LINEÁRIS DÖRZSHEGESZTŐ SZERSZÁM TERVEZÉSE

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET LINEÁRIS DÖRZSHEGESZTŐ SZERSZÁM TERVEZÉSE Gombár Gergő HC1R7N 3528 Miskolc Berzsenyi Dániel utca 117.

2 EREDETISÉGI NYILATKOZAT Alulírott Gombár Gergő; Neptun-kód: HC1R7N, a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős Hegesztéstechnológia szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy Lineáris Dörzshegesztő Szerszám Tervezése című diplomamunkám saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat/diplomamunka esetén plágiumnak számít: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más szerző publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén szakdolgozatom/diplomamunkám visszautasításra kerül. Miskolc, 2014. 12.10... Hallgató

3 TARTALOMJEGYZÉK TARTALOMJEGYZÉK... 3 BEVEZETÉS... 5 1. A LINEÁRIS DÖRZSHEGESZTÉS BEMUTATÁSA ÉS A JELLEMZŐ SZERSZÁMGEOMETRIÁK... 7 1.1. AZ ELJÁRÁS ISMERTETÉSE... 7 A lineáris dörzshegesztés elve... 7 A kötésben lejátszódó folyamatok... 9 Kötés felépítése... 12 Kötéskialakítások... 14 Hegesztendő anyagok befogása, berendezések típusai... 15 Alkalmazási terület... 17 Hegesztési paraméterek... 23 Az eljárás lehetőségei... 25 1.2. SZERSZÁM GEOMETRIÁK ÉS HATÁSAIK... 28 Bevezetés... 28 Szerszám anyagok... 28 Gyakorlatban használt szerszám anyagok... 31 Szerszám részei és jellemző tulajdonságaik... 33 Egyedi szerszám típusok... 42 2. AZ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEK ÉS HEGESZTÉSÜK ISMERTETÉSE... 45 2.1. A SZÍNALUMÍNIUM ÉS AZ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEK ISMERTETÉSE... 45 A színalumínium... 45 Alumíniumötvözetek... 46 Elért tulajdonság szerinti csoportosításuk... 52 2.2. NAGYSZILÁRDSÁGÚ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEK ÉS MECHANIKAI JELLEMZŐIK... 54 A 2xxx jelű Al-Cu ötvözetek... 54 Az 5xxx jelű Al-Mg ötvözetek... 56 A 6xxx jelű Al-Mg-Si ötvözetek... 57 A 7xxx jelű Al-Zn ötvözetek... 58

4 2.3. HEGESZTÉS SORÁN ELŐFORDULÓ PROBLÉMÁK ÉS AZOK MEGOLDÁSI LEHETŐSÉGEI... 60 Oxidhártya... 61 Porozitási hajlam... 63 Repedés érzékenység... 65 Hőhatás övezet sajátosságai... 68 3. SZERSZÁMGEOMETRIÁK TECHNOLÓGIAI PARAMÉTEREINEK OPTIMALIZÁLÁSA... 69 3.1. SAJÁT SZERSZÁM TERVEZÉSE... 69 Tervezés célja... 69 Hegesztés körülményei... 69 Hegesztendő alapanyag... 70 Szerszám tervezéseinek megfontolásai... 73 Tű tervezése... 74 3.2. A SZERSZÁM GEOMETRIÁK... 75 1-es szerszám... 76 2-es szerszám... 77 3.3. KÍSÉRLETEK KÜLÖNBÖZŐ PARAMÉTEREKKEL... 78 3.4. MEGVÁLASZTOTT PARAMÉTEREK... 80 4. A TERVEZETT SZERSZÁMMAL VALÓ KÍSÉRLETI HEGESZTÉS... 82 4.1. HEGESZTÉSI MUNKADARABOK ELKÉSZÍTÉSE... 82 4.2. HEGESZTÉSI KÖRÜLMÉNYEI... 83 4.3. A MINŐSÍTÉSHEZ SZÜKSÉGES ANYAGVIZSGÁLATI MÓDSZEREK... 84 Szemrevételezés... 85 Roncsolásos vizsgálatok... 86 4.4. KÖTÉSEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA... 91 ÖSSZEFOGLALÁS... 94 SUMMARY... 96 IRODALOMJEGYZÉK... 98

5 BEVEZETÉS A fejlődésünk alakulását erőteljesen befolyásolja az a jellemző, hogy mennyire vagyunk képesek alkalmazkodni a ránk ható körülményekhez. Napjainkban sincs ez másképpen, mind egyéni mind összetettebb nézőpontot vizsgálva. A változások fenntartásának elengedhetetlen része az új vagy régi alapokon álló, de megújuló ötletek fejlesztések eredménye, a megjelenő innovatív technológiák hatékony gyakorlati alkalmazása műszaki területeken. A megannyi hegesztő eljárás közül esetemben a sajtolóhegesztések ágába tartozó lineáris dörzshegesztés lehetőségeit, erősségeit, jellemzőit próbáltam feltárni, összegezni. Az elmúlt 20 évben jelentős előrehaladást könyvelhetünk el a lineáris dörzshegesztés alkalmazásaiban. Az eljárás egyre nagyobb teret kap az ipar különböző területein, a hozzá kapcsolódó fejlesztések a hegesztés tudomány dinamikusa fejlődő területét képezik. A lineáris dörzshegesztést az angliai The Welding Institute dolgozta ki, szabadalmaztatta és fejlesztette tovább. A kidolgozott új technológia, a hagyományos hegesztő eljárások hátrányai nélkül kíván nagyobb termelékenységet biztosítani. A lineáris dörzshegesztés hegesztőanyag, illetve védőgáz használata nélkül alkalmazható eljárás. Az elmúlt években a technológia gyakorlati alkalmazására különféle hegesztő szerszámokat sikerült kifejleszteni annak érdekében, hogy felhasználását széles körben kiterjeszthessék. Ennek eredményeképp a mai napig alacsony költségek mellett termelékenyen, nagy mennyiségű, nagy megbízhatóságú, minőségi varrat hozható létre lineáris dörzshegesztéssel, gyakorlatilag nulla hiba előfordulással. Lényegében definiálva egy teljes átolvadású szilárd fázisú eljárás, melyet fémlemezek egyesítéséhez használunk anélkül, hogy elérnék azok olvadási pontját. Az innováció legnagyobb felhasználói, természetesen a hagyományos hegesztési eljárásokat sem nélkülözve, a gépjármű ipar, ezen belül a főleg alumínium felhasználó felsőkategóriás autógyártás, a hajóépítés, az űrkutatás fejlesztés, repülőgép és élelmiszeripari gépgyártás. Ezeken a specializálódott területeken a lineáris dörzshegesztés hatékonyabb gyártási technológiát tesz lehetővé és a dolgozatban is megtalálható számos más előny is felsorolható alkalmazása mellett.

6 A dolgozat tartalmazza a technológia bemutatását, alkalmazásait, alapváltozatait. A különféle anyagok és ötvözeteknél elérhető eredményeket. A hegesztés paramétereit, és a különböző hegesztő szerszámok alkalmazásánál tapasztalható hatások összefoglalását. Azonban rávilágít arra is, hogy a már jól bevált Al és Mg ötvözetek hegesztése mellett még nem áll rendelkezésünkre olyan szerszám, ami gazdaságosan és hatékonyan képes kezelni a nagyszilárdságú anyagok hegesztésénél fellépő nehézségeket. Ennek érdekében további erőfeszítéseket kell tenni. Többek között a szerszámanyag összetételek, geometriai kialakítások, hegesztési paraméterek megválasztásának tökéletesítésében. Ezek kombinációjának nagy száma mutatja azt, hogy az eljárás lehetőségei még korántsem kiaknázottak. A jövőt illetően a technológiai fejlesztések nem állnak meg, a sajtolóhegesztések ágába, a lineáris dörzshegesztés előnyeinek erősítésével a hátrányok csökkentésével, a piacvezető felhasználók jelentős kereskedelmi előnyhöz juthatnak elkövetkezendő években. A technológiához nélkülözhetetlen a szerszámok folyamatos fejlesztése, a robotizált lineáris dörzshegesztő rendszerek, gépek palettájának további bővítése. A komplex 3D-s varratok megjelenésével szélesebb területeket is meghódíthat az ipari felhasználások körében.

7 1. A LINEÁRIS DÖRZSHEGESZTÉS BEMUTATÁSA ÉS A JELLEMZŐ SZERSZÁMGEOMETRIÁK 1.1. Az eljárás ismertetése Az eljárást (Friction stir welding FSW) 1991-ben Angliában fejlesztette ki a The Welding Insitute. A világ legelső független kutatási és fejlesztési szervezete, amelynek fő munkaterülete a hegesztés során felmerülő feladatok megoldása. A fejlesztés célja egy olyan szilárd fázisú hegesztő eljárás létrehozása volt, amely alkalmas olyan anyagoknál kötés létrehozására, ahol ez a járatos eljárásokkal körülményes, illetve nagy költségek árán lehetséges csak.[1] Energia felhasználását és hatásfokát tekintve zöld technológiának mondható ez eleget tesz a jelenkor elvárásainak. Az eljárás töretlenül fejlődik feltalálása óta. Elterjedésének fő oka egyszerűségében rejlik. A többi eljáráshoz képest jelentősen csökkenthetjük költségeinket anélkül, hogy minőségbeli romlást jelentene ez termékeinkben. Hatékonysága igazolható mivel az ipar minden területén megtalálható. A notebookok alumínium házaitól kezdve az óceánjárókon keresztül az űrrepülők üzemanyagtartályaiban is használják. Az eljárás fejlesztésére irányuló kutatások napjainkban is folytatódnak. A lineáris dörzshegesztés versenyképes tud lenni a hagyományos hegesztő eljárások között. Tehát az eljárás még sok lehetőséget rejt magában. A lineáris dörzshegesztés elve A szilárd fázisú kötés létrehozását a hegesztő szerszám végzi, amely legegyszerűbb esetben a vállból (shoulder) és ezen felületből kinyúló tűből áll (Pin). Ez a szerszámtest, amit a hegesztő berendezés készülékébe kell helyezni. A szerszám viszonylag kis mellék idővel cserélhető, így tervezet karbantartással a szerszám tönkremenetele időzíthető. A különböző anyagtípusok hegesztésekor a szerszám igény szerint megválasztható, ami azt jelenti, hogy egy hegesztő berendezés viszonylag nagy tartományt képes lefedni.

8 A hegesztési folyamatot az 1. ábra szemlélteti. Kezdetben az n [fordulat/min] fordulatszámmal forgatott szerszámot a tompa illesztésű lemezek felületéhez közelítjük. A közelítőleg nulla illesztési hézaggal ellátott alapanyagok a súrlódási hő 1. ábra: Lineáris dörzshegesztés sematikus vázlata [1] hatására lágyulnak. Ezt nevezhetjük az alapanyag előmelegítésének is mivel ezt követően a szerszám megindulása alacsonyabb feszültségi állapot elérésével történik. A tű már az alapanyagokat keveri, a váll pedig szorító erő alkalmazásával felfeküdt a lemezre. A szorító erő és a forgás hatására nyíró erő okozta súrlódás lép fel, amely felhevíti a váll, a tű és az anyag közötti részt. A súrlódás okozta hőmérséklet növekedés következtében a mechanikai tulajdonságok lecsökkennek, ennek hatására az alapanyag képlékeny tulajdonságokat mutat. A forgó tű összekeveri, és felfelé igyekszik tolni a lágy anyagrészt, de ennek kijutását a szerszám váll akadályozza. Tulajdonképpen a váll adja, a sajtoló erőt, amivel vissza nyomja az anyagokat a szerszám él mögé. Majd lehűlés következtében létrejön a szilárd kötés.[2] A szerszám haladásának megfelelően a folyamatok állandósulnak és kialakul az egybe függő varrat. A szerszám forgásának irányától függően a mechanikai tulajdonságok a varrat-keresztmetszetének két oldalán eltérőek lehetnek. Ezért a két oldalt megkülönböztetjük: előre oldal (advancing side) amely irányba a szerszám fordul,

9 vissza oldal (retreating side) ahol a lemezbe ütközik a szerszám. Jó közelítéssel a lineáris dörzshegesztés során az anyagban lezajló folyamatokat a melegalakítás során végbemenő folyamatokhoz hasonlíthatjuk. A meleg képlékeny alakváltozás során a kötés mikro szerkezetére nézve kedvező újrakristályosodás megy végbe. Az újrakristályosodás a varrat jó minőségű mechanika tulajdonságait eredményezi. A kötésben lejátszódó folyamatok Fém munkadarabok, alkatrészek gyártása során az iparban nagy gyakorisággal fordul elő a térfogat alakító technológiák alkalmazása. Az alakadás technológiájáról a rekrisztallizációs hőmérséklettől ( T ) függően beszélhetünk hideg- illetve melegalakításról. A továbbiakban a melegalakításról esik szó részletesebben. 2. ábra: Újrakristályosodás hatása [4] A lemezek gyártása esetén alkalmazott meleghengerlés olyan hőmérsékleten történik, ahol már az alakítás közben, dinamikusan újrakristályosodhat az ötvözet. A

10 hengerlés alatt a lemezben jelen lévő hő hatására, amely ha eléri a T -et, megújulás, csíraképződés és csíranövekedés, azaz az újrakristályosodás jöhet létre, végül hőntartás esetén az új szemcsék durvulása történik. [3] A 2. ábra a lezajló folyamatokat jól szemlélteti. Mivel a lineáris dörzshegesztés során a szerszám alakító hatására az alapanyagban létrejövő folyamatok jól azonosíthatóak a melegalakítással ezért a következő pontokban a melegalakítás tulajdonságait, jellemzőit és a folyamatot befolyásoló tényezőkről írok részletesebben. Melegalakítás Az anyagra jellemző újrakristályosítási hőmérséklet feletti hőmérsékleten végzett alakítás. Az újrakristályosodási hőmérséklet nem egy bizonyos hőmérséklet, hanem függ a fém olvadáspontjától ( =0, 4-0, 5 ). Jellemzői: Az alakítás során nincs felkeményedés, az újrakristályosodás folyamatosan lejátszódik. Az alakítás mértéke szinte korlátlan Kis erőkkel elvégezhető az alakítás, mert az anyag alakítási szilárdsága hőmérsékletnövekedés hatására jelentősen lecsökken. [5] Meleg térfogatalakító technológiák: Kovácsolás Meleghengerlés Varratnélküli csőgyártás Melegsajtolás [5] Az alakítás során lezajló folyamatok A hengerlés során az anyag folyamatosan egyre nagyobb alakítást kap, benne diszlokációk keletkeznek, azaz a tárolt energiája növekszik. Amikor a diszlokációsűrűség eléri azt az értéket, hogy az újrakristályosodás számot tevő mértékben végbe mehet (a kritikus alakításhoz tartozó diszlokációsűrűség) akkor a szerkezetben megjelennek az újrakristályosodás csírái. Ezek a csírák növekednek, miközben folyamatosan alakváltoznak a még nem újrakristályosodott térfogatrészekkel együtt. Ha a növekvő csírák is elegendő alakítást kaptak, akkor a növekedésük megáll, és bennük is elkezdődik az újrakristályosodás. A fentiek alapján

11 az alakítás következtében egy dinamikusan újra és újra induló folyamatosan történő újrakristályosodás megy végbe. [6] Ezek a folyamatok a szerszámgeometria által generált sajtoló erő és anyagáramlás következtében, megfelelő technológiai paraméterek mellett, felléphetnek és ezáltal a varrat vonalában a két keveredett alapanyagnál, finom szemcsés anyagszerkezet érhető el melynek mechanikai tulajdonságai felülmúlhatják a kötésben résztvevőkét. Az újrakristályosodás hatása a mechanikai jellemzőkre Az újrakristályosodás következtében azonnal lágyul a lemez, kevesebb szúrással, nagyobb mértékű alakítás alkalmazása valamint kisebb mértékű felkeményedés érhető el. Megemelt hőmérséklet jelenlét miatt számolni kell a hőtágulással ebből kifolyólag korlátozott az elérhető méretpontosság. A hőmérséklet hatására olyan reakciók indulhatnak el, amelyek miatt felületi minőséggel szemben támasztott követelmények esetleg nem teljesülnek. Melegalakítás után további megmunkáláson eshet át a darab, hordozva magában a korábban kialakult előnyös anyagszerkeztbeli tulajdonságokat. [3] Ötvözők hatása az újrakristályosodásra A tiszta alumínium nagy rétegződési hibaenergia-sűrűségének köszönhetően a diszlokációk mozgékonyak, a megújulás gyors folyamat. Gyorsabb, mint az újrakristályosodás. Ennek köszönhetően alakítás közben nem az említett dinamikus újrakristályosodás, hanem dinamikus megújulás megy végbe elsőként. 3. ábra: Dinamikus újrakristályosodás alakulása az alakváltozás és feszültség függvényében [7]

