A lineáris dörzshegesztés technológiai paramétereinek megválasztása MEILINGER Ákos Mérnöktanár, Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszék, H-3515 Miskolc, Egyetemváros, 36-46- 565-111/1790, metakos@uni-miskolc.hu Bevezetés A lineáris dörzshegesztés (Friction Stir Welding) több mint 20 éve az egyik legdinamikusabban fejlődő területe a hegesztés tudományának. Természetesen a fejlődés során az alapelvek nem változtak, így a technológiai paraméterek is csak néhány eljárás változatban bővültek. Első ránézésre egyszerűnek tűnhet ezen paraméterek beállítása, de számtalan problémával találkozhatunk egy feladat megoldása során. Ez a cikk a technológiai paraméterek megválasztásáról szól, amit egy adott feladaton mutatok be. Jelen cikk a Hegesztéstechnika 2012/1 számában megjelent A lineáris dörzshegesztés alkalmazásai című cikk folytatása. 1. AZ ELJÁRÁS TECHNOLÓGIAI PARAMÉTEREI A lineáris dörzshegesztés elve alapján egy forgó szerszámot süllyesztünk bele az egyesítendő alapanyagok illesztési vonalába addig, amíg a szerszám váll része fel nem fekszik a lemez felületén, majd ott adott sebességgel mozgatjuk [1]. Ezáltal egyrészt súrlódási hő keletkezik, ami lágyítja az anyagot, másrészt egy tengelyirányú sajtolóerő lép fel, amint az az 1. ábrán is látható. 1. ábra A lineáris dörzshegesztés elve Ez alapján elmondhatjuk, hogy a hegesztési folyamat során az alábbi paraméterek befolyásolják alapvetően a kötés tulajdonságait: - fordulatszám (n, 1/min), - előtolási- vagy hegesztési sebesség (v h, mm/min), - szerszám geometria: a szerszám váll kialakítás, a szerszám váll átmérője, a szerszám tű kialakítása, a szerszám tű átmérője, a szerszám tű hossza, a szerszám dőlési szöge, a hegesztési iránytól (α, ).
A szerszám geometria nem mondható tipikus technológiai paraméternek, de mégis illik a fenti felsorolásba, mert jelentős hatása van a hőbevitelre, a hegesztési sebességre, a fellépő dinamikus igénybevételre, a sajtoló erő nagyságára és az anyag áramlására hegesztés közben. Tehát szoros kölcsönhatásban van a fordulatszámmal és a hegesztési sebességgel illetve a sajtolóerővel is. A felsorolt paraméterek kismértékű változása is jelentősen befolyásolhatja az elkészült varrat minőségét. 2. A SZERSZÁM MÉRETEINEK ÉS HELYZETÉNEK HATÁSA A szerszám méreteinek és helyzetének jelentős hatása van a kötés sikerességére, és kevésbé fontosnak látszó paraméterek is elronthatják a varrat minőségét. A szerszám technológiai paramétereket meghatározó részei és a dőlésszöge a 2. ábrán látható. 2. ábra A szerszám technológiai paramétereket meghatározó részei és dőlésszöge D váll : a szerszám váll részének átmérője. Méretének alapvető hatása van a súrlódási hő mértékére, illetve a varrat szélességére. Számos speciális kialakítás létezik, melyek különböző módon befolyásolják a fentieken kívül az anyagáramlást és a deformáció mértékét is. D tű : a szerszám tű részének kezdeti átmérője. Szintén befolyásolja a keletkezett súrlódási hő mértékét, illetve hatással van a sajtolóerő nagyságára is. Megválasztásánál nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a hegesztés során fellépő erőhatások a tű kihajlását, illetve törését okozhatják.. d tű : a szerszám tű végének átmérője. Hatással van a varrat gyökoldalán keletkező súrlódási hőre, ami nagyobb hegesztési sebesség esetén jelent igazán gondot. Szintén a sajtolóerő nagyságára van hatással ez a méret. Számos kialakítása lehetséges, melyek befolyásolják a szerszámkopást, a hőbevitelt és az anyag deformációt. l tű : a szerszám tű részének hossza. Az eljárás nagyon érzékeny erre az értékre. Fontos alapelv, hogy a tű hossza kisebb legyen, mint az alapanyag vastagsága, ezzel elkerülve a kellemetlen erőhatásokat hegesztés során, amelyek ellehetetlenítik a kötés elkészítését. Természetesen az se mindegy, hogy mennyivel rövidebb a tű hossza a falvastagságnál. A 3. ábra egy olyan kötés gyök oldalát szemlélteti, ahol még túl nagy volt a tű hossza a falvastagsághoz képest [2].
