wpływ wybranych parametrów procesu zgrzewania

Rudy Metale R57 2012 nr 8
UKD 621.791.9:621.79/.1
:669.715:629.7
PIOTR LACKI
ZYGMUNT KUCHARCZYK
ROMANA EWA ŚLIWA
TOMASZ GAŁACZYŃSKI
WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW
PROCESU ZGRZEWANIA TARCIOWEGO
Z PRZEMIESZANIEM
NA POLE TEMPERATURY
Przedstawiono wyniki analizy procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, wykorzystywanej do łączenia metalowych
elementów struktur lotniczych. Skoncentrowano się na pierwszym etapie tej metody zgrzewania - fazie wgłębiania obracającego się narzędzia w materiały łączonych elementów, aż wieniec opory znajdzie się w kontakcie z górną powierzchnią
elementu. Symulację numeryczną procesu za pomocą metody elementów skończonych wykonano z wykorzystaniem programu AD/NA System v.B.B.O. Dla modelu termicznego wykorzystano współczynniki odpowiadające aluminium A16061-T6
jako materiału do budowy metalowych struktur nośnych płatowców. Problem rozpatrywano jako zagadnienie osiowosymetryczne. Wyznaczono rozkłady temperatury dla wybranych kroków czasowych, przyjmując stałą wartość współczynnika
tarcia. Wykazano, że przyjmowanie stałej wartości współczynnika tarcia może prowadzić do niepewnych wyników, temperatury przekraczającej temperaturę topnienia zgrzewanego materiału. Analizowano także wpfyw wybranych parametrów
procesu (prędkość obrotowa narzędzia, wstępne nagrzewanie materiału) na generowanie ciepła tarcia w strefie kontaktu
narzędzie - zgrzewany element. Wykazano istotny wpfyw przyjmowanego modelu tarcia i wartości parametrów procesu
na generowanie ciepła w modelowaniu procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem. Jest to ważne, gdyż w fazie
wgłębiania tworzone są wyjściowe warunki termomechaniczne dla dalszych etapów procesu ifinalny efekt połączenia materiałów technologią FSW
Słowa kluczowe: zgrzewanie tarciowe, zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem
cja numeryczna procesu ZTP
( FSW), łączenie stopów aluminium, symula-
INFLUENCE OF SELECTED PARAMETERS OF FRICTION STIR
WELDING PROCESS ON THE TEMPERATURE FIELD
The analysis of the Friction Stir Welding process (FSW), which can be used for joining metal parts oj aircroft structures have
been presented in this work. The presented results are focused on the first phose of this method of welding - phase of
plunged the tool into material of the joined elements. /n this phase, the rotating tool is plunged in the material until the
tool's shoulder comes in contact with the upper surface of the element. Numerical simulation of the process using the finite
element method was performed using the AD/NA System v.B.B.O. For the thermal model coefficients corresponding to the
aluminum alloy 6061- T6 as material for manufacturing of the airframe's metal structures. The problem was considered as
on axisymmetric problem. Temperature distributions were determined for selected time steps, assuming constant coefficient of friction. It has been shown that taking a constant value of the coefficient of friction eon lead to uncertain results,
the temperatures exceeding the melting point of the welded material. Analyzed the influence of process parameters (tool
rotation speed, pre-heating of the material) to generate frictional heat in the contact zone tool - welding element. The
results show how important implieotions for modeling of heat generation in friction stir welding process has assumed frtction model and parameter values of the process. This is important because in phase of plunging the conditions are created
for the further phases of thermo-mechanical process.
Keywords: Friction welding, Friction Stir Welding process ( FSW), joining of aluminium alloys, numerical simulatlen of FSW
tarciowego z przemieszaniem została opracowana i opatentowana w 1991 r. przez angielski Instytut Spawalnictwa
Wprowadzenie
Zgrzewanie
tarciowe
z przemieszaniem
(Friction Stir
Welding - FSW) jest jedną ze stosunkowo
cowanych
metod łączenia
Dr hab. inż. Piotr Lacki, pro!
Śliwa, pro!
524
niedawno oprametali. Technologia zgrzewania
nzw., dr inż. Zygmunt
nzw., mgr inż. Tomasz Gafaczyński -
Institute
-
TWI Ltd. [1)). Wynalezienie
Politechnika Częstochowska, Częstochowa, dr hab. inż. Romana Ewa
Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Rzeszów.