12 Ebben a fázisban a meleghengerlés után kapott mikroszerkezet alakított jelleget mutat. Azonban, ha az ötvözők mennyisége elkezd emelkedni, akkor a megújulás le lassul és az újrakristályosodás kerül előtérbe. Ebben az esetben újrakristályosodott szemcseszerkezetet kapunk a meleghengerlés után. [3] Az újrakristályosodás típusai lehetnek: Dinamikus (DRX) Metadinamikus (MDRX) Statikus (SRX) [7] Mivel fő anyagcsoportunk a megemelt szilárdságú alumíniumötvözetek, ezért a DRX (Dynamic recrystallization) elérése a célunk lineáris dörzshegesztés során. A későbbiekben arra törekszem a tervezési és optimalizálási szempontoknál, hogy a varratban ez a finomszemcsés állapot minden esetben bekövetkezzen, valamint termelékenység is fenntartható legyen. 4. ábra: A megújuló kristályszerkezet [5] a) Alakított; b) újrakristályosodott; c) durvaszemcsés Kötés felépítése Más kötő eljárásokhoz hasonlóan a varrat a hatásoknak megfelelően több mikroszerkezeti zónából épül fel. Az intenzív képlékeny alakítás és a megemelt hőmérséklet hatására három ilyen zónát különböztetünk meg. A varrat (nugget), a termomechanikusan alakított zóna (Thermomechanically Affected Zone, TMAZ) és a hőhatás övezet (Heat Affected Zone, HAZ). A varrattal jelölt rész ahol a tű halad ennek mérete valamivel nagyobb, mint a tű átmérő. Itt az alapanyagok intenzív képlékeny alakításon esnek át. A nagy hőmérséklet és nagy deformáció hatására, a lemezek anyagában dinamikus újrakristályosodás játszódik le, ami egyenletes eloszlású finomszemcsés anyagot garantál (nagyságrendileg néhány μ ). Ennek eloszlása eltérő az előre és a hátra oldal tartományaiban. A zóna alakjában változást érhetünk el a különböző paraméterek

13 5. ábra: Kötés felépítése alkalmazásával. A szerszám geometria, a hegesztés során kialakult hőmérséklet mértéke és az alapanyag hővezető képessége befolyásolni képes a kialakult kötés alakját. A termo-mechanikus övezetben (TMAZ) a hőmérséklet a varrattól kifelé haladva mérséklődik és alacsonyabb mértékű a képlékeny alakváltozás is. A két alapanyag 6. ábra: Termo-mechanikus zóna nagy szilárdságú aluminium ötvözetnél (7050Al) [10] ebben az övezetben nem keveredik. Habár az övezetre az alakítás hatására a nyújtott szemcsék jellemzőek az alacsony mértékű képlékeny alakváltozás miatt újrakristályosodás nem megy végbe. A diszlokációk, szubszemcsehatárok sűrűsége és a szemcse méret emiatt növekedést mutat. A tapasztalatok azt mutatják, hogy ennek az övezetnek a szélessége függ az alapanyag minőségétől. [9] A hőhatásövezetben képlékeny alakváltozás nincs, a hőmérséklet minimum 250 köré tehető. Szövetszerkezetbeli változás nincs, az az alapanyagéval megegyező, a varrat síkjából kifelé haladva már nincs nyoma alakítás okozta igénybevételnek. Nagy

14 szilárdságú anyagoknál (7050Al) a 250 feletti hőmérséklet hatással van a kiválások szerkezetére. A mikroszerkezet eldurvulhat, ami kedvezőtlen mechanikai tulajdonságú zónát eredményez [1] A maximális hőmérséklet a kötésben 400500 köré tehető. Ez jelentősen változhat a megválasztott technológiai paraméterektől, az anyagminőségtől, és a hegesztendő anyagok falvastagságtól.[1] Kötéskialakítások Lineáris dörzshegesztésnél a gyakorlatban használt legtöbb kötéskialakítás kivitelezhető. A termelékenység szempontjából a tompa és az átlapolt kötések a jellemzőek, de komolyabb készülékezéssel sarok varrat is készíthető. Ezek kombinálásával számos kialakítás előállítható, amik lehetővé teszik a változó 7. ábra: Lineáris dörzshegesztés során előforduló kötéskialakítások [13] falvastagságú lemezek kötését, illetve különböző (cső-lemez) konstrukciók létrehozását. [10] A 7. ábrán ezekre a kialakításokra láthatunk példákat. Ezek a képen látható jelölés szerint: Tompavarratos kötés (a), sarokvarrat tompakötéssel (b), T-kötés tompavarrattal (c), átlapolt kötés (d), többszörös átlapolt kötés (e), T-kötés (f), sarok varrat (g) [4], eltérő falvastagságok kötése sarokvarrattal (h), átlapolt kötés sarokvarrattal (i), cső-lemez kötése tompavarrattal (j).

15 A kötés kialakítások tervezésekor figyelembe kell venni az eljárás során fellépő erőhatásokat és a készülékezést, berendezést ennek megfelelően kell meghatározni. Bizonyos esetekben, egy jól megtervezett kötéskialakítással elérhetjük, hogy a fellépő erőhatások csak kis mértékben terheljék a berendezésünket. A hegesztési környezet nem igényel körülményes előkészítést, a felület zsírtalanítása elegendő. Abban az esetben, ha az alapanyag típusa megkívánja, illetve az előírt mechanikai tulajdonság csak így érhető el, akkor az oxidréteget a megfelelő felületkezelési eljárással el kell távolítani. Ellenkező esetben a szerszám tűje a varratba keverné az ártalmas oxidréteget a felületről. Átlapolt jellegű kötéseknél a két lemez közti felületen erre mindenképpen figyelni kell. [12] Hegesztendő anyagok befogása, berendezések típusai A kötés létrehozása során fellépő erők nagyobbak lehetnek, mint a gyártó, megmunkáló berendezéseknél. Az alapanyagok össze szorítása, rögzítése elengedhetetlen része az eljárásnak. A 8. ábrán a feladatomban szereplő 6 mm 8. ábra: Hegesztési környezet falvastagságú, alumínium lemezekhez alkalmazott megfogást láthatjuk. Ez egy alátét lemezből és a beépülő szorítókból áll. Ez kísérleti alkalmazáshoz tökéletesen megfelelő, de gyártási körülmények között ezt pneumatikus szorítókkal és robosztus berendezésekkel oldják meg. Mivel hegesztés közben a fellépő erők eltolni igyekeznek az egyesülő felületeket egymástól, emiatt rögzíteni kell őket. A sikeres varrat érdekében precízen kell illeszteni a lemezeket, úgy hogy a hegesztő tű össze tudja keverni a két anyagot és azok ne mozduljanak el. Az eljárásnál nem vagyunk képesek távolságokat áthidalni ezért a két lemez közti illesztési hézagot nulla értékre szükséges előírni. [12]

16 A konstrukciók kialakítása berendezéstől és gyártótól függően eltérhet, de minden esetben a létrehozni kívánt kötés típusától függ. Üreges szelvényeket megtámaszthatunk külön erre a célra kialakított támasztó bakokkal vagy támasztó lábakkal. Ezekre a kialakításokra láthatunk példát a 9. ábrán. [14] 9. ábra: Üreges szelvények megtámasztása (fent és jobboldalt) Tipikus lemez alátámasztás (baloldalt) [14] Ha módunk van rá, a befogást úgy rendezzük, hogy a varrat képzési helyéhez legközelebb helyezzük a leszorítókat, így csökkenthetjük a rögzítő szerkezet terhelését. Termelékenység növelése miatt a szerszámot hűteni szokták. Annak érdekében, hogy a kötés minősége ne romoljon a hegesztési sebesség növelése miatt, vizsgálatok irányulnak az alátétlemezben való vízhűtést alkalmazására. Ennek segítségével képesek lehetnek megóvni a gyököt a túlzott hőhatástól. [12] Az elérhető mozgás pálya szerint a berendezéseket három csoportba sorolhatjuk. Két és három tengelyes pálya vezérlésű berendezés Az első próbálkozásoknál két tengelyű berendezéseket használtak, amelyek a mai napi is a legelterjedtebbek. A függőleges irányban a szerszámmal megközelítjük a munkadarabot valamint sajtolóerőt hozunk létre. Ezt követően végig haladunk a két anyag illesztésénél a kötés síkjában és létrehozzuk a kötést. Sajtolt alumínium lemezekből nagyméretű panelek gyártására használják leginkább vasúti, hajó és űrtechnológiai gyártásban. A harmadik tengely lehetőséget ad a szélesség irányú mozgásokra. A kiegészítő tengelyirány javítja a berendezés alkalmazkodóképességét a különböző szélességben sajtolt lemezeknél, ha ez a tartomány kicsi is. Mozgása hasonló a maró gépekéhez így kivitelezhető az eddigitől eltérő hegesztési útvonal is, mint négyzet, kör és egyéb egyszerű kialakítás. [12]

17 Több tengelyes pálya vezérlésű berendezés A többtengelyű berendezések öt vagy annál több tengellyel rendelkeznek. Ez a mennyiség elegendő arra, hogy bármilyen pozíciót képes legyen a szerszám felvenni. Két főbb alkalmazása van az ilyen jellegű gépeknek. Az egyik lehet a nagyméretű mozgatórendszerrel szerelt FSW berendezés és a robot alkalmazása. Ezeket a szerkezeteket mutatja be a 10. ábra.[12] 10. ábra: Esab által fejlesztett lineáris dörzshegesztő gépek [11] Alkalmazási terület Alkalmazható anyagok Az lineáris dörzshegesztés fejlesztésére, több mint 20 év elteltével is sok időt és energiát fordítanak. A technológia paraméterei jelentősen függenek az olvadásponttól, alapanyagtól és annak falvastagságától. A különböző ötvözetekre jellemző értékeket Ötvözet csoportok Hőmérséklet tartomány Alumíniumötvözetek 440-550 Magnéziumötvözetek 250-350 Rézötvözetek 600-900 Karbon és gyenge ötvözésű acél 1100-1250 Titánötvözetek 700-950 1. táblázat: Alakíthatósági hőmérséklet tartományok a különböző ötvözeteknél[11]

18 találhatunk az 1. táblázatban. A kezdetekben az alumíniumötvözetek kötésére koncentráló eljárás napjainkra teret nyert más anyagok körében is. Számtalan tanulmány készült annak érdekében, hogy kiderítsék mégis milyen alapanyag és falvastagsági tartományokat képes lefedni az eljárás. Mivel a paraméterek megválaszthatósága igen nagy, ez a lista továbbra is bővül és részletesebbé válik a kutatások folyamán.[12] A következő pontokban röviden bemutatásra kerülnek az eddig, gyakorlatban kipróbált anyagok és jellemző viselkedésük hegesztés során. Alumínium Ahogy szó esett róla az eljárást szorgalmazó alapanyagcsoport az alumínium és ötvözeteik voltak. Ennek oka többek között, hogy a többi eljárással nehézségek árán vagy egyáltalán nem lehetet kivitelezni kötést a különböző ötvözet csoportoknál. Továbbá a mechanikai tulajdonságokban elért javulás, és a deformáció okozta eltérések csökkentése előtérbe helyezte alkalmazását. A hegesztési paraméterek változtatása és a varrat tulajdonságai között jelentős különbségek fellelhetőek az egyes anyagcsoportok között. Általánosságban elmondható, hogy azok az anyagok, amik gyártás során is könnyen alakíthatók, extrudálhatók azok hegesztése is aránylag 11. ábra: Alumíniumötvözetek hegeszthetősége[11] egyszerűbb. Ahol ez nem teljesül ott nagyobb erők fellépésére számíthatunk és csökkenek a paraméterek változtathatóságainak tartományai. A 11. ábrán az MSZ EN 573 szabvány szerinti jelöléssel láthatjuk az alumíniumötvözetek típusait, (nincs ötvöző, réz, magnézium, szilícium, magnézium, cink, egyéb) és azok hegeszthetőségi

19 tulajdonságait.[12] Ezen anyagcsoport ötvözeteivel a későbbiekben részletesen foglalkozom. Magnézium A magnézium ötvözetek az utóbbi időben a gépjárműiparban terjedtek el széles körben. Mivel a magnézium lemezek hengerlése, extrudálása és egyéb feldolgozása nehéz és drága ezért az alakzatok előállítása öntészeti technológiák alkalmazásával történik, így bonyolultabb, összetettebb formák érhetőek el. Az alumíniumnál kisebb sűrűségű, olvadáspontjuk közel megegyező viszont égési hőmérséklete alacsonyabb ezért az ömlesztő eljárásokkal való hegesztése kihívásokkal küszködik. Ebből a szempontból a lineáris dörzshegesztés képességei által kiemelten alkalmazható eljárás lehet ennél az anyagtípusnál. Az itt alkalmazott befogás terhelése általában megnövelt és a felületen képződött oxid réteget figyelembe kell venni. [12] Réz Széles körben elterjedt alapanyagról van szó. Jó hő és áram vezetőképessége, magas olvadás pontja (1100) és korrózióállóképessége miatt sok helyen alkalmazzák, mint hőcserélők, hűtőborda, csővezetékek és korrózióálló nyomástartó edények alapanyaga. Jó szívósságát lapközepes köbös szerkezetének köszönheti. Hideg alakítással vagy kiválásos keményítéssel keményíthető. Ezen tulajdonságai egyaránt azt is okozzák, hogy hegesztése során porozitás és melegrepedés okozta hibák merülhetnek fel. Lineáris dörzshegesztés alkalmazásánál is valamivel komolyabb a feladat, mint alumínium hegesztésénél, de a problémák elkerülhetők. Olcsóbb szerszámacél tű alkalmazható a lágy és kisebb szilárdságú anyag miatt. Viszont magas hőmérsékleten oxidjai problémát okozhatnak.[12] Bronz (réz különféle ötvözetei) Ipari alkalmazása a hajózási területen terjed. Nikkel, alumínium, bronz ötvözeteket hajócsavarok gyártásánál használnak, ahol tenger vízzel szembeni korrózió álló képességük kiemelkedő. A hajócsavarok öntészeti technológiával készülnek, de előfordulhat bennük porozitás, amely drága utómunkát és javításokat igényelnek. Ennek kiküszöbölésére a lineáris dörzshegesztés alkalmazásával az anyag tulajdonságaiban helyileg javulást voltak képesek elérni. A hegesztési tulajdonságok közel megegyezőek a réznél olvasottakkal, viszont a hegesztő szerszám teherviselő képessége a nikkel, alumínium ötvözés hatására lecsökken, így rövidebb élettartammal kell számolnunk.[12]

