Łączenie doczołowe cienkich blach ze stopów tytanu metodą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (FSW)

• Autorzy: Luty G. , Gałaczyński T. , Śliwa R. E. , Myśliwiec P.

Warianty tytułu

EN

Butt welding of thin titanium sheets using friction stir welding (FSW) technology

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Publikacja dotyczy analizy charakterystyki dynamicznej procesu FSW opartego na efekcie uplastycznienia łączonych elementów ze stopów tytanu i efektu ich wymie-szania w strefie zgrzewania ze szczególnym uwzględnieniem specyfiki łączenia cienkich blach. Wykazano efekt wpływu parametrów procesu takich, jak m.in.: obroty i posuw narzędzia (prędkość zgrzewania), geometria i materiał narzędzia, temperatura. Uplastycznienie w strefie połączenia wymaga odpowiedniego poziomu naprężeń ścinających dla uruchomienia mechanizmu plastycznego płynięcia. Wielkością, która reprezentuje odpowiedź materiału na obciążenia zewnętrzne powodujące jego uplastycznienie, jest wartość sił osiowej i promieniowej występujących podczas zgrzewania. Temperatura procesu FSW blach tytanowych oscyluje w granicach 1000°C. Istnieje potrzeba stosowania zaawansowanych materiałów narzędziowych (np. specjalnej ceramiki narzędziowej) i stosowanie specjalnych układów chłodzących, zarówno narzędzie, jak i przyrząd mocujący. W pracy przedstawiono wyniki zgrzewania cienkich blach ze stopu tytanu GRADE 3 o grubości 0,5 mm w połączeniach doczołowych, za pomocą narzędzi wykonanych z węglika spiekanego oraz ze specjalnej ceramiki narzędziowej, o wymiarach dostosowanych do grubości blachy. Podczas zgrzewania rejestrowano wartości siły osiowej i promieniowej. Jakość złącza oceniano na podstawie badań właściwości mechanicznych złącza oraz analizy mikrostruktury. Wykazano, że odpowiednio dobrane parametry technologiczne i geometryczne procesu FSW wraz z odpowiednimi narzędziami, skutkują otrzymaniem połączeń wysokiej jakości i dużej powtarzalności. Najlepsze rezultaty otrzymano przy zastosowaniu narzędzia ceramicznego, prędkości obrotowej narzędzi 4000 obr/min i prędkości posuwu 100 mm/min. Warunki te zapewniają otrzymanie zgrzeiny o efektywności złącza na poziomie 84% wytrzymałości materiału rodzimego.

EN

The publication concerns the analysis of dynamic characteristics of the FSW process based on the effect of plasticization of joined elements from titanium alloys and the effect of their mixing in the welding zone, with particular emphasis on the specificity of joining thin sheets. The effect of the parameters such as tool rotational and travel speed (welding speed), geometry and material of the tool, temperature, was shown. Plasticization in the welding zone requires an appropriate level of shear stress to activate the flow plasticity mechanism. The value that represents the material's response to external loads causing its plasticization is the value of axial and radial forces during welding. The temperature of the FSW process for titanium sheets oscillates around 1000°C. There is a need to use advanced tool materials (e.g. special tool ceramics) and the use of special cooling systems for tool and the fixtures. The paper presents the results of welding thin GRADE 3 titanium sheets with a thickness of 0.5 mm in butt joints, using tools made of sintered carbide and a special tool ceramic, with dimensions adapted to the thickness of the sheet. During the welding, the values of axial and radial force were recorded. The quality of the joint was evaluated based on the mechanical properties of the joint and microstructure analysis. It was shown that the appropriately selected technological and geometric parameters of the FSW process together with the appropriate tools resulted in obtaining high quality connections and high repeatability. The best results were obtained using a ceramic tool, a rotational speed of tool at 4000 rpm and a travel speed of 100 mm/min. These conditions ensure that the weld has joint efficiency on 84% level com-pared to parent material.

Słowa kluczowe

PL

zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem; FSW; łączenie blach; blacha tytanowa; ceramika narzędziowa; węglik spiekany

EN

friction stir welding; FSW; titanium sheet; sheets joining; tool ceramic; sintered carbide

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 29, nr 3
• Strony: 277--298
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Luty G.

• Polskie Zakłady Lotnicze Sp. z o.o., ul. Wojska Polskiego 3, 39-300 Mielec, Poland

autor

Gałaczyński T.

• Polskie Zakłady Lotnicze Sp. z o.o., ul. Wojska Polskiego 3, 39-300 Mielec, Poland

autor

Śliwa R. E.

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

autor

Myśliwiec P.