Kucharczyk -
Politechnika
(The Welding
tej
metody zbiegło się w czasie z poszukiwaniami przez przemysł lotniczy nowoczesnych i nietypowych
rozwiązań łą-
czenia struktur lotniczych wykonanych ze stopów aluminium gatunków Al 2xxx i Al 7xxx (uważanych za trudno
Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem, jak również tradycyjne zgrzewanie tarciowe należą do tej samej grupy me-
spawalne tradycyjnymi
tod łączenia metali i ich stopów w stanie stałym (w tempe-
metodami)
w celu zapewnienia
do-
raturach niższych od temperatury topnienia łączonego materiału) [3]. W tradycyjnym zgrzewaniu tarciowym ciepło
statecznej wytrzymałości połączenia przy minimalizacji ciężaru, pracochłonności i kosztów względem metod łączenia
przy użyciu znormalizowanych
elementów
niezbędne
złącznych (tj. ni-
wierzchni
ty, śruby, Hi-loki, Lockbolty itp.). Powyższe skutkuje wzrostem ekonomiczności
produkcji płatowców
i obniżeniem
ciężaru własnego
konstrukcji
oraz wzrostem
ności na rynku producentów
szenie ceny wyrobu.
płatowców
Metoda jest stale rozwijana
zwłaszcza w przemyśle lotniczym
stoczniowym,
chłodnictwie,
netrująca)
Rys. 1. Jeden z przykładów
zastosowania
Fig. 1. Example of FSW joining
method
for the manufacture
opory
(rys.
3}, wprowadzane
(rys. 40) i wgłębiane
dzy dwoma elementami (rys. 4b).
Wysokość trzpienia jest mniejsza
względem
do produkcji
i wieńca
w ruch obrotowy
oraz innych gałę-
przez firmę Eclipse Aerospace
dwóch elementów/po-
tarcia między obracającymi
W procesie zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (rys. 2)
specjalnie zaprojektowane cylindryczne narzędzie, z częścią
roboczą składającą się z profilowanego trzpienia (część pe-
poprzez zmniej-
ziach produkcji jako alternatywa lub zastępstwo
konwencjonalnych metod łączenia elementów.
połączenia
w wyniku
się względem siebie elementami/powierzchniami,
które
w cyklu zgrzewania są stopniowo do siebie dociskane [4].
konkurencyj-
i znajduje zastosowanie
(rys. 1), motoryzacyjnym,
kolejnictwie
do trwałego
powstaje
metody
łączenia FSW w przemyśle
elementów
struktury
płatowca
in the aerospace industry
of airframe
structures
jest
w obszar złącza mię-
od grubości
łączonych
lotniczym
samolotu
Eclipse [2]
by Eclipse Aerospace
of Eclipse aircraft
[2]
a
c
-
wieniec opory
Rys. 4. Schemat etapów procesu FSW [6]
Fig. 4. Scheme of steps of FSW process [6]
zgrzeina
Rys. 2. Schemat zgrzewania tarciowego
z przemieszaniem
Fig. 2. Schematic drawing of friction
('1
stir welding
(p ąJł
(a)
(b)
@f~
(e)
(d)
~~
(el
(f)
(g)
Rys. 5. Rodzaje połączeń
a -
eRys. 3. Przykładowe
w zgrzewaniu
tarciowym
Fig. 3. Example of tool used in the friction
wielozakładkowe,
f-
zakładkowe teowe, g -
Fig. S. Joint configurations
narzędzie stosowane
z przemieszaniem
b - kątowe, c - teowe, d - zakładkowe,
doczołowe,
a -
[5]
stir welding
[5]
Square butt, b -
e - Multiple
for friction
Edge butt, c -
lap joint,!
-
pachwinowe
stir welding
T-burt joint, d -
T-lap joint, g -
[7]
Lap joint,
Fillet joint [7]
525
Tablica
Wybrane
narzędzia
stosowane
w technologii
1
przez TWI [8]
FSW zaprojektowane
Table
Selected tools used in FSW technology
Cylindryczne
Narzędzie
WhorlTM
MX triflute
by TWI [8]
developed
TM
1
Flared triflute TM
A-skewTM
Re-stir TM
Rysunek poglądowy
@
Cylindryczny
gwintowany
Stożkowy
gwintowany
Stożkowy
gwintowany
z trzema
rowkami
Trój rowkowy
z zakończeniem
rowków na poszerzonej końcówce
Pochylony
cylindryczny
gwintowany
Stożkowy
gwintowany
Stosunek objętości trzpienia
do cylindrycznej objętość
trzpienia
1
0,4
0,3
0,3
1
0,4
Stosunek objętości podczas
obrotu trzpienia do objętości
samego trzpienia
1,1
1,8
2,6
2,6
Zależny od kąta
trzpienia
1,8
Zmiana kierunków obrotu
nie
nie
nie
nie
nie
tak
Zgrzewanie
doczołowe,
nie do zgrzein
nakładkowych
Zgrzewanie doczołowe z obniżonym
momentem
obrotowym podczas
zgrzewania
Zgrzewanie
doczołowe z dalszym obniżeniem
momentu obrotowego podczas
zgrzewania
Zgrzewania
nakladkowe
z niższym
pocienieniem
górnej płyty
Zgrzewania
nakładkowe
z niższym
pocienieniem
górnej płyty
Kiedy wymagana
jest minimalna
asymetria
w własnościach
zgrzeiny
Kształt trzpienia
Zastosowanie
elementów, zatem podczas "zanurzania" narzędzia w zgrzewany materiał, także wieniec opory wchodzi w kontakt
z jego powierzchnią. Trzpień i wieniec opory wykonane są
z materiału
twardszego
i bardziej odpornego
Wieniec
na zużycie niż
łączony materiał. W czasie procesu, wskutek tarcia narzędzia o materiał elementów oraz plastycznego odkształcenia
materiału,
generowane
jest ciepło. Następuje
zmiękczenie
materiału łączonych elementów - nie jest jednak osiągany
punkt topnienia (rys. 4c). Zmiękczony i stale mieszany materiał jest transportowany
w kierunku przeciwnym do ruchu narzędzia wzdłuż linii styku łączonych płyt (rys. 4d).