20 Titán Alkalmazása költséges, viszont nagy szilárdságú emellett jó korrózió állósággal és kis tömeggel rendelkezik. Olyan helyen alkalmazzák ahol a tömeg elsődleges szempont (űrtechnika, hadiipar). Ömlesztő hegesztéssel a kötések elkészíthetők, de technológiájuk körülményes mivel a titán kis hővezetés tényezője, magas olvadás pontja és a magas hőmérsékleten mutatott nagy reakció képessége nehézségeket okoz. Nincs ez másképpen lineáris dörzshegesztés során sem, ezért szükségszerű alacsonyabb fordulatszám, előtolás beállítása, a szorító erő jelentős növelés, a szerszám paramétereinek változtatása valamint védőgáz alkalmazása. A szerszámok és a paraméterek nagyszámú lehetőségei miatt az eljárás jól optimalizálható. [12] Acél Az acél ötvözetek az ipar minden területén megtalálhatóak. Hegesztésükhöz napjainkra kiforrott technológiák állnak rendelkezésre. Nagy olvadási hőmérséklet és szilárdság miatt, lineáris dörzshegesztés szerszámát úgy kell meg választani, hogy a megnövelt igénybevételeknek ellenálljon és az élettartama ne csökkenjen. Ezek a szerszám alapanyagok viszont drágák. Emiatt ezen a területen az eljárás csak akkor lehet nyereséges és hatékony, ha a tradicionális eljárások költségei alatt vagyunk képesek kötést létesíteni. Mivel a hozaganyagok valamint a deformáció okozta egyengetések költségei magasak lehetnek ezért az eljárás versenyképes lehet. Az első ilyen alkalmazás a vágó szerszámok fejlesztésénél történt. A mechanikai tulajdonságoktól függően itt is széles tartományban választhatóak meg a paraméterek. Jellemző az alacsony fordulatszám (<1000f/min), a kis előtolási sebesség (254 mm/min) és az alumíniumnál jóval nagyobb mértékű szorító erő. Tehát az eljárás hasznosítható rézötvözetek és magnéziumötvözetekre is valamint a tervek szerint titán, vas, nikkel és molibdén ötvözetekkel bővülhet a lista. A hagyományos eljárásokkal szemben, mint például VFI, SWI jóval kevesebb a hő bevitelre kerül, sor. Ez viszont a berendezésre nézve még mindig nagy hőmérsékletet jelent, aminek kezelhetőségére szilárdabb, összetettebb szerszámok szükségesek. A nagy hőmérséklet drasztikusan csökkenti a szerszámok élettartamát. [12] Eltérő alapanyagú kötések Egy kötés elkészítésének nehézségei elsősorban az alapanyag olvadáspontjától, a hővetezési tényező, reakcióképességétől függenek. [12] Eltérő alapanyagú kötések létesítése is lehetséges, mint például a következők: alumínium-magnézium, alumínium

21 és fémmátrixú kompozit, alumínium-acél, alumínium-réz, alumínium-acél is megvalósítható.[2] Ezen kötésekhez viszont alapvető feltételeknek kell teljesülniük. Mivel az eljárás során a kötéseket az anyag olvadáspontjának elérésével végezzük, ezért nagy hőmérséklet különbség esetén eltérések léphetnek fel. Ilyen esetben kötés kialakítással és a szerszám útjának megváltoztatásával lehet javítani a körülményeken. Emellett ezeket úgy kell meghatározni, hogy mindenképpen az alacsonyabb olvadáspontú alapanyagot védjük. A kötések tervezésénél szem előtt kell tartanunk, hogy a két anyag ötvözni fogja egymást. Alumínium és magnézium kötésénél elő fordultak ötvözés okozta káros hatások. A fázis diagram előzetes vizsgálatával kiküszöbölhetjük az ötvözés során kialakuló hibákat. Az eljárással lényegében tehát azok az anyagokat részesítjük előnyben, amelyeket egyéb eljárásokkal való hegesztés során akadályokba ütközünk. Azaz a lineáris dörzshegesztés képes termelékenyebb megoldást javasolni ezen a területen.[12] Alkalmazási területek Az eljárásnak széles körben sikerült elterjednie. Habár ez nem jelenti azt, hogy minden üzemben fellelhető lenne és leváltotta volna a járatos technológiákat. De ahol régóta problémát okozott bizonyos kötések létrehozása vagy jobb minőség elérése volt a cél, ott sikerült teret hódítania. A kezdetkebeli két mozgatási tengellyel rendelkező gépek mellett, ahol csak egyenes varratok kivitelezésére volt lehetőség, manapság a robotizált lineáris dörzshegesztő rendszerek (10. ábra) segítenek a komplex 3D-s varratok létrehozásában [15]. A leginkább elterjedtek a tompa és átlapolt kötések ahol a Twin-Stir, Skew-Stir, Reversal Stir Welding-(Re-stir), MX Triflute, Flared-Triflute és a lineáris dörzs ponthegesztés (Friction Stir Spot Welding) eljárás módosulatokkal értek el eredményeket a különböző kihívások során fellépő problémák megoldására. [2] Ezen eljárások szerszámait későbbi fejezetben mutatom be. Következőkben néhány példán keresztül szemléltetem a lineáris dörzshegesztés jelenleg elért sikereit, de biztosra vehető, hogy az elkövetkezendő években felhasználása tovább fog bővülni. Hajógyártás A lineáris dörzshegesztés első kereskedelmi alkalmazásánál 6xxx sorozatú alumíniumötvözeteket hajók könnyű szerkezetű paneljeik hegesztésére használták. Mivel hajóépítésnél célszerű könnyű anyagokkal dolgozni, így az alumínium

22 felépítmények választása megfelelő. Ezek sokszor tartalmaznak nagyméretű lemezeket, amelyek hegesztésekor más eljárásoknál deformáció volt tapasztalható. Ennek kiküszöbölésével és a hegesztési sebesség növelésével helyt tudott állni. Manapság óceánjárókban vagy nagyméretű hajókban találhatunk lineáris dörzshegesztett varratokat. Űrtechnológia Első komolyabb megpróbáltatása, a rakéták üzemanyag tartályainak hegesztésénél merült fel. A gyártó (Boeing) arról számolt be, hogy gyakorlatilag nulla hiba előfordulással és jelentős költségcsökkentéssel hagyta maga mögött az addig használt plazma ívhegesztést. Az űrállomás üzemanyagtartályánál is sikeresen vetették be és a mai napig repülőgép gyártók a szegecs kötéseiket, a lézer hegesztés mellett erre az eljárásra cserélték le. Vasút A nagy sebességű vasúti kocsik hosszú zárt szelvényeinek hegesztésére (25 m-nél nagyobb) ideális a kismértékű deformáció kialakulása miatt. Autógyártás A közúti járműveknél a hosszú egyenes varratok jelenléte elenyésző. A szükségletek kiterjedtek arra, hogy több dimenziós varratokat is létre tudjunk hozni. A jó minőségű és viszonylag olcsó eljárás kibővült a robotizált lineáris dörzshegesztő rendszerrel. Így összetettebb alvázak (alumínium-acél) és karosszéria elemek is hegeszthetőek. Érdekesség, hogy könnyű páncélozott járműveknél is használják ahol 25-40 mm vastagságú lemezeket egy lépésben képesek meghegeszteni. Napjainkban a lineáris dörzs ponthegesztés válik egyre hatékonyabb módszerré az alumínium lemezek kötésére. Termelésben a Mazda gyártósorain jelent meg. További felhasználások A technológia előfordulhat még offshore szerkezetek, élelmiszeripari berendezések, hídszerkezetek, villamosmotor, hadiipar és hűtőelemek gyártásánál. A 2. táblázatban egy-két példán keresztül szemléltetem a bizonyos területeken elért fejlesztéseket. [12]

23 Ipari terület Felhasználás Eddig alkalmazott Elektronika hűtőborda VFI Elektronika szekrény, burkolat VFI, ellenállás pont hegesztés FSW hatása nagy sűrűségű bordák, jobb hővezető képesség korrózióálló rétegre hegesztés, kisebb ktsg. Akkumulátor vezetékek forrasztás jobb minőség Hadiipar szállító raklapok VFI kisebb ktsg. Sajtolás eltérő profilok nem volt rá lehetőség egyéni kialakítás, nyomás csökkentése Hajógyártás tőkesúly, tartály szegecselés, VFI erős, kis deformáció Gépjárműgyártás Nyomástartó edények futómű, felfüggesztés szerelvények, hossz varratok VFI VFI Repülőgépgyártás szárny merevítők szegecselés 2. táblázat: FSW által elérhető fejlesztések[16] kis deformáció, kifáradási határ nő jobb minőség, kevesebb hiba, üzem idő nő jobb minőség, kisebb ktsg.(szegecs, furat) Hegesztési paraméterek Ömlesztő és sajtoló hegesztések technológiájának kidolgozásakor minden esetben elmondhatjuk azt, hogy a megfelelő tulajdonságú kötés létrehozásához optimális paraméterek megválasztása szükséges. A hegesztési paraméterek és a szerszám geometria jelentős hatással van az alapanyag áramlására és a fellépő maximális hőmérséklet alakulására. Az összetett anyagáramlás és a képlékeny alakváltozás kialakulásával a varrat mikro szerkezete, azaz minősége befolyásolható. [17] Az alapfeltételek teljesülésével, mint a szerszám és az alapanyagok közötti érintkezés fennállása, a hegesztési sebesség és szorító erő következtében a súrlódás hatására megemelkedett hőmérsékleten az anyag meglágyul és összekeveredik. Ennek eléréséhez a berendezésen a következő jellemzők állíthatóak: [13] szorító erő, Fordulatszám (fordulat/perc), előtolási vagy hegesztési sebesség (mm/perc),

24 szerszám befogás típusa (Szerszám hűtése, döntés szöge). Ezen felül a szerszám geometriájából adandóan további befolyásoló tényezők határozhatóak meg: a váll kialakítás, a váll átmérője, a tű kialakítása, a tű átmérője, a tű hossza, a tű falvastagsághoz képest milyen mélyen van. [8] A szerszám jellemzők pontos tervezésével is változást érhetünk el a hőbevitelnél, a hegesztési sebességnél, a fellépő dinamikus igénybevételnél, a sajtoló erő nagyságánál és az anyag áramlásánál hegesztés közben. [11] További tényezők is képesek lehetnek a hegesztést befolyásolni: a hegesztési hézag, a munkadarabok eltérő falvastagsága, a befogó szerkezet, a hegesztő berendezés merevsége [12] A különböző anyagtípusokhoz és falvastagságokhoz eltérő paraméterek szükségesek. A tényezők sokasága alapján elmondhatjuk, hogy ezek megválasztásának kombinációja igen nagyszámú. Emiatt az eljárás teljes körű kihasználhatósága még nem teljesen ismert. Alapanyagok Falvastagság [mm] Szerszám geometria Fordulatszám [1/min] Hegesztési sebesség [mm/min] Szemcseméret [µm] 7075Al-T651 6.35-300-1000 90-150 10 6061Al-T6 6.3 Hengeres 350; 400 102; 152 3,8;7,5 5083Al 6.35 2024Al 6.35 Menetes, henger alakú Menetes, henger alakú 400 25.4 6,0 200 300 25.4 2,0-3,9 2519Al-T87 25,4-275 101,6 2-12 3. táblázat: Anyagok és jellemző paraméterei [10]

25 A hegeszthetőség meghatározására a legjobban befolyásoló két paraméter arányát használják, ez a szerszám fordulatszáma a hegesztés sebességéhez mérten (ford./mm). Minél magasabb ez az érték annál nagyobb hőbevitellel kell számolunk. [8] A 3. táblázatban a különböző szilárdságú anyagokhoz alkalmazott jellegzetes paramétereket láthatjuk. Az eljárás lehetőségei A lineáris dörzshegesztéssel az alacsony olvadáspontú fémek és ötvözeteiknél képesek vagyunk nagy termelékenységet felmutatni a többi eljárással szemben. A leggyakrabban használt alapanyagok az alumíniumötvözetek, melyeknél a kötés kialakítása szerszámacélból készült viszonylag egyszerű kialakítású hegesztő szerszámmal megoldható. Már ezzel is képesek vagyunk megfelelő kötés és esztétikai minőséget elérni. A szerszám kialakítás tudatos megtervezésével a hatásfok javítható és a nagy szilárdságú ötvözetek is lefedhetők. [8] Az eljárás technológiájából adandóan a következő előnyök származnak: A nagyszilárdságú alumíniumötvözetek hegesztése nem igényel összetett hegesztés technológiai feladatot, mint az ömlesztő eljárások esetében. Ez lehetővé teszi a tervezők számára, hogy nagyobb mennyiségben alkalmazzanak nagy szilárdságú, de kis falvastagságú ötvözeteket, így a szerkezetben tömeg és költség csökkentés érhető el. Mint szilárdfázisú hegesztés alkalmazható minden alumínium ötvözethet anélkül, hogy veszélyt jelentene a meleg repedés és porozitás. Jobb mechanikai és korrózióval szembeni tulajdonságok érhetőek el. Minden pozícióban alkalmazható. A hegesztett szerkezetbe kisebb mértékű maradó feszültséget és deformációt viszünk be így az egyengetésre és feszültség mentesítésre szánt költségek csökkenek. A berendezésből adandóan a hegesztés autogén így nem alkalmazunk hozaganyagot, nincs védőgáz. A szerszám maga fogyóeszköz, de egy átlagos alumíniumötvözetek hegesztésére szánt szerszám több mint 1000 m varrat készítésre képes. Az eljárás él előkészítést nem igényel a követelmények kevésbé szigorúak az elő és utó kezeléseknél (megmunkálás, tisztítás). Kímélő hegesztési környezet. Gáz és füst mentes, ív nem bántja a szemet. A költségek tovább csökkenthetők mivel a berendezés működtetéséhez elegendő a hegesztőgép-kezelő minősítés (MSZ EN 1418), ami nem igényel

26 magas szintű jártasságot. Teljesen gépesíthető így a megfelelő varrat minőség reprodukálható. Energia igénye és a környezetre gyakorolt hatása a többi eljáráshoz képest alacsony, környezet barát technológiának mondható. Nagy hegesztési sebesség érhető el, termelékeny eljárás. [12] [11] Korlátai: A berendezés költsége magas és jelenleg a gyártók száma korlátozott. Gyártás során az eljárást szabadalom védi így ennek költségei is felmerülnek. A befogás mértéke függ az alapanyagtól, falvastagságtól, de jelentős szorítás minden esetben szükséges. A fellépő erők miatt a berendezés komoly rögzítést igényel emiatt a kivitelezés során számítani kell a szerkezet robosztus méretére. Alátámasztás szükséges Tűrésmező alacsony (két lemez távolsága közel 0 legyen) Szerszám kiemelése roncsolással járhat (be és kifutó lemez alkalmazása) [12] [11] Összességében az eljárás költségei minimálisak és optimalizált paraméterekkel a hegesztések utáni javítások száma is nullára csökkenthető. Viszont a berendezés beszerzési ára jóval magasabb, mint a többi eljárásé. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a termeléstől függően 1-2 éven belül képes nyereségessé válni a berendezés.[12] A 4. táblázatban számszerűsített példákat láthatunk lineáris dörzshegesztéssel valamint védőgázos fogyóelektródás ívhegesztéssel készült varratok időigényének összehasonlítására a különböző falvastagságú nagy szilárdságú alumíniumötvözetű lemezeknél (6082-T6). [8] [13]

27 AA 6082-T6 t = 5 mm t = 5 mm t = 10 mm t = 10 mm t=15 mm t = 15 mm Egyoldali hegesztés VFI FSW VFI FSW VFI FSW Leélezés V - 60º - - - V - 60º - Felület tisztítás (alkohol) Oldószeres mosás - 0,5 min/m - 0,5 min/m - 0,5 min/m 2 min/m - 2 min/m - 2 min/m Áramerősség 200 A - 200-250 A - Hegesztési sebesség 0,5 m/min 2 m/min 0,6/0,3 m/min 1,0 m/min Védőgáz Ar - Ar - Hozaganyag Köszörülés a sorok között Gyök köszörülése OK 18,16 Ø 1,2 mm - OK 18,16 Ø 1,2 mm - gyök 240 A töltő 260 A 0,46/0,14 m/min Ar 30%/He70% OK 18,16 Ø 1,6 mm - 0,50 m/min - - - - 8 min/m - - - - - 5 min/m - Sorok száma 1 1 1 1 1+1 1 Teljes idő/ egy méter hosszon 4 min 1 min 7 min 1,5 min 34 min 2-5 min - - 4. táblázat: VFI és FSW eljárások idő igénye a különböző falvastagságok esetén AA 6082-T6 anyagtípusnál [11]

28 1.2. Szerszám geometriák és hatásaik Bevezetés Az eddigi ismereteink alapján elmondhatjuk, hogy a lineáris dörzshegesztés során termomechanikus deformáció révén vagyunk képesek kötést létrehozni. A szerszám végig halad az alapanyagban és a fellépő deformáció és súrlódás következtében az alapanyag lágyul, szilárdsága folyamatosan csökken. Ezek az anyagáramlásból adódó erők és a szerszám sajtoló erejének hatása által, a tű elhaladtával kialakul a kötés. A körülmények elviselésére a szerszám megfelelő tervezése szükséges. [10] 12. ábra: Szerszám alaptest [2] A TWI legelső kísérletei során a 12. ábrán látható egyszerű kivitelezésű szerszám vázlatát láthatjuk. A szerszám meghatározó elemei a tű és a váll. Napjainkra ez az egyszerű felépítés teljesen átalakult az összetett tű geometriák, felületi kialakítások és különleges szerszám anyagok kombinációjává. Ezek ismertetése előtt, az általános szerszámok elsődleges tulajdonságait adó szerszám alapanyagokat szeretném bemutatni. Szerszám anyagok A lineárisdörzs hegesztés szerszám anyagainak megválasztásakor több szempontot is figyelembe kell vennünk. A kiválasztott anyag függ az alapanyagtól a kívánt szerszám élettartamtól és persze a felhasználó tapasztalataitól és elvárásaitól. Tehát az anyag fizikai jellemzői mellett, gyakorlati megfontolások is szükségesek a megfelelő anyag kiválasztásához. [1] A következőkben fontosabb jellemzők megválasztásának szempontjairól olvashatunk.

