-teriale łączonym przez określony czas w celu jego nagrzania do odpowiedniej temperatury, aby mogło wystąpić uplastycznienie materiału w strefie złącza. W kolejnym kroku narzędzie zaczyna się przemieszczać wzdłuż linii styku łączonych blach. Na tym etapie następuje zgrze-wanie materiału z jednoczesną stabilizacją war-tości mierzonych sił.

Przykładowe efekty łączenia doczołowego blach tytanowych Grade 5 pokazano na rys. 10, gdzie przedstawiono zgrzeinę liniową wykona-ną technologią FSW stopu tytanu Grade 5 o gru-bości 0,8 mm. Na podstawie wizualnej oceny powierzchni otrzymanej zgrzeiny można stwier-dzić, że złącze jest jednorodne i wolne od wad od strony lica oraz grani. Jakość zgrzeiny oce-niano również na podstawie analizy mikrostruk-tury strefy złącza, badań wytrzymałości oraz mikro-twardości w strefie złącza i materiale rodzimym. Do wykonania zgrzeiny również użyto rzędzia wykonanego ze specjalnej ceramiki na-rzędziowej. Parametry technologiczne procesu zgrzewania, tak samo jak w poprzednim przy-padku, zostały dobrane doświadczalnie i oscy-

The recorded graph of force is characteristic for FSW process. At the beginning there is a large increase in the value of forces when the tool is plunging into the joined material. Then, the forces decrease as the rotating tool stays in the material being joined for a certain time in order to heat it up to a suitable temperature so that the plasticizing of the material can occur. In the next step, the tool begins to move along the contact line of the joined plates. At this stage, the ma-terial is welded and the forces values are stabilized.On this basis, we are able to determine the homogeneity of the joint obtained in the FSW process.

Selected results of butt joint of Grade 5 titanium plates of 0.8 mm in thickness are shown in Fig. 10. On the basis of a visual assessment of the surface of the weld, it can be concluded that the joint is homogeneous and defects free. The quality of the weld was also evaluated based on the analysis of the joint zone microstructure, strength tests and microhardness in the joint zone and the parent material.

FSW joints were made with a ceramic tool. The technological parameters of the welding pro-cess were selected experimentally and fluctuated within the limits of: welding speed from 90 to 110

(16)

lowały w granicach: prędkość zgrzewania od 90 do 110 mm/min, obroty narzędzia od 1500 do 2500 obr/min, a czas zapoczątkowania procesu uplastycznienia łączonego materiału (dwell time) wynosił 20 s. Proces zgrzewania realizowano w atmosferze powietrza.

mm/min, tool revolutions from 1500 to 2500 rpm and the dwell time was 20 s. Welding process was carried out in argon shield.

a)

b)

Rys. 10. Złącze FSW blach tytanu Grade 5 o grubości 0,8 mm a) lico, b) grań Fig. 10. FSW joint of Grade 5 titanium sheets of 0.8 mm in thickness a) face, b) ridge

Efektywność złącza oceniano na podstawie wyników badań wytrzymałości złącza w sto-sunku do wytrzymałości materiału rodzimego. Na rys. 11 przedstawiono wykres rozciągania dla materiału rodzimego oraz złącza FSW stopu tytanu Grade 5 o grubości 0,8 mm.

The effectiveness of the joint was evaluated on the basis of the joint tensile strength test results in relation to the parent material. Fig. 11 shows the tensile stench test diagram for the parent material and FSW joints of Grade 5 titanium alloy of 0.8 mm in thickness.

Rys. 11. Wykres rozciągania materiału rodzimego oraz złącza otrzymanego w procesie FSW tytanu stopu Grade 5 o grubości 0,8 mm

Fig. 11. Graphs of tensile strength of parent material and joints of titanium Grade 5 of 0.8 mm in thickness, obtained in the FSW process

(17)

Wytrzymałość na rozciąganie stopu tytanu Grade 5 w temperaturze pokojowej wynosi ok. 1000 MPa, natomiast otrzymanej zgrzeiny FSW ok. 870 MPa, co daje efektywność połączenia na poziomie 87%.

Na rys. 12 przedstawiono wykres pomiaru mikrotwardości złącza wykonanego technologią FSW oraz materiału rodzimego. Na wykresie wyraźnie widać, że obszar centralny zgrzeiny posiada większą twardość w stosunku do ma-teriału rodzimego.

The tensile strength of Grade 5 titanium alloy at room temperature is approx. 1000 MPa, while the obtained FSW weld approx. 870 MPa, which gives a joint efficiency of 87%.