Stygnąc, przemieszany materiał tworzy między spajanymi
elementami złącze, w stanie stałym (rys. 4e).
Technologie opracowane na podstawie procesu zgrzewania
tarciowego z przemieszaniem pozwalają na wykonywanie
różnego
rodzaju
połączeń
elementów
metalowych
tego
samego materiału prowadzone są także badania mające na
celu opracowanie technologii łączenia materiałów różnych
gatunków i różnych metali (rys. 5).
Równocześnie rozwojowi tej technologii
zakresowi możliwości
stosowania
i coraz szerszemu
w konstrukcjach
metalo-
wych towarzyszy rozwój narzędzi. W tablicy 1 przedstawiono kilka wybranych przykładów trzpieni tych narzędzi.
Zwiększenie
elementów
efektywności
przemieszania
dostosowanie
materiału
geometries,
the shoulder
przez TWI [8]
viewed from underneath
designed by TWI [8]
wierzchni wieńca opory (rys. 6)
Z powodu różnych geometrycznych
kształtów narzędzia,
ruch/przepływ
materiału wokół trzpienia może być skomplikowany, także gradienty odkształceń, temperatury i prędkości odkształceń. W związku z tym mikrostruktura
strefy
jądra zgrzeiny odzwierciedla
cesy zachodzące w trakcie
różne termomechaniczne
prołączenia i jest niejednorodna
(rys. 7). Pomimo lokalnej niejednorodności
mikrostruktury,
jedną z istotnych korzyści płynących z tej techniki łączenia
metali jest w pełni skrystalizowana,
ziarnista mikrostruktura
intensywną deformację
równoosiowa,
drobno-
utworzona w jądrze zgrzeiny przez
plastyczną w podwyższonej tempe-
opracowywanie
nowych
również opracowywanie
wania tarciowego
trzpieni
rodzaju
połącze-
Fig. 6. Tool shoulder
wieńca opory narzędzia widziana
zaprojektowane
raturze. Drobnoziarnista mikrostruktura
posiada doskonałe
właściwości mechaniczne, właściwości zmęczeniowe, większą plastyczność i wyjątkową nadplastyczność [7].
kształtów
różnego
do rodzaju
powierzchni
od strony trzpienia
nia, gatunek materiału,
wzrost trwałości
narzędzia, ale
również jakość powierzchni zgrzeiny powoduje nie tylko
526
łączonych,
Rys. 6. Geometria
narzędzia, ale
kształtów po-
Badania
strefy
połączenia
za pomocą
z przemieszaniem
procesu
prowadzi
zgrze-
do badań
HAZ
Ramię przepływu
TMAZ
TMAZ
HAZ
Materiał
rodzimy (PM)
Materiał
rodzimy (PM)
Jądro zgrzeiny
Rys.7. Różneobszary mikrostruktury wzdłuż przekroju przez materiały połączone metodą FSW
HAl - strefy wpływu ciepła; TMAl - strefa wpływu termomechanicznego; strona natarcia zgrzeiny jest tam,
gdzie kierunek obrotów narzędzia jest taki sam jak kierunek posuwu narzędzia (naprzeciwko kierunku płynięcia metalu);
Strona spływu zgrzeiny jest tam, gdzie obrót narzędzia jest przeciwny do kierunku posuwu narzędzia
(równoległy do kierunku płynięcia metalu) [7]
Fig. 7. Transversesection of a friction stir weld showing different regions of the weld HAl - heat-affected zone;
TMAl - thermomechanically affected zone; the advancing; side is where the tool rotation direction is the same
as the tool travel direction (opposite the direction of metal flow), and the retreating side is where the tool rotation
is opposite the tool travel direction (parallei to the direction of metal flow) [7]
kształtu stref i mikrostruktury
tych stref w zgrzeinie (rys. 8),
zgrzewania tarciowego z przemieszaniem są wyjaśnione.