29 A hegesztési hőmérséklet hatása a szilárdságra A kiválasztott anyagtípusnak megfelelő nyomással szembeni ellenállással kell rendelkeznie, hogy az alapanyagba való behatoláskor fellépő igénybevételeket elviselje. Emellett a szilárdságát a hegesztés közben megemelkedett hőmérsékleten is képes legyen megtartani, ezáltal elkerülhető a szerszám deformációja vagy törése. Ennek a kritériumnak a meghatározása számítással bonyolult, ezért gyakorlati tapasztalatok alapján végzik. A szerszám anyagával szemben elvárás, hogy meg kell haladnia az alapanyagok szilárdságát a hegesztési hőmérsékleten is. [10] Hosszú varratoknál és nagy hegesztési sebességeknél figyelembe kell venni a kúszás és fáradás okozta tulajdonság romlást is. Azok a szerszám típusok, amelyek szilárdságát hőkezelés (kiválásos keményedés, alakítási keményedés, edzés) segítségével javították, alkalmazásuk maximális hőmérsékleti korláttal rendelkezik. A határérték felett a szerszám mechanikai tulajdonságai romlanak, amit az öregedés, a diszlokációk elhelyezkedése és a hegesztési hő okozta gyengébb fázisok keletkezése okozza. Az igénybevételek és a hőciklusok hatása révén a szerszám deformációja és törése is bekövetkezhet. [10] Kopással szembeni ellenálló képesség Ha a szerszám túlzott igénybevételnek van kitéve azon kopás jelentkezik, és ez befolyásolja a tű alakját. Az eltérő geometria növelheti az előforduló hibák valószínűségét és ezáltal a varrat minőségét is rontja. Kialakulhat abrazív, adhazív és kémiai reakció okozta kopás. A jelenség folyamatosan jelen van a használat során, de bizonyos jellemzők befolyásolhatják mértékét:[1] az érintkező felületek anyagminősége, a megválasztott szerszám geometriája, a hegesztési paraméterek. A kopás mértékét csökkenthetjük azáltal, hogy a szerszám alakját változtatjuk. Az így elért képlékeny anyagáramlás befolyásolásával a szerszám anyag fogyása mérsékelhető.[10] A lineárisdörzs hegesztés során használatos szerszámacél tökéletesen megfelel Al, Mg ötvözetek kötéséhez anélkül, hogy észrevehető kopás jelentkezne rajta több száz vagy ezer varrat után is. A magasabb olvadáspontú anyagokhoz, mint a Ti, Ni, acél, ez már nem alkalmas. Ezekhez az anyagokhoz keményfémeket, karbidokat és fémmátrixú

30 kompozitokat szoktak használni. Ezek kopásállóságukat 1000 C körül is megtartják.[1] A hegesztés során a szerszám bevonatolásával, illetve szerszám test hűtésével tovább növelhető az élettartam. További szerszámanyag jellemzők Reakcióképesség A szerszám anyagát úgy kell megválasztani, hogy annak alacsony reakció képessége legyen a munkadarabbal és a környezettel. Az ilyen jellegű kapcsolat minden esetben negatív hatásokat okoz a szerszám felületi tulajdonságaiban. Ilyen reakció képes anyagnál, mint például a titán, szükséges a védőgáz ellátó infrastruktúra kiépítése. [10] Törési szívósság A szerszám törési szívóságának értéke meghatározza azt, hogy miként fog viselkedni a szerszám az anyagba helyezéskor és az azt követő hegesztés során. Az ekkor fellépő feszültség és alakváltozás intenzitása a szerszám törését eredményezheti. Ez azért veszélyes mivel megelőző intézkedések (előfurat, lassú benyomódási sebesség, az alapanyag előmelegítése) mellett is bekövetkezhet. A szerszám befogásának az oldal irányú játéka is hasonló okok miatt veszélyes lehet ezért tervezéskor az alacsony törési szívóssági értékkel rendelkező anyagok (kerámiák) ezen tulajdonságait is figyelembe kell venni [10] Hőtágulási tényező A hőtágulási tényező csak abban az esetben tervezési szempont, ha a hegesztési technológia a szerszámszár és a kapcsolódó váll és tű részek eltérő anyagkiválasztását igényli. A tényezők közötti nagy különbség a részek közötti eltérő tágulást és zsugorodást eredményeznek, ezáltal a megnövekvő feszültség hatására törés következik be. A probléma megoldására a gyakorlatban úgynevezett hőmérséklet gát elhelyezésével csökkentik az intenzív hőátadás mértékét. A szerszám és az alapanyag közötti eltéréseknek nincs jellemző hatásuk. [10] Megmunkálhatóság A manapság használt szerszámok mindegyike rendelkezik valamilyen tű kiképzéssel. Ez általában esztergálással, szikraforgácsolással és egyéb megmunkálási eljárásokkal törtéhet. Használatosak nagy keménységű szerszámanyagok, ezek megmunkálhatósága korlátozott, ezt a tulajdonságot előrelátóan kell kezelni tervezéskor.[10]

31 Gyakorlatban használt szerszám anyagok Az előző pontokban taglalt tulajdonságok alapján az ideális szerszám anyagának a következő szempontokat kell teljesítenie: A szerszám a hegesztés hőmérsékletén is kellő szilárdsággal rendelkezzen, nagy szilárdság, alaktartósság és a megnövelt hőmérsékleten fellépő kúszással szembeni ellenállás, az ismétlődő hőciklusok okozta kifáradást megfelelően viselje, ne lépjen reakcióba az alapanyaggal, jó törési szívósság, a szerszám benyomás és a hegesztés folyamatában előforduló sérülések elviselésére, alacsony hőtágulási együttható a váll és a tű között, hogy a fellépő hőfeszültség ne okozzon törést, a megmunkálás során maradó feszültségek ne maradjanak a váll és a tű kiképzése miatt, mivel a szerszám fogyó eszköz ezért ne legyen drága, legyen újrahasznosítható, A feltételek kielégítéséhez a hegeszteni kívánt alapanyagot is ismerni kell. Ezek alapján a gyakorlatban a következő anyagok elterjedésére vált meghatározóvá valamint ezekre példát az 5. táblázatban láthatunk. Ötvözetek Falvastagság [mm] Szerszám anyag Alumíniumötvözetek <12 Szerszámacél,WC-Co <26 MP159 Magnézium ötvözetek <6 Szerszámacél,WC Réz és ötvözetei <50 <11 Nikkelötvözet, PCBN, volfrám ötvözetek Szerszámacél Titán ötvözetek <6 Volfrám ötvözetek Rozsdamentes acél <6 PCBN, volfrám ötvözetek Gyengén ötvözött acél <10 WC,PCBN Nikkel ötvözetek <6 PCBN 5. táblázat: Jelenleg használatos szerszámanyagok [10]

32 A szerszámacélok a legszélesebb körben elterjedtek. Ez annak tudható be, hogy az eljárás az alumíniumötvözetek hegesztéséhez lett fejlesztve, amihez elegendő a szerszámacélok tulajdonságai. Előnye emellett, hogy könnyen beszerezhető, megmunkálható, olcsó és a legjobban ismert anyagok közé tartozik. A nikkel és kobalt bázisú speciális ötvözeteket olyan helyen alkalmazzák ahol a nagyszilárdságot, nyúlást, tartósságot és korrózióállóságot várnak el a szerszámtól. Ezeknek a nagyszilárdságú ötvözeteknek a megmunkálása viszont komoly technikai kihívással jár. A hőálló fémeket, mint a molibdént, nióbiumot és tantált akkor alkalmazzák, ha a szerszámnak különlegesen nagy hőmérsékleten kell dolgoznia. Ezek szilárdságukat a megemelt hőmérsékletű tartományban is képesek tartani. Az elérhető maximális hőmérséklet, amit még képes tartósan elviselni 1000-1500 C. [10] Előállításuk igen költséges mivel csak porgyártás során hozhatunk létre ilyen anyagokat. Az alkatrész gyártásnál már jól bevált keményfém megmunkáló szerszámok anyagai ennél az eljárásnál is hatékonyak. A hegesztési hőmérsékleten elérhető jó kopásállóság, és a töréssel szembeni ellenállás ideális tulajdonságok a szerszám élettartamának növelése szempontjából A kerámiával erősített fémmátrixú kompozitok használata is felmerült, mint lehetséges szerszám anyag. Hátránya, hogy a kerámia jellegéből adódóan szerszám a hegesztendő anyagba való benyomódásakor ridegen eltörhet. A polikristályos köbös bór-nitridet (PCBN) napjainkban forgácsoláshoz és szerszámacélok, öntöttvasak valamint speciális ötvözetek megmunkálásához hasznosítják. Ideális szerszám anyagnak mondhatnánk mivel a hő és a mechanikai igénybevételeknek ellenáll. Előállítási költségei magasak emellett ellene szól, a rossz megmunkálhatósági tulajdonság és az alacsony törési szívósság. Mivel a lineáris dörzshegesztő szerszám kialakítása fontos szerepet játszik az anyagok összekeverésében így a köbös bór-nitrid alkalmazása korlátozott.[1] [10] 13. ábra: Köbös bór-mitrid elérhető tű kialakítások [1]

33 A 6. táblázatban az ipari gyakorlat során felmerült tapasztalatok láthatóak. Szerszámanyagok Előnyök Korlátok Megjegyzések Szerszámacél Könnyű alakíthatóság, olcsó, nagy hőmérsékleten is kellő szilárdság kopás nagy mennyiségű hegesztés után Bevonattal növelhető az élettartam Kopás álló Ni/Co alapú ötvözetek Hőálló fémek Karbidok, fém mátrixú kompozitok PCBN Nagy szilárdság, alakíthatóság, fáradás és korrózió állóság Kiváló kopásállóság, magas olvadáspont Magas hőmérsékleten jó törési szívósság A második legkeményebb anyag, kémiailag stabil, kiváló kopásállóság magas hőmérsékleten Nehezen megmunkálható Drága, nehezen megmunkálható, túlzott szerszámkopás miatt csökkenő szilárdság Cu ötvözetekhez nem alkalmas Lemezvastagság (<12 mm), drága, összetett formát nehéz kialakítani 6. táblázat: Szerszám anyagok és tulajdonságaik [1] Szerszám részei és jellemző tulajdonságaik Főleg Al, Cu ötvözetek és Al- MMC Főleg magas olvadáspontú anyagokhoz, mint C, Ti, Niötvözetek és acélok Főleg Al, Mg és Ti ötvözetek, acél Nagyszilárdságú és kopás álló anyagok. Pl.: Cu, Ti, és Niötvözetek, acél és Al-MMC A váll és a tű részeknek eltérő rendeltetésük van így nem szokatlan a különböző alapanyagból kialakított szerszám sem. Ennek megállapításakor és a szerszám geometria tervezésekor a következő tényezőket kell figyelembe vennünk: munkadarab és szerszám anyaga, a kötés típusa, berendezés paraméterei és az eddigi tapasztalatok. Ezek függvényében és az igényekhez mérten folyamatos az új megoldások kutatása, amik segítségével tovább javulhatnak az eljárás sajátosságai. [10] Az elterjedt geometriák ismertetése előtt, a lineáris dörzshegesztés során előforduló jellemző hibák bemutatására szánok egy kis időt, hogy a későbbiekben ennek tudatában választhassunk a kialakítások közül.

34 Jellemző varrat hibák Három gyakran előforduló hiba ismeretes, az üregek, a maradó illesztési vonal, oxidok és a rossz átolvadásból adódó gyök hibák. A (szívódási) üregek roncsolás mentes eljárással könnyen a másik kettő mértékétől függően nehézségeket okozhat a hibakimutatás során. A számtalan befolyásoló tényezőt figyelembe véve a hegesztési paramétereket és a szerszám geometriáját úgy kell megtervezni, hogy ezek a hibák kiküszöbölhetőek legyenek. Üregek Az előre oldalon (advancing side) fordulnak elő leggyakrabban, ahol némely esetben a felszíni rétegekkel repedéssel csatlakozhatnak. Kialakulásáért a nem megfelelő sajtolóerő, a túl nagy hegesztési sebesség és az illesztési hézag nagysága okolható, mivel ezek a tű elhaladását követően az anyag gyors lehűlését eredményezik, mielőtt még az teljesen összekeveredne. A paramétereket úgy kell megválasztanunk, hogy az elhaladó tű képes legyen össze keverni és eloszlatni ezeket az üregeket. A váll méret növelésével nagyobb hőmérséklet és keveredés érhető el nagyobb sebesség mellett és természetesen törekedni kell a nulla hézag előírására.[10] 14. ábra: Kötések makrocsiszolati képén az üregek kimutathatóak [10] Maradó illesztési vonal és oxid rétegek Ez az eltérés a felületi oxidréteg és az illesztési hézagból adódó pórusoknak az anyagba való bekeveréséből adódik, ennek okozója lehet a nem megfelelő szerszám elhelyezés, a nagy hegesztési sebesség és a túlzott váll átmérő. Az oxidréteg általában nem okoz veszélyes hibát egyszerű felület tisztítási folyamatok beillesztésével elkerülhető. Azonban a teljes átolvadásra és az illesztési hézag minimalizására oda kell figyelni.[10]

35 15. ábra: Az illesztési vonal hatására módosult varrat (bal oldalt) és az ezáltal bevitt szenyeződések makroszkópikus képe (jobb oldalt) [10] Gyök hibák A gyök hibák kialakulásáért a lemezvastagság, a szerszámnak a felülethez viszonyított helyzetének rossz beállítása és nem megfelelő szerszámgeometria megválasztása tehető felelőssé. A geometria kiválasztása során elsőszámú feladat, hogy biztosak legyünk a szerszám, anyagba való benyúlása megfelelő. Ellenkező esetben a gyök oldalon repedések maradhatnak vissza, amelyek feszültséggyűjtő helyként viselkednek, majd tovább terjedve töréshez vezetnek. Az alátét lemezzel való érintkezés sem megengedett. [10] Ezen szempontok megtartása mellett tekintsük át a szerszámgeometriákat. 16. ábra: Az elégtelen átolvadásból képződő repedés (baloldalt) és ennek a repedésnek a mentén kialakult törés makroszkópikus képe

36 Vállkialakítások A szerszám forgásának hatására az alapanyagban képlékeny alakváltozás indul meg. Ez a forgás az anyagot felfelé irányuló mozgásra készteti. A szerszám vállat úgy kell kialakítani, hogy ennek ellenálljon és vissza sajtolja az áramló anyagokat a tű mögé. 17. ábra: Vállkialakítások [1] A 17. ábrán láthatóak a gyakorlatban használatos váll kialakítások. A külső és érintkező felületre láthatunk variációkat. A váll külső felülete általában henger alakú, ez a leginkább használatos gyakorlatban. Ha a hozzáférhetőség igényli, akkor a kúpos kialakítás is használatos. Általánosságban elmondható, hogy a váll külső kialakítása nem befolyásolja, a hegesztés minőségét mivel nem érintkezik közvetlenül az alapanyaggal. [1] Kísérletek során kimutatták, hogy egy tű nélküli szerszám, melynek érintkező felületét alakosra munkálták ki, már jelentősen képes befolyásolni a kívánt minőséget. A 17. ábra jobb szélén láthatóak a váll érintkező felületeinek kialakításai. A következőkben e felületek hatásaival és tulajdonságaival foglalkozok. Lapos Az érintkező felületek alakja A fő korlátja, hogy a lapos felületnek csak kisebb mértékű befolyásoltsága van a képlékeny anyag áramlására valamint jellemző az anyag kigyűrődése. Homorú Korlátozza az anyag kitorlódását a váll szélein. A homorú felület 610 -os szögben döntött. A szerszám benyomódásakor a tű által kiszorított anyag a homorú üregbe kerül. Ez az üregben lévő anyag a leszorítás miatt sajtoló erővel hat a szerszám mögött lévő alapanyagra. Ezt követően a haladó mozgás során új anyag kerül az