Fig. 12 shows a graph of the micro-hardness measurement of the FSW joint and in the parent material. The graph clearly shows that the central area of the weld has a greater hardness compared to the parent material.

- 1 0 -8 -6 - 4 - 2 0 2 4 6 8 1 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 T w a r d o ś ć , H V 0 .3 O d c in e k p o m i a r o w y , m m

Rys. 12. Wykres pomiaru mikrotwardości w złączu i materiale rodzimym stopu tytanu Grade 5 Rys. 12. Wykres pomiaru mikrotwardości w złączu i materiale rodzimym stopu tytanu Grade 5

Potwierdzają to wyniki badań próbek złą-czy w statycznej próbie rozciągania, gdyż zer-wanie materiału następowało po stronie spływu (rys. 13), w strefie wpływu ciepła.

This is confirmed by the results of the FSW joint tensile strength tests because the materials rupture occurred on the retreating side (Fig. 13), in the heat affected zone.

a) b)

Rys. 13.Widoki próbek po wykonaniu badań wytrzymałościowych; w wszystkich próbkach zerwanie nastąpiło po stronie spływu a) stop tytanu Grade 3, b) stop tytanu Grade 5

Fig. 13. Visible specimens after strength tests; in all specimens the rupture occurred on the retreating side a) Grade 3 titanium alloy, b) Grade 5 titanium alloy

(18)

Istotnym elementem w doborze rodzaju materiału narzędzia są wyniki badań zużycia narzędzia. Badaniu poddano narzędzia użyte do łączenia blach ze stopów tytanu Grade 3 i Grade 5 metodą FSW. Ocenie poddano narzędzie wy-konane z węglika wolframu oraz ceramiki po-kazane na rys. 14.

An important element in choosing the type of tool material are the results of the tool wear tests. The tools for joining the titanium Grade 3 and Grade 5 plates with FSW method were tested. Evaluated tool made of tungsten carbide and ceramic shown in Fig. 14.

a) b) c)

Rys. 14. Widok narzędzia po wykonaniu 200 mm zgrzeiny w procesie FSW blachy o grubości 0,8 mm ze stopu tytanu Grade 5: a) narzędzie z węglika wolframu, b) narzędzie ceramiczne, c) gorące narzędzie ceramiczne

bezpośrednio po wykonaniu zgrzeiny

Fig. 14. Tool after FSW process a) tungsten carbide tool, b) ceramic tool, c) hot ceramic tool just after the process

Wykazano, że narzędzie wykonane z węgli-ka wolframu uległo widocznemu zużyciu po wykonaniu już 200 mm zgrzeiny, podczas gdy minimalny, śladowy efekt zużycia narzędzia ceramicznego zaobserwowano po wykonaniu ponad 1000 mm zgrzeiny.

3. WNIOSKI KOŃCOWE

Wykonane badania eksperymentalne po-zwalają na stwierdzenie, że:

− metoda FSW pozwala na wykonanie trwałe-go, wolnego od wad połączenia cienkich blach ze stopów tytanu Grade 3 i Grade 5;

− efektywność łączenia blach ze stopów tytanu Grade 3 i Grade 5 mierzona na podstawie sta-tycznej próby rozciągania wynosiła 85% w po-równaniu do wytrzymałości materiału rodzi-mego;

It was shown that the FSW tool made of tungsten carbide shown visibly wear after mak-ing a 200 mm long weld. For comparison of the wear of the ceramic tool was observed after making 1000 mm long weld.

3. CONCLUSIONS

After the experimental tests, it was found:

− the FSW method allows to make a durable, defect-free joints of thin sheets of Grade 3 and Grade 5 titanium alloys;

− the efficiency of joining plates from Grade 3 and Grade 5 titanium alloys, measured on the basis of a static tensile test, was 85% compared to the strength of the parent material;

(19)

− temperatura procesu łączenia blach ze sto-pów tytanu oscyluje w granicach 1000°C, dla-tego istnieje potrzeba stosowania zaawanso-wanych materiałów narzędziowych zdolnych do pracy w tak wysokiej temperaturze;

− na jakość złączy wykonanych w procesie FSW duży wpływ wywierają parametry technolo-giczne procesu, gatunek i grubość łączonego materiału oraz właściwości materiału, z ja-kiego zostało wykonane narzędzie użyte do realizacji procesu; dla stopów tytanu wysoka temperatura generowana w trakcie realizacji procesu wymaga zastosowania zaawansowa-nych materiałów narzędziowych;

− użycie odpowiednio dobranej ceramiki na-rzędziowej umożliwia przeprowadzenie pro-cesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, znacznie wydłuża żywotność narzędzia i oprzy-rządowania w porównaniu do konwencjo-nalnych materiałów narzędziowych; dodat-kowo upraszcza budowę stanowiska do reali-zacji procesu FSW dla blach ze stopów tytanu.