Ponieważ nie ma możliwości bezpośredniej obserwacji sa-
rozkładu temperatur w trakcie procesu, badania przepływu
metalu wokół trzpienia w trakcie procesu, rozkładu twardości w strefie zgrzeiny i w zgrzeinie, własności mechanicz-
mego mieszania materiału, podstawowym sposobem analizy procesu jest jego modelowanie z wykorzystaniem symu-
nych połączenia i ich związku z parametrami procesu, takimi jak: prędkość obrotowa narzędzia, prędkość posuwu narzędzia wzdłuż styku łączonych elementów, siły osiowej do-
lacji komputerowych.
W symulacjach numerycznych, wykorzystuje się przede wszystkim metodę elementów skończonych. Najczęściej 'stosuje się model tarcia Coulomba, a przyj-
cisku narzędzia do elementów
mowane założenia dotyczą przede wszystkim
łączonych oraz poszukiwaniu
wad połączenia.
współczynni-
ka tarcia. W większości prac ma on stałą wartość [15+17].
Oprócz przyjętego modelu tarcia, na ilość generowane-
Metoda FSW ma szereg zalet. Do najważniejszych należą m.in. dobre własności mechaniczne złącza, brak gazów
go ciepła tarcia wpływają
osłonowych, brak pęknięć gorących, możliwość mechaniza-
to m.in. prędkość obrotowa
cji procesu, oraz że metoda ta należy do tzw. grupy techno-
trzpienia,
logii "zielonych", z powodu braku negatywnego wpływu na
otaczające środowisko, jak i człowieka [9]. Ograniczeniami
- kąt pochylenia narzędzia. Parametry procesu powinny
być tak dobrane, żeby zapewnić uplastycznienie zgrzewa-
tej metody są m.in. wymagane sztywne mocowanie zgrzewanych elementów i trwałość narzędzia.
Jakkolwiek idea zgrzewania tarciowego z przemiesza-
nego materiału.
Przedstawiony
prób opracowania
niem jest prosta, to w rzeczywistości
wania tarciowego
proces jest złożonym
zagadnieniem termomechanicznym,
charakteryzującym
się
licznymi interakcjami
[10]. Podstawową rolę w procesie
FSW odgrywa
generowane
ciepło. Jednym z jego dwóch
źródeł jest tarcie występujące w procesie pomiędzy narzędziem a zgrzewanym materiałem, stąd na ilość generowanego ciepła ma wpływ również wymiar i geometria narzędzia. Przeprowadzone badania w procesie zgrzewania stali
wykazały, że ok. 80 do 90 % ciepła generowanego jest przez
tarcie na powierzchni wieńca opory, a 20 do 10 % przez pozostałe powierzchnie
nież symetryczny
narzędzia [11, 12]. Zakłada się rów-
rozkład generowanego
ciepła względem
względnej
prędkości
ciągle nie wszystkie
aspekty
wpływu
tarcia
na proces
procesu FSW. Są
głębokość wnikania
stan zagadnienia
uzasadnia podjęcie
zależności parametrów
procesu zgrzez przemieszaniem
na proces generowa-
nia ciepła w wyniku tarcia pomiędzy narzędziem a materiałem łączonych elementów.
W niniejszym
artykule
przedstawiono
wyniki
i wnioski
z analizy wpływu wybranych parametrów procesu (tj. prędkości obrotowej narzędzia, prędkości wgłębiania trzpienia
narzędzia) na generowanie ciepła tarcia w początkowej fazie procesu, jaką jest wgłębianie obracającego się narzędzia
w materiał (rys. 4b, e). Jakkolwiek faza ta jest krótka, w porównaniu z fazą samego zgrzewania, to w tej fazie tworzone są warunki termomechaniczne
procesu FSW.
dla następnych
etapów
Model procesu
między narzędziem,
a materiałem
zgrzewanym [13]. Tarcie zależy od wielu
zmiennych, ale i samo na nie wpływa [14]. Z tego powodu
trzpienia,
siła docisku narzędzia, a dla liniowego zgrzewania
osi symetrii narzędzia oraz ilość generowanego
ciepła
wzrasta wraz z odległością od osi narzędzia, co związane
jest z wzrostem
także parametry
Temperatura
nieustalonego
wyznaczana
przewodnictwa
jest na podstawie
równania
ciepła
527
dT
pc-
\1 (k\1 T) + q
dt
p - gęstość, kg/m",
q
ciepło właściwe, J/kg ·C,
temperatura, ·C,
k - przewodność cieplna, W/m ·C,
P'
cT-
gdzie
D
P
gl
a
ci
n
d
(i
TI
IL
C
n
ni
ci
łą
gi
s:
A
51
re
ni
Zł
o
Ol
P
b
si
D
e
f
r~
I
Rys.8.
a -
przekrój wykonany
HAl -
AS d -
przez strefę połączenia
strefy wpływu
strona napierająca;
strefę wpływu
ciepła; TMAl
-
b+d - mikrografia
termomechanicznego
w stopie odlewniczym
strefa wpływu
optyczna
termomechanicznego;
pokazująca,
(TMAZ) gdzie nastąpiło
e, f i g -
Al-Si. Wskazano defekty/pory
w materiale
SN - jądro zgrzeiny; RS -
rodzimym
(8M);
strona cofająca;
b - materiał rodzimy (8M); c - strefę wpływu ciepła (HAl);
znaczne rozdrobnienie
jądra zgrzeiny z przekroju
krzemu; e+q -
makroskopowego
mikrografiaoptyczna
stref
a [5]
Fig.8.