37 üregbe és ez kiszorítja a meglévő anyagot a tű mögé. A megfelelő hatásfok érdekében érdemes a szerszámot 13 -ban dönteni a hegesztés irányában. Erre azért van szükség, hogy fenntarthassuk az üreg anyagcserélő és sajtoló képességét. Ezzel a kialakítással nagyobb sajtoló és hidrosztatikus nyomást érhetünk el, ami kedvez az összekeveredésnek. Domború Vastag lemezeknél használhatatlan volt alkalmazása mivel a domború profil éppen hogy kiszorította az anyagot a tű síkjából. A fő előnye, hogy nem érzékeny a szerszám pozicionálásra. Kis eltérések esetén is képes a domború kiképzéssel érintkezni a munkadarab felületével. Így az eltérő lemez vastagságok nem okoznak gondot. Vékony lemezeknél használatos. Az érintkező felületek kialakítása Az érintkező felületek alakosra munkálásával növelhető a képlékeny alakítás és a sajtolás mértéke így az anyag összekeverődése jobb lesz, javul a varrat minősége. 18. ábra: Érintkező felületek kialakításai [1] Mindhárom típusú felületnél kialakíthatóak. Ezek a felületek a 18. ábra alapján lehetnek: sík, csigavonal, taréjos, recézett, barázdált,

koncentrikus körökkel ellátott. 38 A legelterjedtebb a csigavonalas, ami egy síkfelületből áll, amelyben egy spirál csatorna halad a szélétől a közepéig. Ez a csatorna segíti az anyag áramlást a tű irányába. A szerszám döntésének kiküszöbölésével egyszerűbb berendezés alkalmazása lehetséges. A homorú vállnál előfordul nagy sebességű hegesztésnél a szerszám emelkedése. Ez a csigavonal felület alkalmazásával csökkenthető továbbá kiküszöbölhető a homorú váll jellemző hibája, az alámetszés. A feszültségek mellet a csigavonal csatornáiban áramló anyag folyamatosan nyírja a munkadarab felületét, ezért jellemző a növelt deformáció és súrlódás okozta hőfejlődés a munkadarab felszínén. 19. ábra: Domború vállkialakítás, koncentrikus körökkel ellátot érintkező felület[10] Tűkialakítások Ideális esetben a tű úgy van, kialakítva, hogy az előtte illesztett felületeket képlékenyen alakítsa, majd összekeverje. A lineáris dörzshegesztés során a tűnek el kell viselnie a súrlódás és az anyagáramlás okozta hő fejlődést. A deformáció mértéke és az elérhető hegesztési sebesség függ a tű kialakításától. A tervezése során a tű három fontosabb részre osztható. Maga a tű formája, a tűvég kialakítás és a határfelület kidolgozottsága. A tűvég kialakítása A kezdetektől fogva két alaptípus terjed el a gyakorlatban. A síkfelület gyártási szempontból a legegyszerűbben kivitelezhető viszont hátránya, hogy benyomódáskor nagy kovácsoló erő lép fel. Ezzel szemben a domború formánál ezek a feszültségek mérséklődnek így csökken a szerszám kopása, ami élettartam növekedést von maga

39 után. Emellett előnye, hogy a tű középpontjától a szélek felé haladva a kerületi sebesség értéke növekszik. A középpontban ez az érték nulla itt súrlódás és a hő fejlődés sem mértékadó. A tű peremén a nagy kerületi sebesség miatt megnőtt súrlódás okozta hő növeli a keverődést. Varratgyöknél jó minőség érhető el. 20. ábra: A tű fenék kialakításai [10] A tű formája Az eddig elterjedt alakok döntően a kúpos és a hengeres. Utóbbit széles körben alkalmazzák 12 mm falvastagságig. A 12 mm-es méret korlát felett a hegesztési paraméterek változtatása szükséges (alacsony hegesztési sebesség, nagy fordulatszám), hogy a termelékenység fenntartható legyen. A 21. ábrán a két típusra láthatunk példát. Mivel az igény fennállt a vékonyabb lemezek hegesztésére, megnövelt hegesztési sebesség mellett ezért a kísérletek a kúpos kialakítás felé irányultak. A kúpos kialakítás miatt a keresztirányú terhelések kisebbek és a legnagyobb nyomaték is a vastagabb anyagrészeknél hat. [10] A kúpos kialakításnak köszönhetően nagyobb felületen érintkezik a tű az alapanyaggal. A megnövelt területen súrlódó anyagok nagyobb hő fejlődésre képesek, ez elősegíti az alapanyag melegképlékeny alakváltozását. Emellett az anyagáramlás intenzitásában növekedés tapasztalható, ami 21. ábra: Tű alak és határfelület kialakítások [1]

40 az anyagok keveredését segíti. A jótékony hatás mellett a nagy hőmérséklet és a keletkező nyomás jelentősen csökkentheti a szerszám élettartamát.[1] Tű palástfelületének kialakításai A tű felületének különböző módon történő megmunkálása hatással van az anyag áramlására a tű körül. Helyileg megnövelt képlékeny alakítás hatására az anyagok turbulens áramlás következtében jobb keveredést mutatnak. A már említett kúpos és hengeres formájú tűk lehetnek menettel, bordával és síklappal határoltak, ahogyan azt a. 22. ábra mutatja. A síklapok és bordák számától függően eltérő fenék felületek alakulhatnak ki. A befolyásoló képesség megismeréséhez kezdetben síkkal határolt tűket használtak nagyszilárdságú vagy erősen koptató hatású ötvözetek okozta élettartam csökkenés és a hegesztés során fellépő anyagáramlások megismeréséhez. Az észrevételek azt mutatták, hogy a geometriák változtatásával az anyagáramlásban különböző eredményeket értek el így a szerszám tervezésének szempontjai jelentősen megváltoztak. 22. ábra: Tű alak és határfelület kialakításai [1]

41 A hengeres vagy kúpos felületű tűnket síklapokkal határoljuk körül, akkor képesek vagyunk az anyag áramlását változtatni a tű körül. Ez annak köszönhető, hogy a síklapok lapátokként viselkedve turbulens áramlást hoznak létre a képlékenyen alakváltozó anyagban. Az anyag a résekbe jut, majd keveredik az új anyaggal így összekeveredve távozik. Ez hatékonyabb keverést idéz elő és itt is tapasztalható a nagyobb méretű érintkező felület okozta megemelt hőmérséklet hatásai. Menetes profilú tűk a legelterjedtebbek. Pontosabban a balmenetes típus, amit ha az óramutató járásával megegyező irányba forgatunk, elérhetjük, hogy az alapanyag többször is keveredjen a tű körül, mielőtt a szerszám mögé kerül. Ez a jelenség elősegíti az anyagok keverődését, csökkenti az üregek bezáródását és javítja az oxid bontást. A hengeres, menettel ellátott tűt gyakran használják tompán illesztett alumíniumötvözetek kötéséhez legfeljebb 12 mm lemezvastagságig. [1] Szerszámtest alaptípusok A lineáris dörzshegesztésnél háromfajta szerszám ismeretes. Ezeknek elvi vázlatát a 23. ábrán láthatjuk. A 24. ábrán pedig a gyakorlatban előforduló kialakításukat. Rögzített 23. ábra: Alaptípusok elvi ábrája [10] A váll és a tű egyetlen munkadarabból van kimunkálva. Ebben az esetben a hegesztésünk csak egyenletes falvastagságú lemezekre korlátozódik. Másrészt kopás vagy törés esetén az egész szerszám cseréje szükséges. Állítható A váll és a tű egymástól független, a tű kinyúlása állítható. Előforduló kopás vagy törés esetén elegendő a tű cseréje. A falvastagságok a hegesztések során változtathatók. Mind a fix és mind az állítható szerszám alátámasztást igényel.

42 Beálló Három részből áll, felsőváll, tű és alsó váll. A falvastagságok itt is változtathatóak a hegesztések során. A szerszám használatakor nem szükséges alátámasztást alkalmazni ez viszont megköveteli, hogy csakis merőleges helyzetben alkalmazható. Az előző két szerszám típusnál a szerszám dönthető oldal és hosszirányban is, amely paraméter a hegesztési kötést befolyásolhatja. 24. ábra: Szerszám alaptípusok a rögzített, állítható, beálló [10] Egyedi szerszám típusok MX Triflute, Whorl Az MX Triflute szerszámokat, a The Welding Insitute fejlesztette ki. Ezzel a típusú szerszám kialakítással alumínium ötvözetű lemezeket 50-60 mm lemezvastagságig tudnak hegeszteni. A jellemző kialakítások a 25. ábrán láthatóak 25. ábra: MX Triflute (jobb oldalt), Whorl (bal oldalt) szerszámok vázlata [1] A kialakításokkal összességében képesek vagyunk nagy hegesztési sebességet elérni, miközben jó varrat és felületi minőségeket tudunk tartani. Mind a Whorl és az MX Triflute tűket készíthetik síklapú és süllyesztett kialakítással, ami csökkenti a szerszám tömegét és nagyobb keverést biztosít.

43 Döntő paramétere a lineáris dörzshegesztés termelékenységének a keverés mértéke. A keverés mértékét a tű által kevert anyag tömegével (dinamikus) és maga a tű tömegével (statikus) definiálhatjuk. Ha növeljük a keverési sebességet azáltal az erőteljes anyag áramlásnak és keveredésnek jótékony hatásai lehetnek. Csökken a pórusosság és a felületi oxid rétegek nagyobb mértékben töredeznek fel és oszlanak el a varratban. Tehát ha növelni szeretnénk a dinamikus/statikus tömeg arányt akkor ezt megtehetjük úgy, hogy a tű kialakításában süllyesztéseket, bordákat vagy síklapokat alkalmazunk. 26. ábra: A-skew szerszám vázlat (a) oldalnézet (b) elölnézet (c) a keverési környezet a ferde tű által [1] A Whorl és MX Triflute technológiával az anyag kiszorítást 60-70%-kal képesek vagyunk csökkenteni. Emellett, tapasztalható: a hegesztés során fellépő erőhatások csökkenése, könnyebb anyagáramlás a képlékenyebb anyagokban, megkönnyíti a lefelé irányuló áramlást, növeli az érintkező felületet a tű és sajtolandó anyag között, a hőfejlődés is intenzívebb. Kísérletek beszámoltak arról, hogy 75 mm falvastagságú 6082-T6 típusú alumíniumötvözetű lemezeket sikeresen hegesztettek két oldalról, Worl típusú szerszámmal (38-38 mm beolvadási mélység). Szintén sikereket értek el mind a két szerszám alkalmazásánál 50 mm falvastagságig, egyoldali hegesztések kísérleteinél. [1] Flared-Triflute, A-skew A lemezek hegesztésénél nem csak tompa, de átlapolt kötéskialakítás is szükséges lehet. Az átlapolt kötéseknél az egyszerű szerszámok alkalmazása sokszor a felső

44 27. ábra: Flared-Triflute szerszám vázlat (a) egyszerű, (b) balra hornyozott (c) jobbra hornyozott [1] lemez túlzott elvékonyodásával járt. Ennek hatására a szerkezet hajlító igénybevétellel szembeni ellenállása lecsökkent: A probléma kiküszöbölésére a Flared-Triflute és A- skew szerszámok adnak megoldást, ezek a 26. és 27. ábra szemlélteti. A szerszám kialakításokkal elérhető: a tű körül, alatt áramló anyag intenzitása a kialakítás miatt megnövekszik így nagyobb az összekeverés mértéke, a tű szélesedő kialakítása miatt megnövelt varrat területe, az oxid réteg összetöredezése erőteljesebb, a ferde kiképezés miatt megfelelő mértékű sajtolóerő hat a gyökoldalon is, ami jobb minőséget garantál. Tehát a kialakítás főbb előnye, hogy elérhető a hegesztési sebesség kétszerese, az axiális erők mérséklődnek és szélesebb varrat érhető el. Mindkét szerszám típusnál lehet átlapolt és T kötéseket létrehozni. [1] Az eddig taglalt típusokat a 7. táblázat foglalja össze. Szerszám típus Átlagos Whorl MX Triflute Flared-Triflute A-skew Vázlat Tű kialakítás Lemezek helyzete Hengeres, menettel Kúpos, menettel Kúpos, menettel hornyokkal Kiszélesedő Hengeres, Ferde menettel Tompa Tompa Tompa Átlapolt Átlapolt 7. táblázat: Szerszám típusok [1]

45 2. AZ ALUMÍNIUMÖTVÖZETEK ÉS HEGESZTÉSÜK ISMERTETÉSE 2.1. A színalumínium és az alumíniumötvözetek ismertetése A színalumínium Az alumínium a könnyűfémek csoportjába tartozik, felhasználás szempontjából a legfontosabb könnyűfém. Az iparban felhasznált legtisztább alumínium az ún. négy kilences Al, amelynek Al tartalma 99,99%. A nagytisztaságú alumíniumnak az arany és az ezüst után a legjobb a villamos vezetőképessége viszont a vezetőképesség az ötvöző tartalom arányával, az ötvöző anyagától függően lineárisan vagy négyzetesen romlik. A tulajdonságok közül kiemelkedik a korrózióállósága, amelyet a felületen képződő, magas olvadáspontú, jól tapadó és kémiai hatásoknak jól ellenálló oxidhártya (Al2O3) indokol. A korrózióállóság egyes ötvözők hatására (Cu) romlik, mert a felületét érő elektrolit hatására helyi galvánelem alakul ki. Az alumínium felületen középpontos, köbös rendszerben kristályosodik, ezért képlékeny alakíthatósága jó, mivel több csúszásra alkalmas (nagy atomsűrűségű) kristálytani síkja van. Nyúlása közel 50%-kal nagyobb, mint a lágyacélé. Sűrűsége az acélokhoz képest kicsi. Alacsony az olvadáspontja (660 ), amely az öntészeti technológiáknál előnyös. Jó hővezető. Környezet barát fém mivel 100%-ig visszanyerhető. [20] Jellemző Mértékegység Al 99,5% Acél (kis C % tart.) Sűrűség [Kg/ 10 ] 2,7 7,8 Olvadáspont [] 660 1536 Forráspont [] 2520 2860 Átlagos fajhő [J/kg K] 900 456 Rejtett hő [KJ/ kg] 390 275 Hővezetési tényező [W/ m K] 238 78 Lineáris hő tágulási együttható [1/] 23,9 10 12 10 Villamos ellenállás [M/ Ω ] 26,7 101 Rugalmassági modulus [GPa] 70 210 8. táblázat: Az alumínium és az acél tulajdonságainak össze hasonlítása [21]

Alumíniumötvözetek 46 Az alumínium szilárdsága rendkívül alacsony. Folyáshatára, szakítószilárdsága és keménysége a lágyacélénak alig egynegyede, emiatt (valamint a magasabb ár miatt is) a szerkezeti anyagok között csak akkor lehet versenyképes, ha szilárdságát ötvözéssel javítjuk. Az alumínium fő ötvözőelemei a réz (Cu) a magnézium (Mg), a szilícium (Si), valamint a mangán (Mn) és a cink (Zn) és a nikkel (Ni). Az ötvözők növelik a színalumínium szilárdságát, de csökkentik az olvadás pontját, a hő és villamos vezetőképességét. [22] Hatásuk szerint az alumínium ötvözőket az alábbi fő csoportokba soroljuk: Szilárdságnövelő ötvözők: Cu, Mg, Si. Korrózióállóságot fokozó ötvözők: Mn, Sb. Szemcsefinomító ötvözők: Ti, Cr. Hőszilárdságot növelő ötvöző: Ni. Forgácsolhatóságot javító ötvözők: Co, Fe, Bi. [20] Ezen belül a számunkra fontos nagyszilárdságú alumíniumot a következő módszerekkel állíthatják elő: ötvözés képlékeny hidegalakítás hőkezelés porkohászati úton részecske és szálerősítés módszerek kombinációja Ezeket a módszereket részletesebben áttekintem, mivel a továbbiakban csak nagy szilárdságú ötvözetekről lesz szó. Ezért fontosnak tartom előállításuk módjának áttekintő leírását. Ötvözés: 28. ábra: Az ötvözés mértékének növekedése nagy szilárdság mellett csökkenő képlékeny alakváltozást eredményez [21]