PODZIĘKOWANIA

Działalność statutowa Katedry Przeróbki Plas-tycznej Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej – DS.MP.18.001.

LITERATURA

[1] Boyer R.R., An overview on the use of titanium in the aerospace industry, Mater.Sci. Eng. A 213 (1996) 103–114.

[2] Williams J.C., E.A. Starke, Progress in structural materials for aerospace systems, Acta Mater. 51 (2003) 5775–5799.

[3] Niinomi M., M. Nakai, J. Hieda, Development of new metallic alloys for biomedical applications, Acta Biomater. 8 (2012) 3888– 3903.

− the temperature of the process of joining plates from titanium alloys oscillates around 1000°C, therefore there is a need to use advanced tool materials capable of operating at such high temperatures;

− the quality of joints made in the FSW process is greatly influenced by the technological para-meters of the process, grade and thickness of the joined material and the material proper-ties of the tool used to carry out the process, especially for titanium alloys where the high temperature generated during the process requires the use of advanced tool materials;

− the use of appropriately selected tool ceramics makes it possible to carry out the friction stir welding process and significantly extends tool and fixturing device life compared to conven-tional tool materials, also simplifies the con-struction of the FSW process stand for tita-nium alloy plates.

ACKNOWLEDGEMENTS

Statutory work of Department of Materials For-ming and Processing of the Faculty of Mecha-nical Engineering and Aeronautics of Rzeszow Univesity of Technology – DS.MP.18.001.

REFERENCES

[1] Boyer R.R., An overview on the use of titanium in the aerospace industry, Mater.Sci. Eng. A 213 (1996) 103–114.

[2] Williams J.C., E.A. Starke, Progress in structural materials for aerospace systems, Acta Mater. 51 (2003) 5775–5799.

[3] Niinomi M., M. Nakai, J. Hieda, Development of new metallic alloys for biomedical applications, Acta Biomater. 8 (2012) 3888– 3903.

(20)

[4] Niinomi M., Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods, Sci. Technol. Adv. Mater. 4 (2003) 445–454.

[5] Liu H.H., M. Niinomi, M. Nakai, K. Cho, K. Narita, M. Sen, H. Shiku, T. Matsue, Mechanical properties and cytocompatibility of oxygen-modified β-type Ti-Cr alloys for spinal fixation devices, Acta Biomater. 12 (2015) 352– 361.

[6] Liu H.H., M. Niinomi, M. Nakai, X. Cong, K. Cho, C.J. Boehlert, V. Khademi, Abnormal deformation behavior of oxygen-modified β-type Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr alloys for biomedical applications, Metall. Mater. Trans. A 48 (2017) 139–149.

[7] Chamanfara, A., T. Pasangb, A. Venturaa, W.Z. Misiolek Mechanical properties and microstructure of laser welded Ti–6Al–2Sn– 4Zr–2Mo (Ti6242) titanium Materials Science & Engineering A 663 (2016) 213–224.

[8] Mazur Ł., A. Warsz Wpływ zawartości gazów na właściwości złączy blach ze stopu tytanu grade 12 spawanych metodą tig Przegląd spawalnictwa 4/2012.

[9] Akman E., A.Demir, T.Canel, T.Sınmazçelik Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys Journal of Materials Processing Technology Volume 209, Issue 8, 21 April 2009, Pages 3705-3713.

[10] Baeslack III W.A., D.W. Becker, F.H. Froes, Advances in titanium alloy welding metallurgy, JOM 36 (1984) 46–58.

[11] Baeslack III W.A., J.M. Gerken, C. Cross, J. Hanson, P.S. Liu, J.C. Monses, J. Schley, L. Showalter, Titanium and titanium alloys, Eighth ed., Welding Handbook, 4 American Welding Society, Miami, Florida, USA, 1988, pp. 488–540.

[12] Banerjee D., J.C. Williams, Perspectives on titanium science and technology, Acta Mater. 61 (2013) 844–879.

[13] Boyer R.R., R.D. Briggs, The use of β titanium alloys in the aerospace industry, J. Mater. Eng. Perform. 14 (2005) 681–685.

[14] Thomas W.M., E.D. Nicholas, J.C .Needham, M.G. Murch, P. Templesmith, C.J. Dawes. Friction Stir Butt Welding. International Patent Application PCT/GB92/02203, GB Patent Application 9125978.8. 6 Dec. 1991 and US Patent 5,460,317.