a -
a section through
HAl represents
b+d - optical micrographs
affected
stir weld made in an Al-Si casting alloy. There are pores indicated
the heat affected
zone, TMAl
showing the microstructure
zone, where considerable
e,f
528
a friction
refinement
the thermomechanically
in b -
affected
the base metal; c -
of the silicon has occurred;
and g of the stir nugget as identified
in macroscopic
in the base metal (8M).
zone, and SN the stir nugget,
zone; d - the thermomechanically
e+q - optical micrographs of regions
heat-affected
section presented
above a [5]
I'
q -
wydajność
objętościowego
pła, W/m3.
Dla górnej powierzchni
wewnętrznego
źródła cie-
zgrzewanego
materiału,
opływanej
przez powietrze, zastosowano konwekcyjny warunek brzegowy, przyjmując wartość współczynnika
przejmowania
ciepła 35 W/ m2 "C, Ponieważ dolna powierzchnia elementu w procesie FSW kontaktuje
dla tej powierzchni
(44S W/ m2 oC).
c
=
896 J/kgOC, P
=
2700 kg/m", współczynnik
rozszerzalno-
ści cieplnej a = 22 um/rrr'C.
się z reguły z płytą oporową,
przyjęto wyższą wartość współczynnika
Temperatura początkowa
łu To = 25 "C.
narzędzia i zgrzewanego
Przyjęto, że narzędzie wykonane jest ze stali AISI H13, [20]:
k = 25 W/moC, c = 460 J/kgOC, P = 7760 kg/rn", współczynnik rozszerzalności cieplnej a = 10,4 urn/m'C. Własności
mechaniczne: E = 210 GPa, Opl = 1520 MPa, v = 0,33.
Zastosowano
model tarcia Coulomba, w którym dla współ-
czynnika tarcia ~ przyjęto stałą wartość.
materia-
Wyniki
Ciepło tarcia jest generowane na powierzchniach kontaktu
narzędzia z łączonymi elementami oraz w wyniku plastycz-
ciowego
nego odkształcenia zgrzewanego materiału. Przyjęto, że 95 %
ciepła generowanego w wyniku tarcia jest przekazywane do
w materiał łączonych elementów. W tej fazie obracające się
narzędzie jest wgłębiane w materiał, aż wieniec opory
łączonych elementów,
a 5 % do narzędzia [18]. 100 % ener-
gii odkształcenia plastycznego jest zamieniane na ciepło.
Do zamodelowania
zgrzewania tarciowego z przemieszaniem przyjęto termoplastyczny
model materiału
AL 6061-T6. Własności mechaniczne tego stopu zestawiono
w tablicy 2.
W artykule
analizowano
pierwszy etap zgrzewania tar-
z przemieszaniem
-
fazę wgłębiania
znajdzie się w kontakcie z górną powierzchnią
narzędzia
elementu.
Pole temperatury
dla najczęściej stosowanego w literaturze wariantu - stały współczynnik tarcia (~ = 0,3) przedstawia dla różnych kroków czasowych rysunek 10. W miarę
wgłębiania
narzędzia w zgrzewany
materiał,
materiał
jest
stopniowo nagrzewany w wyniku generowania ciepła tarcia. Początkowo w kontakcie z górną powierzchnią elementu jest tylko powierzchnia
Symulacja numeryczna
Symulację
numeryczną
procesu wykonano
z wykorzy-
staniem programu ADINA System v.8.8.0, [19]. Problem
rozpatrywano jako zagadnienie osiowosymetryczne.
Rysunek 9 przedstawia siatkę elementów skończonych.
Zgrzewany materiał
został zamodelowany
jako
o średnicy 0,05 m i grubości 0,002 m. Trzpień ma średnicę
następnie
puje w warstwie zgrzewanego materiału znajdującej
bezpośrednio
pod powierzchnią
czołową trzpienia.
przyjętych
krążek
czołowa trzpienia,
po-
wierzchnia boczna trzpienia i powierzchnia kołnierza opory.
W tej fazie procesu maksymalna temperatura
wystę-
danych,
maksymalna
temperatura
się
Dla
dla kroku
czasowego t = 2,55 s wynosi 703,8 "C (rys. 10d). Ponieważ
proces FSW jest procesem prowadzonym w stanie stałym
0,003 m i wysokość 0,0013 m. Dla wieńca opory przyjęto
zgrzewanego
promień 0,006 m i wysokość 0,003 m. Narzędzie jest wgłębiane ze stałym przemieszczeniem óh = 5·10-6 m, obracając
cesie FSW są z zakresu 70+90 % temperatury
topnienia
zgrzewanego materiału. Wartość 703,8 "C znacznie prze-
się z prędkością w = 600 obr/min.