47 Ötvözet: Két vagy több kémiai elemből álló fémes anyag. 1,17 1,28 1,31 1,37 1,43 1,6 Atom átmérő [1,0 10!" m] Si Cu Mn Zn Al Mg Anyag 9. táblázat: Ötvöző anyagok és atomátmérőjük [21] A 28. ábra alapján és a 9. táblázatban látható értékek szerint minél nagyobb az ötvöző atom atomátmérője annál nagyobb folyáshatár érhető el.[21] Képlékeny hidegalakítás: Képlékeny hidegalakításról beszélünk, ha jóval a kristályosodási hőmérséklet alatt végezzük a megmunkálást. Képlékeny hidegalakítás hatására nő a szilárdság, de csökken az alakváltozó képesség (29. ábra bal oldala). A hidegalakítás hatására 29. ábra: Az alakítás mértékével változó szilárdság érhető el [21] diszlokációk megsokszorozódnak, a szilárdsági jellemzők megnőnek, az alakváltozási jellemzők csökkennek, szemcsetorzulás lép fel, maradandó feszültségek keletkeznek. Ezért az alakításnak van egy bizonyos korlátja, mert ha túl alakítjuk, akkor képlékeny törés jön létre. Ezt láthatjuk a 29. ábra jobb oldalán Az alakítással keményíthető nem nemesíthető ötvözetek szilárdságát 0,5-5,5% Mgötvözés növeli. [21] Hőkezelés: A hőkezelés célja a fémek, ötvözetek bizonyos alaptulajdonságainak, többnyire mechanikai tulajdonságainak módosítása (keménység, szívósság stb.). A hőkezelés alapformulája szerint a fémet felmelegítik adott hőmérsékletre, ott hőntartják, majd meghatározott sebességgel lehűtik. Hőkezelés során a fém mindig szilárd halmazállapotú, az eljárás során összetétele nem változik meg, legfeljebb a felszíni

48 rétegek kissé. A következőkben az alumíniumnál használatos hőkezelés típusokat fogom bemutatni. Kiválásos keményítés [30] Az alumíniumötvözetek szilárdságának (és keménységének) növelése a diszlokációk mozgásának megakadályozásában rejlik. Az alapanyagban (Al szilárd oldata) kisméretű kiválásokat hoznak létre, amelyek a diszlokációk mozgását gátolják. Akkor jelentős a szilárdság növekedése, ha az alapanyag és a kiválás kristályrácsa azonos és a rácsparaméterek majdnem megegyezőek (koherens kiválás). A kiválásos keményítés fő lépései: 1. homogén szilárd oldat létrehozása (α szilárd oldat) izzítással, diffúziós folyamat által, tehát az ötvözetben már létező kiválások (vegyületfázisok) teljes oldatba vitele 2. az ötvözet gyors lehűtése szobahőmérsékletre, a kiválások keletkezésének megakadályozása, ötvözőkben túltelített szilárd oldat létrehozása (α túltelített szilárd oldat), 3. kiválásos keményítés (öregítés), megfelelő hőmérsékleten végzett (szobahőmérsékleten - természetes öregítés vagy magasabb hőmérsékletenmesterséges öregítés) megeresztés hatására a túltelített szilárd oldatból ötvözőkben dús fázisok válnak ki. 30. ábra: Al-Cu ötvözet kiválásos keményítése (nemesítő hőkezelése), a) Al-Cu egyensúlyi diagram, b) hőkezelési diagram, c) kiválások és szerkezeteik, d) a szilárdság, keménység alakulása a megeresztési hőmérséklet és idő függvényében [30]

49 A 30. a) ábrán az Al-Cu kétalkotós ötvözet egyensúlyi diagramja látható. Az α- szilárd oldat maximális oldhatósága 5,65% Cu eutektikus (548 C) hőmérsékleten. A vonallal jelölt ötvözet (~ 4% Cu) esetében a homogenizálás hőmérséklete a szolidusz (Tszol) és a korlátolt oldhatóság vonala (Tk.o.) között kell, hogy legyen (α szilárd oldat tartománya). A 30. b) ábra a hőkezelési diagramot mutatja az egyes szövetállapotok vázlatrajzaival. Az α túltelített szilárd oldatból igen kisméretű, az alapfém rácsával koherens kiválások jönnek létre ún. Guinier-Preston zónák (GP1 és GP2). A GP1 zónák néhány atom vastagságúak, kiterjedésük legfeljebb 8-10 nm. A GP2 zónák vastagsági mérete 1-4 nm, kiterjedésük a 10-100 nm-t is elérheti. A GP zónák (övezetek) kis méretük miatt fénymikroszkóppal nem mutathatók ki, csak röntgendiffrakciós vizsgálattal vagy transzmissziós elektronmikroszkóppal igazolható jelenlétük. További hőntartás hatására szemi-koherens θ fázis jelenik meg, amely nem egyensúlyi összetételű Al2Cu fázis. A hőkezelés utolsó állomásaként egyensúlyi összetételű θ fázis alakul ki, amely már ún. túlöregített állapotnak felel meg (a szilárdság, keménység csökken). Az egyes kiválások szerkezetét a 30. c) ábra, a szilárdság, keménység alakulását a megeresztési hőmérséklet és idő függvényében pedig a 30. d) ábra mutatja. Nemesített Al-Cu-Mg ötvözet transzmissziós elektronmikroszkópos felvételét a 31. ábra mutatja. 31. ábra: Nemesített Al-Cu-Mg ötvözet, nagyítás 10 000X, a) GP1 zónák, b) θ fázis, c) θ fázis. [30] Hőkezelés hatására az anyag mechanikai tulajdonságai elérhetik az alacsony széntartalmú acélokét valamint meg is haladhatják azt. A hőkezelés hatására megnövelhető az egyezményes folyáshatár, ami az anyag nyúlási képességeinek rovására történik így a szakítószilárdsága nem a legjobb. (Egy Al - 4% Cu - 2% Mg ötvözetnél nemesített állapotban elérhető a 440 MPa-os szakítószilárdság és a 320 MPa-os folyáshatár). [24]

Nemesíthető ötvözetek: 50 A nemesíthető Al-ötvözetek főbb típusai az Al-Mg-Si, az Al-Cu-Mg és az Al-Zn- Mg ötvözetek. A 32. ábra jól látható a nemesítés folyamata. 32. ábra: Az alumíniumötvözet nemesítése a) edzés; b) öregítés 1 oldó izzítás; 2 gyors lehűtés; 3 természetes öregítés; 4 mesterséges öregítés [21] A nemesítés szilárdság növelő hatását a 33. ábra és a 10. táblázat adatai alátámasztják. 33. ábra: Al ötvözet hegesztett kötésének keménységeloszlása a varrattól távolodva. Nemesített: AlCuMg, AlMgSi [21]

51 Ötvözet Lágy #$ %,&'() Lágy (A,%) Nemesített #$ %,&'() Nemesített (A,%) AlMgSi 147 16 255 11 AlCu4Mg1 235 12 390 13 AlCu5,5Mg1,5 245 12 430 12 10. táblázat: Néhány nemesíthető ötvözet és tulajdonsága [31] A nemesítést követő természetes vagy mesterséges öregítéskor finom eloszlású vegyületek válnak ki, amelyek az ötvözet keménységét növelik. 34. ábra: Mesterséges és természetes öregítés [32] Önnemesedő ötvözetről vagy természetesen öregedő ötvözetről akkor beszélünk, ha szoba hőmérsékleten, levegőn hűlve is túltelített szilárdoldat jön létre és ez 30-90 nap alatt végbe megy. Ilyen például az Al-Cu és Al-Zn-Mg. Mesterségesen öregíthetőek pedig azok ahol megemelt hőmérséklet szükséges (hegesztés hőmérséklete edzi) e folyamatok lezajlásához.[32] Porkohászati úton: Pl. Zsugorított Al Al2O3 létrehozása Részecske és szálerősítés: Szálak: - Al + 18/8 - as acélszálak Részecskék: -*+, - Al + *+, tűkristályok - SiC - Al + B szálak A Porkohászati és a részecske/szálerősítéses alumíniumokat jellemzően nem hegesztik, így ezekkel a szilárdságnövelő technikákkal részletesen nem foglalkozok.

52 Elért tulajdonság szerinti csoportosításuk A felsorolt módszerek kombinációjával az alumíniumötvözeteknél elérhetjük az akár 750-800 MPA mértékű szilárdságot. A 35. ábra bemutatja az alumínium fő ötvözőit és ötvözeteit. 35. ábra: Alumínium fő ötvözői és ötvözetei [21] Az alumínium ötvözeteinek csoportosítása: Összetételük szerint megkülönböztetünk: o Dural (Al - Cu) ötvözetek o Hidronálium (Al - Mg) ötvözetek o Szilumin (Al - Si) ötvözetek Alakíthatóságuk alapján: o alakítható alumíniumötvözeteket o öntészeti alumíniumötvözeteket Hőkezelhetőségük alapján: o nemesíthető alumíniumötvözeteket o nem nemesíthető alumíniumötvözeteket A Dural ötvözeteket nagyobb szilárdságuk miatt a gépipar területén elsősorban szerkezeti anyagok készítésére használják. Esetünkben a Dural ötvözetekhez tartozó alakítható ötvözetek a fontosak mivel ezek nagy szilárdságú alumíniumötvözetek és nem mellesleg nemesíthető tulajdonsággal rendelkeznek ezáltal szilárdságuk további

53 növelése is elérhető. Ezek az alumíniumötvözetek fő ötvözői a réz (Cu), a mangán (Mn) és a magnézium (Mg), mivel ezek a fémek az alumíniummal szilárd oldatokat alkotnak. A nemesíthető és alakítható ötvözetek elsősorban az Al-Cu és az Al-Mg ötvözetek csoportjából kerülnek ki. Alkalmazhatók kovácsolt és sajtolt termékek készítésére, a járművek és a repülőgép-szerkezetek gyártásánál. Az alakítható alumíniumötvözetek jelölését a MSZ EN 573:2005 szabvány szerint a 11. táblázat tartalmazza.[22] Tiszta alumínium: 1 x x x(1000 jel sorozat) Cu-ötvözés: Mn-ötvözés: Si-ötvözés: Mg-ötvözés: Mg és Si ötvözés: Zn-ötvözés: Li-ötvözés: Egyéb elemekkel ötvözött: 2 x x x(2000 jel sorozat) 3 x x x(3000 jel sorozat) 4 x x x(4000 jel sorozat) 5 x x x(5000 jel sorozat) 6 x x x(6000 jel sorozat) 7 x x x(7000 jel sorozat) 8 x x x(8000 jel sorozat) 9 x x x(9000 jel sorozat) 11. táblázat: Az alakítható alumíniumötvözetek jelölését a MSZ EN 573:2005 szabvány szerint [22] A szabvány szerinti anyag jelölésre példa a következő, amelyet dolgozatomban még használni fogok és tulajdonságaira majd bővebben is kitérek: EN AW 5754-H22 [AlMg3] Közepes szilárdságú, nagyon jó korrózióállóság. A hegeszthetősége bármilyen módszerrel nagyon jó, a hegesztési varratok szinte az alapanyaggal azonos korrózióállósággal rendelkeznek.[23] Anyag AlMg3 EN AW 5754 Állapot Rm min. (MPa) Rm max. (MPa) Rp 0,2 (MPa) H22/H32 1/4kemény 220 270 130 12. táblázat: Anyag mechanikai jellemzői [23]

54 2.2. Nagyszilárdságú alumíniumötvözetek és mechanikai jellemzőik A dolgozatomban, továbbiakban a nagyszilárdságú ötvözeteket szeretném bemutatni. A 11. táblázat alapján a 2xxx,5xxx,6xxx és 7xxx jelű sorozatokat fogom részletesebben áttekinteni. A 2xxx jelű Al-Cu ötvözetek Dúralumíniumnak is nevezik. Változatos összetétel, fő ötvözői: Cu (3 6 %, de lehet ennél lényegesen nagyobb is) Mg (0,4 2,5 %) Mn (0,3 1,0%) Fe (0,2 1,3 %) Si (0,2 1,2 %) Ni (1,0 2,0 %). Közepes és nagy szilárdság Nemesíthető ötvözetek, szilárdság az összetétel és a hőkezelés függvényében széles tartományban változtatható Jó hőállóság Felhasználás: haditechnika, járműgyártás és a repülőgépgyártás, űrrepülés, kovácsolt és sajtolt darabok [24] Mechanikai jellemzők változása hegesztési hőciklus hatására A 2xxx sorozat ötvözeteinek nagy része ívhegesztés alkalmazásánál nem produkálnak jó eredményt mivel nagyon érzékenyek a melegrepedésre. Ezeket általában olyan elektródákkal hegesztik, amelyeknek alacsony olvadáspontjuk van, hogy ezzel is csökkentsék a melegrepedés kockázatát. Így akadnak kivételek, amiket egy jól megválasztott huzallal könnyen meg lehet hegeszteni. Ennek a szériának jóval alacsonyabb a korrózió álló képessége, mint a többi alumínium ötvözetnek és jó eséllyel hajlamos a kristályközi korrózióra. Akkor alkalmazhatóak hatékonyan, ha mérsékelt hőmérsékleten akarunk nagy szilárdságot elérni. [25]

55 A 2xxx szériából két kiemelkedő szerkezeti ötvözet van, amit előszeretettel választanak hegesztéshez: 2219 és 2519. A 2219 könnyen hegeszthető és széles körben elterjedt hegesztett szerkezetek gyártásánál. Ilyet használtak például az amerikai űrrepülőgép üzemanyagtartályánál is. Hegeszthetőségét a viszonylag nagy 6% körüli réz tartalmának köszönheti. A 2519 is hasonlóan jó tulajdonságokkal rendelkezik. Ezeket páncélozott járművek gyártásánál hasznosítják. Ez a két típus jól bevált az eddigiekben, de érdemes a széria többi ötvözetét is megvizsgálni, ha újfajta hegesztett szerkezetben gondolkodunk.[27] A melegrepedés tehát nagyban függ attól, hogy az ötvözetünk mekkora részben tartalmaz rezet. Kimutatták, hogy amennyiben 4,5% vagy a feletti réz tartalommal rendelkezik az ötvözetünk nagy eséllyel csökkenthetjük a repedés kockázatát. A 4,5% körüli réz tartalmú ötvözeteknél probléma lehet, hogy a hegesztési hő ciklus hatására az ötvöző anyagok kiválhatnak a szemcsehatárokon valamint a jelenlévő magnézium ötvözök hatására a szolidusz hőmérséklet csökken. Mivel az anyag ötvözői alacsonyabb olvadáspontú fázisok ezért a megszilárdulás következtében létrejövő feszültség könnyen repedést okozhat, valamint az anyagban feszültségkorrózió jöhet létre, ami még rosszabb mivel csak idő múlásával történik meg a repedés az anyagban. A nagy hőbevitel, a hegesztési varratok hossza/nagysága nagyban befolyásolja a melegrepedés előfordulását.[11] Jellemző Mértékegység 2xxx jelű Al-Cu ötvözetek Sűrűség [Kg/ 10 ] 2,58 2,88 Vickers keménység HV [MPa] 81,0-210 Szakítószilárdság [MPa] 172-650 Kúszás [MPa] 315-470 Rugalmassági modulus (Young modulus) [GPa] 70.0-115 Poisson-szám [-] 0.300-0.340 Törési szívósság [&-(. /] 19,0 49,0 Folyáshatár (hajlító) [MPa] 420-485 Nyíró szilárdság [MPa] 106-320 13. táblázat: A 2xxx jelű Al-Cu ötvözetek mechanikai jellemzői [26]