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

Bibliografia

• [1] Thomas W. M., Nicholas E. D., Needham J. C., Murch M. G., Templesmith P., Dawes C. J.: „Friction Stir Butt Welding”. Int. Patent App. PCT/GB92/02203 and GB Patent App. 9125978.8, Dec. 1991. U.S. Patent No. 5,460,317, Oct. 1995.
• [2] Ciro De Filippis L. A., Serio L. A., Facchini F., Mummolo G., Ludovico A. D.: „Prediction of the Vickers Microhardness and Ultimate Tensile Strength of AA5754 H111 Friction Stir Welding Butt Joints Using Artificial Neural Network”. Materials 2016, 9, 915.
• [3] Mishra R. S., Mahoney M. W.: „Friction stir welding and processing”. Materials Park, OH, 2007, ASM International.
• [4] Arbegast W. J.: „Modeling Friction Stir Joining as a Metalworking Process”. Hot Deformation of Aluminium Alloys III, TMS Annual Meeting, San Diego, CA, 2-6 March 2003, pp. 313-327.
• [5] Iordachescu M., Iordachescu D., Ocaña J. L., Vilaça P., Scutelnicu E.: „Contribution to the Classification of the Characteristic Flaws in Friction Stir Welded Aluminium Butt Joints”. Proceedings of the IIV International Conference on Advances in Welding and Allied Technologies, 2009, pp. 269-264.
• [6] Givi M. K. B., Asadi P.: „Advances in Friction Stir Welding and Processing”. Woodhead Pblishing, United Kingdom, 2014.
• [7] Posada M., DeLoarch J., Reynolds A.P., Skinner M., Halpin J. P.: „Friction stir weld evacuation of DH-36 and stainless steel weldments”. Friction stir welding and processing, TMS, 2001.
• [8] Lienert T. J., Stellwag W. L., Griment B. B. jr, Warke R. W.: „Friction stir welding studies on mild steel”. Supplement to The Welding Journal, 2003.
• [9] Colligan K.: „Material flow behavior during Friction Stir Welding of Aluminium”. Supplement to The Welding Journal, 1999, pp. 229-237.
• [10] Meilinger A., Tórok I.: „The importance of Friction stir welding tool”. Production Processes and Systems, Vol. 6, No. 1, 2013, pp. 25-34.
• [11] Mishra R. S., Ma Z. Y.: „Friction stir welding and processing”. Mater. Sci. Eng. R, 2005, 50R, pp. 1-78.
• [12] Colligan K. J., Pickens J. R.: „Friction stir welding of aluminum using a tapered shoulder tool”. Friction stir welding and processing III, 161-170; 2005, San Francisco, CA, TMS.
• [13] Zhang Y. N., Cao X., Larose S., Wanjara P.: „Review of tools for friction stir welding and processing”. The Canadian Journal of Metallurgy and Materials Science, Volume 51, 2012, pp. 250-261.
• [14] Luty G., Śliwa R. E., Myśliwiec P., Gałaczyński T.: „Analiza wpływu rodzaju narzędzia stosowanego w technologii FSW w łączeniu doczołowym blach ze stopów tytanu”. XIII Ogólnopolska konferencja: Tytan i jego stopy, Janów Podlaski, 24-27 września 2017.
• [15] Buszta S., Śliwa R. E., Myśliwiec P., Ostrowski R.: „Wpływ warunków procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (FSW) na inicjację uplastycznienia strefy połączenia liniowego cienkich blach”. XII Konferencja naukowa: Odkształcalność metali i stopów, Łańcut, 21-24 listopada 2017.
• [16] Śliwa R. E., Myśliwiec P., Ostrowski R.: „Wpływ warunków realizacji procesu FSW na efekt łączenia cienkich blach ze stopu 2024-T3”. XII Konferencja naukowa: Odkształcalność metali i stopów, Łańcut, 21-24 listopada 2017.
• [17] Myśliwiec P., Śliwa R. E., Ostrowski R.: „Possibility of joining thin sheets of Al, Mg alloys and Ti GRADE 3 in FSW process”. Metal Forming vol. XXVIII no. 4 (2017), pp. 263-280.
• [18] Myśliwiec P., Śliwa R. E.: „Friction Stir Welding of thin Sheets of Magnesium Alloy AZ31B”. Arch. Metall. Mater. 63 (2018), 1, 45-54.
• [19] Andres J., Wrońska A., Gałaczyński T., Luty G., Burek R.: „Effect of Process Parameters on Microstructure and Mechanical Properties of RFSSW Lap Joints of Thin Al7075-T6 Sheets”. Arch. Metall. Mater. 63 (2018), 1, 39-43.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).