Dla modelu termicznego Al 6061-T6 przyjęto: k = 167 W/moC,
kracza przyjmowaną
topnienia
materiału,
582
temperatury
dla stopu
występujące
Al 6061-T6
w pro-
temperaturę
-c.
Tablica
2
Własności Al 6061-T6 zależne od temperatury [17]
Table
Temperatura, ·C
Granica plastyczności, MPa
Moduł Younga, GPa
2
Properties
ot Al 6061-T6 temperature
25,0
37,8
93,3
148,9
204,4
260,0
315,6
371,1
426,7
276,0
274,4
264,4
248,2
218,6
159,7
66,2
34,5
17,9
47,48
40,34
31,72
68,90
68,54
66,19
dependent [17]
63,09
Jednym
59,16
53,99
z podstawowych
wania tarciowego
parametrów
jest prędkość obrotowa
procesu
zgrze-
narzędzia. Wraz
z jej zwiększaniem rośne w zgrzewanym materiale ilość ciepła. Rysunek 11 przedstawia pole temperatury
dla dwóch
prędkości obrotowych
narzędzia: 420 i 720 obr/min, gdy
t = 2,5 s. Wzrost prędkości powoduje wzrost temperatury
w zgrzewanym materiale. Dla w = 420 obr/min obliczona
temperatura
maksymalna wynosi 496 "C, a dla w = 720
obr/min odpowiednio 770 "C,
Jakkolwiek
Rys.9. Siatka elementów skończonych
Fig. 9. Finite element mesh
przedstawione
na rysunku 11 rozkłady tempera-
tury dotyczą tego samego etapu wgłębiania
rzędzia (h = 1,25,10-3 m), to dla prędkości
(rys. 11b) cała powierzchnia
czołowa
wieńca
trzpienia na720 obr/min
opory
jest
529
Aa)
D TIME2.00
b)
TIME
2.35
d)
TIME
2.550
I
N
A
TEMPERATUR
E,
'c
600.0
533.3
466.7
400.0
ej
333.3
TIME 2.450
200.7
200.0
-
- 133.3
-
667
Rys, 10. Rozkład temperatury
a -
t
= 2,0
a -
t
= 2.0
s, b -
t
= 2,35
t
= 2,55
s
t = 2.45 s, d - t
= 2.55
s
t
s, c -
= 2,45
Fig. 10. The temperature
s, b -
t
= 2,35
s, c -
distribution
bJ
Aa)
D TIME
I
N
A
s, d -
2.50
TIME
TEMPERATURE,
2.50
'C
600.0
533.3
466,7
400.0
R
333.3
-
200.7
200.0
-133.3
-
66.7
dla t
Rys. 11. Rozkład temperatury
a -
w
= 420
obr/min,
Fig. 11. Temperature
a -
w
= 420
rev/rnin,
b- w
b -
który nie występuje
dla Ul = 420 obr/rnin.
więcej generowanego
tury w materiale.
W rezultacie w obszarze pod narzędziem
1i
s i t = 2,5 s, zależ-
ność maksymalnej temperatury
od prędkości obrotowej
narzędzia. Maksymalna temperatura
rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Jest to zrozumiałe, gdyż ciepło
tarcia zależy od siły tarcia i obwodowej
prędkości narzędzia, a ta z kolei od prędkości obrotowej.
rośnie
prędkość
obrotowa
narzędzia,
Tmax(t= 2,5 s) - Tmax(t = lA
= 330 "C.
530
st
ta
w
w
m
600.0
e
w:
500.0
..•00.0
E
Dl
~
W
2t
300.0
E
~
go
tu
200.0
100.0
tei
0.0
0.0
100.0
100.0
Jednocześnie, gdy
300.0
soo.o
400.0
Prędkość obrotowa
0).
600.0
s) = 146 "C, Dla Ul
= 600 obr/min,
100,0
gn
na
obemin
to wraz z czasem
(t = lA s , t = 2,5 s) większe są bezwzględne przyrosty maksymalnej temperatury.
Dla Ul = 180 obr/rnin,
(j,Tmax =
(j, T max
tr
s
st
fr'
Na rysunku 12 pokazano, dla t = lA
= 2.5
rev/min
100.0
Im większa prędkość obrotowa, tym
ciepła i tym samym wyższe temperamoże
= 720
s
100.0
w tym momencie
jest więcej miękkiego materiału, który tym samym
być łatwiej zgrzewany i przemieszczany.