56 Az 5xxx jelű Al-Mg ötvözetek Fő ötvöző a Mg (0,5 7,0 %) Az ötvözetek szilárdságát a szilárd oldatban lévő Mg biztosítja, amely tovább növelhető az alakítási keményedéssel. Jó alakíthatóság, hegeszthetőség, eloxálhatóság és korrózióállóság. Ezek a felhasználási területeket is meghatározzák: építészet, az autóipar, a hajógyártás és a vegyipar. Nem alkalmasak nemesítő hőkezelésre.[24] Két fő csoport: 1-3 % Mg Jó korrózióálló Jól hegeszthető Hegesztéskor ügyelni kell Mg kiégésére (megfelelő pálca használata) Alkalmazási terület: Díszítő elemek, burkolatok Mg> 4% Nagyobb szilárdság Hegesztéskor ügyelni kell Mg kiégésére (megfelelő pálca használata) Jól forgácsolható Kevésbé romlik a korrózióállóság Alkalmazási terület: Forgácsolt alkatrészek, vízi járművek [21] Mechanikai jellemzők változása a hegesztési hőciklus hatására Hegesztés során ezzel az ötvözettel lesz a legkönnyebb dolgunk mivel kitűnő hegesztési tulajdonságokkal rendelkezik és a melegrepedésre sem hajlamos számottevően. Emellett ez a sorozat rendelkezik, a legnagyobb szilárdsággal a nem nemesíthető ötvözetek között (1xxx,3xxx,4xxx). [28] Az anyag könnyed hegeszthetőségét mutatja, hogy akár hozaganyaggal akár hozaganyag nélkül is végre hajthatjuk azt. Arra oda kell figyelni viszont, hogy ha 2,5% körüli Mg tartalmú anyagot szeretnénk hegeszteni akkor mindenképpen magas Mg tartalmú hozaganyagot, kell megválasztani a repedések elkerülése érdekében.[27]

57 Jellemző Mértékegység 5xxx jelű Al-Mg ötvözetek Sűrűség [Kg/ 10 ] 0,0160 2,72 Vickers keménység [MPa] 46,0-137 Szakítószilárdság [MPa] 110-450 Kúszás [MPa] - Rugalmassági modulus (Young modulus) [GPa] 68,9 72,0 Poisson-szám [-] 0.330-0.360 Törési szívósság [&-(. /] - Folyáshatár (hajlító) [MPa] - Nyíró szilárdság [MPa] 0,138-270 14. táblázat: A 5xxx jelű Al-Mg ötvözetek mechanikai jellemzői [26] A 6xxx jelű Al-Mg-Si ötvözetek Fő ötvözők a Mg és Si (0,3-1,5 %) Nemesítéssel keményíthetőek Közepes/nagy szilárdság mellett a jó alakíthatóság Hegeszthetőség, eloxálhatóság és korrózióállóság [24] Az Al-Mg-Si ötvözetek a legnagyobb mennyiségben gyártott, nemesíthető ötvözetek. Más ötvözetekhez viszonyítva kedvező alakváltozóképességük miatt a sajtoltprofilok, nyílászárók, edények, palackok tipikus alapanyaga. Alkalmazásuk első sorban az építő iparban és a tömegcikk gyártásban jellemző. Jól polírozható és eloxálható.[29] Mechanikai jellemzők változása a hegesztési hőciklus hatására Habár nem olyan nagy szilárdsággal rendelkeznek, mint a 2xxx,7xxx sorozat ötvözetei, határozottan kijelenthetjük, hogy a leggyakrabban előforduló szerkezeti anyagok. Jó alakíthatóság, hegeszthetőség, megmunkálhatóság és viszonylag jó korrózióállóság jellemzi őket közepes szilárdság megtartása mellett.[27] A 6xxx sorozat ötvözetei hajlamosak a melegrepedésre. Ha autogén módon vagy nem megfelelő hozaganyagot választunk az eredmény minden esetben repedéssel fog járni. A hozaganyag pontos megválasztása esetén elkerülhető ez a veszély. Hozaganyagnak választható az 5xxx és a 4xxx széria anyagai. [28]

58 Jellemző Mértékegység 6xxx jelű Al- Mg-Si ötvözetek Sűrűség [Kg/ 10 ] 2,68 2,74 Vickers keménység [MPa] 35,0-149 Szakítószilárdság [MPa] 89,6-475 Kúszás [MPa] - Rugalmassági modulus (Young modulus) [GPa] 67,0-70,0 Poisson-szám [-] 0.330 Törési szívósság [&-(. /] - Folyáshatár (hajlító) [MPa] - Nyíró szilárdság [MPa] 60-269 15. táblázat: A 6xxx jelű Al-Mg-Si ötvözetek mechanikai jellemzői [26] A 7xxx jelű Al-Zn ötvözetek Fő ötvözőjük a Zn (általában 4-6 %) és a Mg (1-3 %). Nagy szilárdságát a nemesítő hőkezelés biztosítja, kemény ötvözetek Az alumínium 443 -on 70 % Zn-t képes oldatban tartani, szobahőmérsékleten viszont csak 0,1 %-ot. A széles oldékonysági tartomány, valamint a más ötvözőkkel való társítás teszi lehetővé azt, hogy akár 600 MPa folyáshatárú ötvözetet is elő lehessen állítani. Önnemesedő A kiemelkedő szilárdsághoz megfelelő alakíthatóság és hegeszthetőség is párosul Ezeket az anyagokat főként a haditechnika, a járműgyártás és az építészet használja, de a legkülönbözőbb használati tárgyakban (síbot, teniszütő) is találkozhatunk velük. Komoly alkalmazási korlát: nagyon hajlamosak a feszültségkorrózióra.[24] A 7xxx sorozat ötvözetei durván 2-3-szor drágábbak, mint a 6xxx ötvözetei Tennalum 7068 Ultra szilárdságú alumínium Fontosnak tartom, hogy a legnagyobb szilárdsággal rendelkező alumíniumról is essen pár szó. A lőszer gyártásban merült fel az igény, hogy ultra nagy szilárdságú és kis tömeggel rendelkező, emellett kivalló korrózióállóságú ötvözetet hozzanak létre. A Tennalum vállalat fejlesztette ki az ötvözetet, amit a 7068-T6511 jelöléssel rendelkezik, általánosabban Tennalum 7068. Extrém nagy szakító szilárdságával és 683 MPa-os folyáshatárával sikerült elérni a legnagyobb szilárdsággal rendelkező alumínium ötvözetet, amit kifejlesztése után forgalomba is hoztak. Habár ez az érték

59 csak megközelíti, az előedzet rozsdamentes acélokét, de azoknál 2-3-szor kisebb tömeg érhető el. Ez a szilárdság-tömeg arány az, amiben túl szárnyalja a jelenleg alkalmazott alapanyagainkat. Két és félszer erősebb, mint a 6061-jelű alumínium ötvözet és 35%-kal megelőzte elődjét a 7075 jelű alumínium ötvözetet. Árában megjelenik tudása mivel 3-4-szer is többe kerülhet, mint a 6xxx széria alumínium ötvözetei, de némely területen még a titánt is háttérbe szorította.[37] Mechanikai jellemzők változása a hegesztési hőciklus hatására Ha a hegeszthetőséget vesszük, szempontnak a 7xxx sorozatot két csoportra oszthatjuk: Al-Zn-Mg és Al-Zn-Mg-Cu. Ezen csoportok ötvözetei nemesítő hőkezelést követő öregítéssel még szilárdabbá tehetőek. Az 5xxx szériával szemben ütőmunkája kedvezőtlenebb alacsonyabb hőmérsékleten Al-Zn-Mg mint például a 7005-ös ötvözet a melegrepedéssel szembeni ellenállása jobb, mint a másik ötvöző csoporté. A magnézium tartalommal viszont itt is nőhet a repedés veszély. Megoldást jelenthet, ha az ötvözetünkhöz cirkónimuot adagolunk, mivel ez finomítja a szemcseméretét, amivel hatékonyan csökkenthetjük a repedések előfordulását. Al-Zn-Mg-Cu mint például a 7075-ös a másik csoporttal szemben tartalmaz kisebb mennyiségű réz ötvözőt. Ez a kis mennyiségű réz és a Magnézium hatása megnöveli a repedés kialakulásának lehetőségét. Hasonló folyamatok zajlanak le, mint a 2xxx sorozatnál. A megszilárdulás során feszültség alakulhat ki a szemcse határokon és az anyag elrepedhet másrészről pedig feszültség korrózió alakulhat ki az anyagban, amely az idő múlásával és a hőmérséklet csökkenésével repedéshez vezet.[11] Megoldásként gyakran alkalmaznak túl öregítést (megemelt hőmérsékletű, időtartamú öregítés) amivel jobb korrózióállóságot, szilárdságot és törési szívósságot érhetnek el.[25] Jellemző Mértékegység 7xxx jelű Al-Zn ötvözetek Sűrűség [Kg/ 10 ] 2,72 2,90 Vickers keménység [MPa] 68,0-217 Szakítószilárdság [MPa] 70,0-750 Kúszás [MPa] 434-538 Rugalmassági modulus (Young modulus) [GPa] 67,0-73,0 Poisson-szám [-] 0.330 Törési szívósság [&-(. /] 16,5-150 Folyáshatár (hajlító) [MPa] 469-552 Nyíró szilárdság [MPa] 50,0-400 16. táblázat: A 7xxx jelű Al-Zn ötvözetek mechanikai jellemzői [26]

60 2.3. Hegesztés során előforduló problémák és azok megoldási lehetőségei Az alumíniumötvözetek a legnagyobb odafigyelést igénylő anyagok, ha a hegeszthetőségükről szeretnénk beszélni. A megfelelő paraméterek megválasztásával mind ömlesztő mind sajtoló eljárásokkal megoldható hegesztésük. Ezek a paraméterek viszont jóval nagyobb eltérést mutatnak, mint a jól megszokott acélok hegesztése esetén. Ezek a különbségek az anyag jellemzőiből adódnak ezért érdemes áttekinteni az alumínium tulajdonságait, hogy jobban megértsük a problémák előfordulásának okát. Ezáltal kiküszöbölésük módjára is könnyebben találhatunk megoldásokat. A hegesztés nehézségei: Hegeszthetőséget rontja: Si, Cu, Zn, hegeszthetőséget javítja: Mg, Mn, nagy zsugorodás és hőtágulás, acélra: olvadási hőmérséklet> 1500 C, alumíniumra: olvadási hőmérséklet = 570 660 C, hővezetési tényező az Al 3-4-szerese az acél hővezetési tényezőjének, Acél: 78 [W/ m K], Al: 238 [W/ m K], fajhője az Al 2,5-szerese az acél fajhőjének (900 [J/kg K], sűrűssége Al 2-szerese az acél sűrűségének (2700 [kg/ ], nagy zsugorodás és hőtágulás, [32] nagy oxigén iránti affinitás, a felületen összefüggő oxidhártya található, olvadáspontja (2050 ), hőhatásövezet eltérő tulajdonságai, mechanikai tulajdonságok jelentős megváltozása. [33] Előforduló jellemző problémák: Oxidhártya jelenlét Porozitási hajlam Repedés érzékenység Hőhatás övezet sajátosságai Varrat problémái [21]

Oxidhártya 61 Az alumínium és ötvözetei hegesztését befolyásoló egyik tényező a nagy oxigén iránti affinitást, ami a felületen kialakuló, összefüggő *+, oxidréteg keletkezését okozza. Ez az oxidréteg természetes körülmények között alakul ki, és eltávolítását követően néhány óra alatt újraképződik, így akadályozva a hegesztést. 36. ábra: Alumínium felületén található oxidréteg [21] Az oxidréteg vastagságának növekedési sebessége a hőmérséklet emelkedésével felgyorsul, így a hegesztett kötések hibamentes kialakításának fontos feltétele a felületet összefüggően borító oxidréteg eltávolítása. Az alumíniumoxid az alumíniumnál lényegesen magasabb hőmérsékleten, mintegy 2050 C-on olvad és a folyékony fémet is összefüggő rétegben borítja, akadályozva ezzel a kötés kialakítását, ugyanis az oxidréteg meggátolja a hegesztés folyamán a megolvadt alapanyag és hegesztő hozaganyag összeolvadását.[33] Mivel az oxidhártya olvadás pontja háromszor nagyobb, mint az alumínium olvadás pontja ezért csak az erre képes berendezésekkel és pálcákkal lehet megfelelő varratot készíteni. Az oxidhártyát csak nagy energia sűrűsséggel lehet felbontani.[21] Probléma megoldása Lánghegesztésnél az eljárást a felület tisztításával, csiszolásával és folyósító anyagokkal történő maratásával kell kezdeni. A folyósító anyagot lehet a hegesztés előtt használni, vagy a hegesztés közben (alumínium pálca). Az oxidréteg kémiailag igen jól ellenálló ezért csak agresszív porok használatával távolítható el. A por, a hegesztés hőmérsékletén kémiailag oldja az oxidréteget. A képződő folyadék beborítja a folyékony fémet, ezáltal meggátolja az újbóli oxidációt, így elősegíti a folyékony alapanyag és pótanyag összeömlésének feltételeit. A porok alkotórészei legtöbb esetben alkáli fémek kloridjai és fluoridjai. Főbb elemei: LiCl 5 30% KF 5 15% KCl 10 60% 0 1, 2 5 15% 3( Al4

62 3(51, 2 051, 2 Ívhegesztésnél katódporlasztással és kémiai bontással lehet az oxidhártyát felbontani. A hegesztésnél amatronos pálcát ajánlatos használni amiben, a pálca belsejében oxidbontó por található. Ellenállás hegesztésnél az oxidhártyát az elektródák és a munkadarab között fellépő koncentrált erő, hő és a képlékeny alakváltozás töri fel. AWI hegesztésnél (Argon védőgázos Volfram elektródás kézi ívhegesztés) az oxidot a váltakozó áram és az argon gázbombázása bontja fel. Alumíniumhoz és ötvözeteihez váltakozó áramot használunk. A váltakozó áram megtisztítja a volfrámelektródát a hegesztés közben felszedett szennyeződésektől. A beolvadási mélységet és szélességet az áramfajta és a polaritás megválasztása, valamint az elektróda formája jelentősen befolyásolja. 37. ábra: AWI eljárásához használt elektród formák különböző áramnemek esetén [21] Az oxidhártyát ennél az eljárásnál széttördelik az ívben nagy sebességgel mozgó részecskék. Erre csak az ionok alkalmasak, mert az alumínium-oxid kis sűrűségű elemi cellájában a kisméretű elektronok ütközés és elnyelődés nélkül tudnak áthatolni. A védőgázból származó pozitív ionok lényegesen nagyobb méretűek, így nem hatolnak át az oxidhártyán, hanem abba becsapódva, kinetikai energiájuk átadásával az oxidhártyát részben felbontják, részben elgőzölögtetik, és ez által összetördelik. Ennek az a feltétele, hogy az alapanyagba csapódjanak a pozitív ionok, a munkadarab legyen a negatív póluson. Fordított polaritásnál az elektronok a wolframelektródába csapodnak így annak élettartama határozottan lecsökken. [21]

63 38. ábra: Áramnem/polarítás változtatásának hatása az oxidbontásra [21] A lineáris dörzshegesztésnél az oxidhártya feltörése a sajtolóerő hatására történik az anyag felületén, viszont az alapanyagok illesztési felületén lévő oxidot csak olyan szerszámmal lehet eltüntetni a kötésből, amelyik vertikális anyagáramlást biztosít, amennyiben ez nem valósul meg, akkor az *+, oxidréteg a varratban szétszórva jelenik meg. Kísérleteink bizonyítják, hogy ezen oxidréteg jelenléte a varratban nem okoz minőségi romlást.[33] Porozitási hajlam A porozitás szinte elkerülhetetlen a gázvédelmű eljárásoknál, de ez általában acélok hegesztésénél nem okoz jelentős problémát. Alumínium hegesztésénél viszont sokszor fejtörést okoz ez a jelenség és roncsolás mentes vizsgálatokkal is könnyen kimutathatóak jelenlétük. Ha a vizsgálatok során porozitás észlelhető a varrat minősége elégtelen lesz.[34] A fémek hegesztésénél gondot okozó gázok közül az alumínium és ötvözeteinél meghatározó a hidrogén. Az olvadt alumínium hidrogén oldóképessége a hőmérséklettől erőteljesen függ, míg szilárd állapotban ezen oldás jelentősen csökken. Ezen jelentős oldásbeli különbség következménye a hidrogén okozta gázzárványok megjelenésének.[33] A hegfürdő megszilárdulása során a fürdőben lévő hidrogén