3. ábra A túl hosszú tű hatása A képen jól látható, hogy a gyökoldalon tépődés következett be a tű hossza miatt, így a kötés minősége nem elfogadható. Szintén probléma lehet, ha a tű hosszát túl rövidre tervezzük, így a 4. ábrán látható gyökoldal keletkezik. 4. ábra A túl rövid tű hatása A tű rövidsége miatt nem sikerült teljes falvastagságban létrehozni a kötést, ezért szintén nem elfogadható a kötés minősége. A tű hosszának helyes megválasztásával az 5. ábrán lévő gyökoldalt kell kapnunk (ebben az esetben a tű hossza 0,3 mm-el volt rövidebb a falvastagságnál). 5. ábra A gyök oldal megfelelő tű hosszal További problémát okozhat, ha a tű hossza, vagy az alapanyag rossz megfogása miatt nem tud felfeküdni tökéletesen a szerszám váll az alapanyag felületére. Ilyenkor nem keletkezik elegendő súrlódási hő, így kötéshibával kell számolni a varratban. Erre mutat példát a korona oldalon a 6. ábra:
6. ábra A váll elégtelen felfekvésének következménye Másrészről az is gondot okozhat, ha a szerszámot túl mélyre süllyesztjük be az illesztési vonalba. Ekkor a korona oldali részből a szerszám kihordja az anyagot a kötés vonalából. Mechanikai tulajdonságokat szem előtt tartva ez nem durva hiba, de esztétikailag elfogadhatatlan, illetve utómunkálatot igényel az eltávolítása. Ilyenre láthatunk példát a 7. ábrán: 7. ábra A szerszám túl mélyre süllyesztésének következménye Ha a szerszám váll megfelelően fekszik fel az alapanyag felületére, akkor a 8. ábrán lévő koronaoldalt kell látnunk. 8. ábra A szerszám megfelelő felfekvésének eredménye α: a szerszám dőlésszöge. Alapvetően befolyásolja a sajtolóerő nagyságát, minél nagyobb a dőlésszög, annál nagyobb a sajtoló erő, így annál nagyobb a hőbevitel is. Ezért a szerszám döntésével csökkenthetjük a fordulatszámot, a hőbevitel mégis elegendő lesz. Hátránya viszont, hogy a varrat
szélesebb, a falvastagság csökken, illetve nagyobb a szerszám kopása. A 9. ábrán egy 1º-al megdöntött szerszámmal készült varrat makroszkópos vizsgálati képe látható. 9. ábra A szerszám döntésének hatása 3. A FORDULATSZÁM ÉS A HEGESZTÉSI SEBESSÉG HATÁSA Ha sikerült kiválasztani a megfelelő geometriájú és helyzetű szerszámot, akkor a jó minőségű kötés eléréséhez a fordulatszám és a hegesztési sebesség viszonyának helyes megválasztása szükséges. Ennek bemutatására 6 mm falvastagságú Al99,5 anyagminőségű lemezeket tompán hegesztettünk össze egy oldalról. A cél a helyes fordulatszám és hegesztési sebesség kombináció elérése volt. A kísérleteket végeselemes programmal is modelleztük és elkészítettük a kötéseket az adott technológiai paraméterekkel, amelyen makroszkópos vizsgálatot végeztünk. Ha a fordulatszámot túl kicsire választjuk (n = 500 ford/perc), és a hegesztési sebesség nagy (v h = 125 mm/perc), akkor túl kicsi a hőbevitel, így a kötés minősége elfogadhatatlan lesz, kötéshiba keletkezik. A 10. ábrán látható a végeselemes számítással készült szimuláció, ami szerint 331 C (604 K) hőmérsékletre hevül fel a munkadarab. 10. ábra Túl kicsi hőbevitel (n = 500 ford/perc, v h = 125 mm/perc) Az így készült kötés makroszkópos vizsgálati felvételét a 11. ábra mutatja, ahol jól látható a kötéshiba.