w
= 2,5
obr/min
for t
distribution
w kontakcie ze zgrzewanym materiałem, Ponadto w pobliżu
krawędzi wieńca zaczyna tworzyć się pierścień przemieszczonego materiału,
= 720
pn
Rys. 12. Wpływ prędkości obrotowej
na maksymalną
temperaturę
narzędzia
w zgrzewanym
me
materiale
M
Fig. 12. Effect of tool rotation
speed on the maximum
Jec
temperature
materia I
in the welded
to~
A
a)
b)
D TIME O 10
I
N
TIME 1.3
A
TEMPERATURE:C
160.0
144 O
128.0
112.0
960
80.0
- 64.0
- 480
- 32.0
z
l-y
Rys. 13. Wpływ czasu trwania
wstępnego
tarciowego
nagrzewania
a- M
Fig. 13. Effect of the duration
of the initial frictional
materiału
= Os, b -
M
=
na rozkład temperatury,
heating of the material
a- M
= O s, b -
M
= 5.10-5
m
on temperature
distribution,
deepth h
= 5.10-5
m
= 1,2 s
ciowego nagrzewania,
250.0 ,----------------------,
h
wgłębienie
1,2 s
maleje tempo
przyrostu temperatu-
=
?OO,O
że M
~
=
ry maksymalnej. Dla w
600 obr/min i M = 1,0 s, l::. T max
61,17 "C. Wydłużenie okresu nagrzewania o kolejną 1 s, tak
150.0
=
2,0 s, powoduje
przyrost temperatury
maksymalnej
tylko o 11,1 "C, Należy ten fakt brać pod uwagę, jeżeli jako
.'
l:
_-----
metodę wstępnego nagrzania tarciowego zostanie wybrane
nagrzewanie tarciowe. Zwiększanie czasu trwania tego nagrzewania
?OOobr.mJn
se.o
nie będzie prowadzić
temperatury,
trzpienia.
600 abC' min
a może prowadzić
do znaczącego przyrostu
do zmniejszenia
trwałości
4200twmin
0.0 '----------------------'
0.0
0,2
0,4
0,6
0.8
Czas
1.0
trwania ~:.I pncgo
l.!
nagrzewania
1.4
1.1
1.6
Podsumowanie
::!.O
.
Wykazano wpływ wybranych parametrów
Rys. 14. Wpływ czasu trwania
elementu
na maksymalną
wstępnego
temperaturę
Fig. 14. Effect of the duration
element on the maximum
tarciowego
nagrzewania
w zgrzewanym
materiale
of the initial frictional
temperature
heating
in the welded
material
wania tarciowego
z przemieszaniem
procesu zgrze-
(prędkość
obrotowa
narzędzia, wstępne nagrzewanie materiału) na generowanie ciepła tarcia w strefie kontaktu narzędzie-zgrzewany
element (prędkość obrotowa narzędzia wpływa na prędkość i zakres nagrzania materiału, z kolei zastosowanie
wstępnego
tarciowego
nagrzewania
materiału
podnosi
maksymalną temperaturę, ale stosowanie tego rozwiązania
może być dyskusyjne). Wykazano również, że przyjmowanie
Przedstawione dotychczas wyniki dotyczyły wgłębiania
trzpienia w materiał w sposób ciągły, bez przestojów, ze
stałą prędkością v = 5·10-4 m/s. Dla porównania rozważano
stałej
także przypadek, gdy podczas przemieszczania narzędzia
w dół, po wstępnym wgłębieniu h = 5.10-5 m, narzędzie zo-
niepewnych wyników temperatury, przekraczającej temperaturę topnienia zgrzewanego materiału w pierwszej fazie
staje zatrzymane. Obracające
wierzchnia trzpienia) tarciowo
się narzędzie (czołowa ponagrzewa materiał. Tym sa-
mym, gdy po czasie M wgłębianie
narzędzia zostanie
wznowione, temperatura
zgrzewanego materiału będzie
wyższa (rys. 13).
=
=
=
=
Dla M
O s Tmax 86,63 "C, dla M
1,2 s Tmax
150,8 "C.
W tym przypadku dla w = 600 obr/min, w wyniku wstępnego tarciowego nagrzania
tura wzrosła o 64,17 "C.
materiału
Z kolei rysunek 14 przedstawia
temperatury
od czasu trwania
maksymalna
tempera-
zależność maksymalnej
wstępnego
tarciowego
na-
grzewania materiału,
narzędzia (wgłębienie
dla różnych prędkości obrotowych
trzpienia h = 5.10-5 m). Zwiększenie
prędkości
powoduje
obrotowej
większy
przyrost
maksy-
malnej temperatury.
Gdy M = 2 s r dla w = 420 obr/min
= 49,58 "C. Dla w = 900 obr/min l::.Tmax = 99,9 "C.
Jednocześnie należy zauważyć, że dla danej prędkości obro-
wartości
procesu -
współczynnika
wgłębianiu
tarcia
może prowadzić
się narzędzia w zgrzewany materiał.
