Naukowcy Wojskowej Akademii Technicznej doskonalą metodę wytwarzania połączeń bimetalicznych typu aluminium-stal. Zastosowanie nowatorskiej techniki zgrzewania tarciowego z przemieszaniem pozwala zredukować masę komponentów maszyn przy zachowaniu ich wysokiej nośności. Badania prowadzone wspólnie z naukowcami z Politechniki Bydgoskiej spełniają oczekiwania przemysłu, ponieważ umożliwiają zmniejszenie masy elementów pojazdów szynowych, a tym samym kosztów transportu.
Współcześnie, jedną z najbardziej innowacyjnych technik spajania materiałów konstrukcyjnych jest technika zgrzewania tarciowego z przemieszaniem FSW (ang. friction stir welding), której opracowanie w Wielkiej Brytanii w 1991 roku stanowiło istotny przełom w zakresie łączenia stopów aluminium.
„W technice FSW, realizacja połączenia możliwa jest dzięki ciepłu generowanemu przez tarcie specjalnego narzędzia o materiał. Wynikiem tych działań jest lokalne doprowadzenie materiałów do stanu „ciastowatości” i ich przemieszanie. Ponieważ sam proces zachodzi w stanie stałym, łączony materiał nie ulega stopieniu, a jedynie uplastycznieniu. Eliminuje to szereg problemów, m.in. ryzyko pękania połączeń podczas krzepnięcia czy występowanie porów w złączu” – mówi dr inż. Robert Kosturek z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT.
Poza klasycznym wykorzystaniem techniki FSW do realizacji połączeń spójnościowych stopów aluminium, w ostatnich latach, coraz większą uwagę przykuwa możliwość wytwarzania połączeń bimetalicznych typu aluminium-stal. Jest to dość skomplikowany technologicznie wariant procesu FSW, w którym lokalnie uplastyczniany jest głównie element aluminiowy a stalowy jedynie w niewielkim stopniu.
Wspólną inicjatywą Instytutu Robotów i Konstrukcji Maszyn Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT oraz Wydziału Inżynierii Mechanicznej Politechniki Bydgoskiej, zostały podjęte badania nad wytwarzaniem bimetalicznych profili zamkniętych typu aluminium-stal. Uzyskiwane są one w wyniku zgrzewania techniką FSW ceowników aluminiowych z ceownikami stalowymi (rysunek 1).
„Realizacja takiego połączenia przy wykorzystaniu tradycyjnych procesów spawalniczych jest dość problematyczna z uwagi na znaczne różnice w temperaturach topnienia stali i aluminium oraz przez tworzenie się kruchych związków intermetalicznych, które w sposób znaczący redukują wytrzymałość rozpatrywanego połączenia spójnościowego” – wyjaśnia naukowiec.
Przykładowe elementy bimetaliczne uzyskane techniką FSW zostały przedstawione poniżej (rysunek 2).
Potencjalnym zastosowaniem tego rodzaju produktów może być produkcja pojazdów szynowych, gdzie zwiększenie udziału aluminium w konstrukcji kosztem stali pozwoli na zredukowanie masy pojazdu.
„Warto nadmienić, że technika FSW jest szeroko stosowana już dzisiaj w przemyśle motoryzacyjnym do wykonania połączeń elementów aluminiowych, przez firmy takie jak Mazda czy Audi. Mazda była zresztą pierwszą firmą, która opracowała technikę punktowego zgrzewania elementów stalowych i aluminiowych wykorzystując metodę FSW” – mówi dr Kosturek.
W ścisłej współpracy z WAT realizowane są na Politechnice Bydgoskiej dwa doktoraty koncentrujące się na badaniu właściwości mechanicznych wytwarzanych złączy bimetalicznych:
- „Analiza odporności na pękanie zgrzewanych tarciowo metodą FSW połączeń S355/AA6061”, doktorant: mgr inż. Wojciech Ziółkowski, promotor: prof. dr hab. inż. Dariusz Boroński, promotor pomocniczy: dr inż. Robert Kosturek,
- „Modelowanie trwałości zmęczeniowej stalowo-aluminiowych profili zgrzewanych tarciowo metodą FSW”, doktorant: mgr inż. Radosław Stachowiak, promotor 1: prof. dr hab. inż. Dariusz Boroński, promotor 2: prof. dr hab. inż. Lucjan Śnieżek.
„Współpraca pomiędzy jednostkami przyniosła już pierwsze plony w postaci opracowania oprzyrządowania do wykonywania próbek płaskich i profili zamkniętych oraz optymalizację parametrów procesu spajania. Część wyników badań została opublikowana w pracy „Mechanical properties and microstructure of dissimilar S355/AA6061-T6 FSW butt joints” – mówi dr inż. Robert Kosturek.
Publikacja dotyczy przede wszystkim wpływu parametrów procesu FSW na wytrzymałość uzyskanych połączeń. Otrzymane wyniki pozwolą na dobór optymalnego zestawu parametrów do dalszych badań. Docelowo, otrzymane połączenia będą badane pod kątem wytrzymałości zmęczeniowej i odporności na pękanie, co pozwoli na ocenę czy rozpatrywane wyroby bimetaliczne mogą stanowić elementy konstrukcji nośnych, poddawanych oddziaływaniu obciążeń zmiennych.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Materials” w artykule „Mechanical Properties and Microstructure of Dissimilar S355/AA6061-T6 FSW Butt Joints”. Współautorami artykułu są: dr inż. Robert Kosturek i prof. dr hab. inż. Lucjan Śnieżek z Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT oraz mgr inż. Wojciech Ziółkowski, prof. dr hab. inż. Dariusz Boroński, dr inż. Andrzej Skibicki i mgr inż. Radosław Stachowiak z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Politechniki Bydgoskiej.
Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma „Materials” (IF) to 3.4.
oprac. Marcin Wrzos
fot. Mariusz Maciejewski