11. ábra Kötéshiba a kis hőbevitel miatt Ha túl nagy a fordulatszám (n = 800 ford/perc) és túl kicsi a hegesztési sebesség (v h = 63 mm/perc), akkor túl nagy hőbevitel az eredmény, így szemcsedurvulás következhet be, ami szintén rontja a varrat minőségét. Az 12. ábrán látható egy ilyen eset végeselemes szimulációja, ahol a munkadarab 610 C (883 K) hőmérsékletre hevül fel [3]. 12. ábra Túl nagy hőbevitel (n = 800 ford/perc, v h = 63 mm/perc) A 13. ábrán pedig láthatjuk az így készült kötés makroszkópos vizsgálati felvételét. A képen jól látható, hogy a gyökoldalon jelentős szemcsedurvulás lépett fel. A kis hegesztési sebesség miatt túl sok hő adódott át hőtorlódás okán az acélból készült alátétlemeznek, amely jóval rosszabb hővezető, mint az alumínium, ezért látható elsősorban a gyökoldalon a szemcsedurvulás.
13. ábra Szemcsedurvulás a nagy hőbevitel miatt Az adott munkadarabnál a legjobb eredményt adó beállítási értékekkel (n = 1000 ford/perc, v h = 250 mm/perc) készített kötés szimulációja a 14. ábrán látható. A munkadarab maximális hőmérséklete 495 C (768 K) és így nem lép fel szemcsedurvulás és kötéshiba. A hegesztési sebesség eléggé nagy ahhoz, hogy az alátétlemez ne hevüljön túl, így elkerülhető a gyök oldali szemcsedurvulás, viszont elég nagy a hőbevitel ahhoz, hogy kötéshiba ne lépjen fel [3]. 14. ábra Megfelelő hőbevitel (n = 1000 ford/perc, v h = 250 mm/perc) Az így készült varrat makroszkópos vizsgálati felvételét a 15. ábra mutatja.
15. ábra Jó minőségű varrat Amint az utóbbi ábrákon is látható, jó minőségű kötést lehet létrehozni viszonylag nagy sebességgel [3]. 4. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK Az utóbbi paraméter kombinációval készült varratot roncsolásos vizsgálatoknak vetettük alá, úgymint szakító-, hajlító- és keménységvizsgálatnak. A szakítóvizsgálat eredményét a 16. ábra mutatja: 16. ábra Az alapanyag és a hegesztett kötés szakító diagramja Az ábrán látható, hogy a kötés szakítószilárdsága alig különbözik az alapanyagétól, jelen esetben az alapanyag szakítószilárdsága 90 MPa, míg a kötésé 87 MPa. A keménységmérést a gyök- és koronaoldalon is elvégeztük, melynek eredményét a 17. ábra mutatja.
17. ábra A korona- és a gyökoldal keménysége A diagramon jól látszik, hogy a keménységértékek kis intervallumban mozognak, ellentétben az ömlesztő hegesztő eljárásokkal készült kötések keménységével. A kötésen hajlítóvizsgálatot is végeztünk 3 korona és 3 gyökoldali próbával, melyek eredménye szintén megfelelt. ÖSSZEFOGLALÁS Az ismertetett kutató munka során elvégzett kísérletekből jól látható, hogy a technológiai paraméterek helytelen megválasztása jelentősen ronthatja a kötés minőségét, így kellő átgondolást igényel a hegesztés megkezdése előtt. Továbbá nem szabad elfelejteni azt, hogy minden feladathoz más-más paraméter szükséges, ami ráadásul függ a szerszám kialakításától is. A fejlesztés a hegesztési sebesség növelésének irányába mutat, amely további kihívásokat támaszt a kutatók számára. Köszönetnyilvánítás Az cikkben ismertetett kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Külön köszönetet szeretnék mondani a Bay Zoltán Közhasznú Nonprofit Kft. BAY-LOGI Intézetének a végeselemes szimulációs szoftver használatáért. Irodalom [1] J. H. Record, J. L. Covington, T. W. Nelson, C. D. Sorensen, B. W. Webb: A Look at the Statistical Identification of Critical Process Parameters in Friction Stir Welding. Welding Journal (2007 april), p.: 97-98 [2] Akos Meilinger, Imre Török: Characteristics of tools of friction stir welding, 13th International Conference on Tools (2012), pp. 3-5 [3] Akos Meilinger, Imre Török: Application and development opportunities of friction stir welding, XXVI. microcad International Scientific Conference (2012), pp. 5-6