Otrzymane wyniki pokazują, że przyjmowany model tarcia
i wartości parametrów procesu mają wpływ na generowanie ciepła w modelowaniu
tego procesu, w szczególności
jest to ważne w fazie wgłębiania,
tworzone są wyjściowe warunki
dalszych
etapów
procesu.
gdyż w tym momencie
termomechaniczne
dla
Uzyskane wyniki
skłaniają
ze stopów
aluminium
gatunków
Al. Zxxx, Sxxx, 6xxx oraz
7xxx (tego samego jak i różnego gatunku)
stosowania
tej metody
przy produkcji
daje możliwość
struktur
metry wytrzymałościowe
towej, wraz ze zwiększaniem
tar-
lotniczych
przy jednoczesnym
obniżeniu pracochłonności,
kosztów
i ich ciężaru, zachowując porównywalne
lub wyższe paraobecnie stosowanych metod łączenia elementów
stosowaniu elementów złącznych.
wstępnego
do
podjęcia dalszych analiz tego procesu oraz podjęcia prób
testowych/laboratoryjnych
zastosowania tej metody do łączenia metali. Możliwości łączenia elementów wykonanych
ó.Tmax
czasu trwania
do
oraz szczelność w porównaniu
do
przy za-
531
Literatura
13. Nandan
dimensional
1. http://www.twi.co.uk/content/fswintro.html
mild steel. Acta Materialia
2. http://eclipseaerospace.net
14. Colligan
R., Kamiński l.: Zgrzewanie
3. Michalski
tarciowe,
WNT, War-
J.: Połączenia spawane
i zgrzewane.
Arkady, War-
heat generation
szawa 1987.
5. Naudan
R., OebRoy T., Bhadeshio
vances in friction
properties.
15. Schmidt
stir welding-
H. K. O. H.: Recent ad-
process, weldment
Progress in material
structure
16. Mandal
merical
Journal
6. http://www.sapagroup.com/pages/797
7. Mishra
R. S., Mahoney
Processing. ASM International,
8. Mishra
Materials
/FSW _folder _Eng.pdf
M. W:
Friction
Materials
R. S., Ma l. Y.: Friction
Science & Engineering
Stir Welding
stir welding
R: Reports
in friction
stir welding.
S., Rice J., Elmustafa
Spot Welding
-
of
Materials
6061-T6
via numerical
Stir and Friction
Welding-Experimental
ing Society Sheet Metal Conference,
10. Mishra
11. Nandan
modelIing
Weld-
Technology,
Set on friction
stir
2008, nr 58, s. 325+326.
R., Roy G. G., Lienert
during friction
of stainless steel, Science and Technology
2008,
12. Nandan
R., Roy G. G., Lienert
of Tree-Dimensional
of Welding
and
Friction
Stir Welding.
T. J., OebRoy T.: Numerical
Heat Transfer
Metallurgical
actions, April 2006, t. 37A, s. 1247+1259.
nr
203,
stir welding
simulation.
temperature
and
of aluminum
alloy
Int. J. Adv. Manuf.
ASME. Journal
and Nurnerlcal
of Manufacturing
Studies.
Technol.,
in Friction
Transactions
Stir
of
Science and Engineering,
and Plastic Flow
and Materials
19. ADINA-AUI,
Version 8.8.0, 1994-2012
http://www.efunda.com/glossa
ADINA R&D. Inc.
ry/materials/alloys/mate-
rials--alloys--steel--tool_steel--aisi_h13.cfm
stir
Joining, 2006, t. 11, nr 5, s. 526+537.
Simulation
the
20.
T. J., OebRoy T.: Numerical
of 3D plastic flow and heat transfer
and nu-
stir welding.
February 2003, t. 125, s. 138+145.
May 25, 2004.
R. S.: Preface to the Viewpoint
processing. Scripta Materialia,
American
Simul. Mater.
A. A.: Experimental
Processing
stresses in friction
2011, nr 55, s. 143+152.
Lean, Mean and Green. Detroit
model for the
ModelIing
of the plunge stage in friction
2005, t. 50, nr 1-2,
Stir
for the
stir weld-
2008, nr 58, s. 327+331.
H., Hattel J., Wert J.: An analytical
18. Chao y. J., X. Qi, Tang W: Heat Transfer
9. Smith C: Hinrichs J., Ruehl P.: Friction
During
Scripta Materialia,
model
in friction
17. Riahi M., Nazari H.: Analysis of transient
s.1+78.
welding
R. S.: A conceptual
related to heat generation
investigation
residual thermal
and processing.
of
s.411+419.
and
Park, Ohio, USA 2007.
stir welding
Sci. Eng., 2004, nr 12, s. 143+157.
and
science 2008, nr 52, s. 980+1023.
T. J., OebRoy T.: Three-
flow during friction
2006, nr 55, s. 883+895.
K. J., Mishra
process variabies
ing of aluminum.
szawa 1975.
4. Augustyn
R., Roy G. G., Lienert
heat and material
Trans-
Badania realizowane w ramach Projektu "Nowoczesne
technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym/~ Nr POIG.Ol.0l.02-00-015jOB-OO
w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejskq ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.