64 buborék formájában próbál a felszínre jutni. Ha ezek a hidrogén buborékok nem érik el a varrat felszínét mielőtt a hegfürdő megszilárdul, akkor beszélünk porozitásról. Acélok esetén a porozitás másodlagos problémának tekinthető két ok miatt. Először is, amikor az acél hegfürdője megszilárdul a hidrogén oldó képesség itt is lecsökken, de nem olyan drasztikusan, mint az alumíniumnál. Másodszor pedig az acél megszilárdulásához szükséges hőmérséklet kétszer nagyobb, a hővezető képessége pedig csak a negyede az alumíniumnak. Tehát a megszilárdulás jóval lassabban történik így a buborékoknak sokkal több idejük van távozni a hegfürdőből.[34] A folyékony fém sok H-t képes elnyelni. A hidrogén bekerülhet felületi szennyeződésekből nedvességből védőgázból bevonatokból és fedőporból [21] A gázzárványok helyi belső feszültségek növekedését, anyagfolytonossági hibákat okozva fokozzák a repedésérzékenységet, ridegedést, jelentősen csökkentik a hajlíthatóságot és a szilárdságot. [33] 39. ábra: AWI hegesztésnél finom eloszlású porozitás a varratban [35] Probléma megoldása Az egyik leghatásosabb módszer a porozitás csökkentésére, ha a hegesztési varrat alakját befolyásoljuk. A keskeny és mély varratok könnyen csapdába ejthetik a varratban felemelkedő buborékokat mivel azoknak hosszú utat kell megtenni a felszín eléréséig. Hogy a hidrogén buborékok hamarabb elhagyják, a varratot alkalmazhatunk a megszokott hegesztési helyzetektől eltérőt. Ez lehet függőlegesen fel illetve le így csökkenthetjük a felszíni és a belső pórusokat. Az oxid réteg az idő múlásával megvastagszik az alumínium felületén ezért hosszú tárolás után illetve hegesztés előtt érdemes megtisztítani a felületét. Hegesztésnél célszerű kis áramerősséget és rövid ívhosszt alkalmazni és kerülni kell a túlhevítést. Azt is

65 kimutatták, ha a hegfürdőben turbulens áramlást érünk el jelentősen csökkenthető a szemcsenagyság és a porozitás kialakulása (AWI). [34] Tehát ömlesztő hegesztő eljárásoknál a varrat gáztartalmát tisztítással (alapanyag, hozaganyag) és gondos hegesztéstechnológiával lehet csökkenteni. Mivel a lineáris dörzshegesztés egy szilárd fázisú sajtolóhegesztő eljárás, ezért itt a hidrogénoldó képesség csekély, ezért gázzárványoktól nem kell tartani. [33] Repedés érzékenység Melegrepedés Alumíniumötvözetek hegesztésénél AWI és VFI eljárások alkalmazásánál nagy eséllyel számíthatunk melegrepedéssel. A repedés közvetlenül a hegesztés után keletkezik mikor a fémünk még megemelt hőmérsékleten van. Ez általában a két anyag összeolvadásakor fordul elő miután azok megszilárdulnak.[34] A varrat melegrepedési hajlamának alapvető oka az, hogy dermedéskor a likvidusz hőmérséklet alatt megjelenő kristálycsírák növekedése közben a szemcsék már összeérnek, közöttük azonban még folyadék van, és a dermedés további szakaszában ez a folyadék 40. ábra: Példa AWI melegrepedés alumíniumban [35] már utánpótlást nem kap. A dermedéskor egyre kisebb térfogatú folyadék a már szilárd szemcsék közül eltűnik, és folytonossági hiány keletkezik. [33] Probléma megoldása Két lehetséges megoldása van a melegrepedés problémájának Csökkenteni kell a bevitt hőt így a zsugorodás okozta feszültség is csökken Az ömledék kémiai összetételét befolyásolni kell (hozaganyag) A zsugorodás okozta feszültség növekedhet a befogás (megszorítás) mértékével, az anyag képese feszültség mentesen alakváltozni, illetve a hegesztendő munkadarab falvastagságával. Például hadiiparban vastag alumínium páncéllemezek hegesztése oda

66 figyelést igényel. A megszorítás mértékének befolyásolását csökkenthetjük, jól megtervezet hegesztési sorrenddel (varrat-sor) és a hőbevitel mértékét csökkenthetjük kisebb hegesztési áram alkalmazásával. A nagy szilárdságú 7xxx sorozat alumínium ötvözetei a legérzékenyebbek a melegrepedésre, de ez javítható a hozaganyag kémiai összetételének változtatásával. Például kimutatták, hogy aü repedésre való érzékenység növekszik a réz tartalom növelésével (feljebb a nagyszilárdságú ötvözeteknél volt szó róla). Mikor a réz tartalom 3% alá esik, csökken, ha 3% felett van nő a repedésre való hajlam. Növelhető az ellenállás még cirkónium ötvözővel az alapanyagban, ami szemcsefinomító hatású valamint megfelelő hozaganyag alkalmazásával, amivel az ömledék vegyi összetételét változtathatjuk. [34] A repedésérzékenységi hajlamra kiemelten figyelni kell az ömlesztő hegesztő eljárásoknál, de mivel a lineáris dörzshegesztés egy szilárd fázisú sajtoló hegesztő eljárás, ezért ebben az esetben nem áll fenn ez a probléma. [33] Feszültség korróziós repedés Először 1993-ban fedeztek fel ilyen jellegű repedés jelenlétét az alumíniumban. A fél éves szervizelés és vizsgálat után a thaiföldi Stingray harckocsi páncélzatának majdnem egészében találtak repedéseket és hibákat. A páncélzat nagyszilárdságú alumínium ötvözetből készült. A hibák keletkezésének legvalószínűbb oka a feszültség korrózió. Ennek kialakulásához három feltételnek kell teljesülnie: Repedésre hajlamos mikroszerkezet Erősen korrozív környezet Húzó feszültség 41. ábra: Feszültség korróziós repedés T-kötésnél [36]

67 Feszültség korrózió felbukkanása nagyobb eséllyel történik meg a 7xxx sorozat ötvözeteiben, mint az 5xxx sorozatéban. Közepes szilárdságú, alacsony vagy réz mentes 7xxx ötvözetek különböző fajta műszaki területekre lettek fejlesztve. A legtöbb ötvözete kitűnő ellenállást mutat feszültség korrózióval szemben hossz illetve átlós irányban. Problémát a korrózió nagy orientáció függősége jelenti mivel lemezvastagság irányában az ellenállás igen csekély. A korróziós repedéseket okozhatja maradó alakváltozás, hegesztési feszültségek, megmunkálási műveletek és rosszul elvégzett összeszerelések. Ezek azok az elemei egy szerkezet tervezésénél, amivel nem lehet előre számolni. A hegesztés közben kialakuló maradó feszültségek a lemezvastagság irányába T kötéseknél és sarok varratoknál a legveszélyesebbek. Itt a legnagyobb az esélye későbbi korróziós repedések kialakulásának. [34] Probléma megoldása A feszültség szintet csökkenthetjük az anyagban, ha lágyabb anyagból készült hozaganyaggal készítjük a fedővarratokat, helyes hegesztet kötések alkalmazásával és a hegesztési paraméterek változtatásával. A lemezvastagság irányú feszültségek csökkentésével a korróziós repedések előfordulását minimalizálhatjuk. A hőkezeléssel befolyásolhatjuk az repedés ellenállóképességet és a mechanikai szilárdságot. Ahhoz, hogy minimálisra csökkentsük a veszélyt, túlöregítést alkalmazunk (szabványos jelölés T7) amit hegesztés hőhatására is végrehajthatunk. Ezzel viszont a szakítószilárdsága gyengülhet az anyagnak. Összefoglalva a következő módszerekkel elkerülhetjük a repedés kialakulását: Alkalmazzunk feszültség csökkentő hőkezelést a varrat elkészítését követően. Ez csökkenti a hegesztés hatására az anyagban kialakult maradó feszültségek szintjét. Alkalmazzunk felületszilárdító szemcseszórást így javítható a kifáradás és repedés szembeni ellenállóképesség. Kerüljük a feszültség növelőket, a varratot az alapanyag szintjére kell lemunkálni Használjunk tompavarratot és kerüljük a sarok varratos kialakításokat mivel azok jóval hajlamosabbak repedésre. Le kell munkálni a csiszolás nyomokat, a durva széleket és a z egyéb problémás részeket a fémen. Kerüljük a hidegen alakítást. Ezek a gyártási módszerek az anyagban maradó feszültséget hozhatnak létre, ami később korróziós kifáradáshoz, repedéshez vezethetnek. [34]

68 Hőhatás övezet sajátosságai A legtöbb hegesztő eljárásnál a kötés létrehozására hőenergia felhasználásával kerül sor. A kötés kialakítására alkalmazott hőenergia egy része a munkadarabban szétterjed és felhevíti azt, így a hegesztett anyagot a varrattól kiindulva, alapvetően hegesztő eljárástól és az anyag hőfizikai jellemzőitől függően hőhatások érik és idéznek elő különböző szövetszerkezeti, illetve mechanikai tulajdonságbeli változásokat [1]. Hidegen alakított állapotban kilágyulhat az alapanyag Nemesített alapanyagnál a hőhatásövezet kilágyul [21] Tehát az alumíniumötvözetek többségénél jelentős szerepet játszik a fajlagos hőbevitel értéke. [33] A következő ábrák segítségével próbálom szemléltetni a különbséget a megszokott ömlesztő eljárással (AWI) végzett hegesztés (42. és 43. ábra) és a lineáris dörzshegesztéssel végzett között. 42. ábra: AWI hegesztéssel készült kötés makrocsiszolati képe [33] Mivel a lineáris dörzshegesztés során a maximális hőmérséklet 400500 köré tehető. Ezért a hőhatásövezetünk kevésbé lesz sérülékeny, még ha ez a hőmérséklet jelentősen változhat a megválasztott technológiai paraméterektől, az anyagminőségtől, és a hegesztendő anyagok falvastagságtól függően. 43. ábra: Lineáris dörzshegesztéssel készült kötés makrocsiszolati képe [33]

69 3. SZERSZÁMGEOMETRIÁK TECHNOLÓGIAI PARAMÉTEREINEK OPTIMALIZÁLÁSA 3.1. Saját szerszám tervezése Tervezés célja A lineáris dörzshegesztésnek is megvannak a maga korlátai, de minél nagyobb területet vagyunk képesek lefedni, viszonylag kis módosítások elvégzésével annál praktikusabb és termelékenyebb berendezést állíthatunk a gyártás szolgálatába. Mivel minden ipari ágazatban az elsődleges szempont az idő és a költségek minimalizálása, amellett, hogy a megfelelő minőség nagy számban reprodukálható legyen, ezért egy jól megtervezett szerszámgeometria fel válthatja más szerszámok szükségességét. A Tervezési feladatomban egy már jól bevált szerszám tovább fejlesztésével elérhető teljesítmény fokozásának lehetőségét vizsgálom. Ez alapján is bizonyítva azt, hogy a szerszám geometriájának módosításával milyen mértékű változást érhetünk el azonos hegesztési kritériumok mellett. Hegesztés körülményei A kísérleti hegesztéseket egy módosított marógép segítségével végeztük el, ami a 44. ábrán látható. Az átalakítás során a marószerszám helyett a hegesztő szerszám került a foglalatba, valamint a szánon az alátét lemez és további alapanyag befogását segítő elemek kerültek rögzítésre. Az alátétlemez és a befogáshoz szükséges alkatrészek rajzai az mellékletben megtalálhatóak. A 44.ábrán jól láthatóan a hegeszthető darabok méretét a megfogó szerkezet kialakítása korlátozza. Esetünkben a munkaterület mérete a hegesztéstechnológia vizsgálatához szükséges MSZ EN SO 15614-2:2005 szabvány által előírt munkadarabok méretéhez megfelel. A berendezésen három paraméter állíthatóság fontos hegesztési szempontból, nevezetesen a szerszám fordulatszám [1/min], előtolás (hegesztési sebesség [mm/min]) és a szerszám dőlésszög [ ]. Emellett a megfogásnál beállítható az illesztési hézag,

70 amelyet esetünkben 0-0,5 mm között igyekeztünk tartani. Az alátét lemez kialakításából adandóan megoldható a hegesztés során a gyökoldali vízhűtés alkalmazása, de mivel kísérlet során a szerszámgeometriák hatását vizsgáltuk, ennek a befolyásoló tényezőnek az alkalmazása nem szükséges. További teljesítmény növelési 44. ábra: A módosított marógép és a hegesztési terület szempontból ez vizsgálható. A kísérlet szempontjából a berendezés következő paraméterei voltak használhatóak: fordulatszám [1/min]: 400, 630, hegesztési sebesség [mm/min]: 100, 160, 250, 315, 400, szerszám döntése [ ]: 2 A paraméterek kombinálásával különböző varrat minőségeket érhetünk el. Az értékek módosításával általában fokozható a hegesztési sebesség és tartható a megfelelő minőség. Ez viszont csak abban az esetben lehetséges, hogy ha megfelelően tervezett szerszám geometriát használunk. Hegesztendő alapanyag A szerszám tervezéséhez, kiválasztásához elengedhetetlen információ a hegesztendő darabok anyagminősége, anyagtípusa. Ezért a következőkben, a kísérletünkben szereplő 6 mm falvastagságú 5754 H22 (AlMg3) alumínium ötvözetnek a tulajdonságait részletezem. Az ötvözet, közepes szilárdságú, nagyon jó korrózióállóságú, tengervíznek és páratartalomnak jól ellenálló, valamint jellemzően nagyon jó vegyállóságú anyag.[38]

71 A hegeszthetősége bármilyen módszerrel nagyon jó, a hegesztési varratok szinte az alapanyaggal azonos korrózióállósággal rendelkeznek. Nagyon jó az anyag polírozhatósága. A vágószerszámokkal való megmunkálhatósága puha állapotban rossz, kemény állapotban megfelelő. Képlékenysége alap állapotban nagyon jó, félkemény állapotban megfelelő. Korróziónak és tengervíz hatásának ellenálló, közepesen igénybe vett, hegesztett alkatrészekhez és konstrukciókhoz használható. A lágyított és deformáció ellen merevített anyagból készített edények 1,6 MPa nyomásig, -196 és +150 C közötti hőmérsékleten használhatók. Élelmiszer- és vegyiparban használatos, de járművek és hajók gyártásában, valamint kül- és beltéri építészeti elemeknél is alkalmazzák. Tipikus termékek: csövek, folyadéktároló edények, teherhordó konstrukciók, hőcserélők, védőburkolatok, mezőgazdasági, textil-, és feldolgozóipari gépek, járművek, hajók alkatrészei, tartályalkatrészek. H22 és H11 állapotban, még a gépipar számára is elégséges. [38] Az ötvözetre jellemző fizikai tulajdonságokat a 17. táblázatban láthatjuk. Tulajdonság Érték Sűrűség 2,66 [Kg/ 10 ] Olvadáspont Hőtágulási tényező Rugalmassági modulus Hővezető képesség Elektromos vezetés 600 [ C] 2 10 1 0 68 [GPa] 147 [W/m K] 0,049 10 Ω 17. táblázat: 5754-es alumíniumötvözet fizikai tulajdonságai [39] Az anyag ötvöző tartalma erőírások által szabályozva van. A 18. táblázatban a műbizonylatban szereplő ötvöző tartalmat láthatjuk ami megfelel a BS EN 573-3:2009 szabvány szerinti megengedhető tartományainak. Az alapanyag műbizonylata a mellékletben található meg.

72 Alkotó elem Tartalom [%] Magnézium (Mg) 2,8 Mangán + Króm (Mn+Cr) 0,37 Mangán (Mn) 0,32 Szilícium (Si) 0,26 Vas (Fe) 0,31 Króm (Cr) 0,05 Cink (Zn) 0,06 Titán (Ti) 0,03 Réz (Cu) 0,04 Egyéb 0,0-0,15 Alumínium (Al) maradék 18. táblázat: 5754-es alumíniumötvözet kémiai összetétele [39] Egy tervezett szerkezet valamint a kötés által elvárt tulajdonságok szempontjából fontos mechanikai tulajdonságokat a 19. táblázat foglalja össze. A műbizonylatban szereplő értékek láthatóak a táblázatban. Ezeknek az értékeknek a helytállóságát is szabvány biztosítja, méghozzá lemezeknél a BS EN 485-2:2008 szabvány, ami 0,2 mm-től 40 mm falvastagságig érvényes. Tulajdonság Egyezményes folyáshatár (Rp0,2) Érték 190 MPa Szakítószilárdság (Rm) 239 Nyúlás (A50) 14,5 % 19. táblázat: 5754-es alumíniumötvözet mechanikai tulajdonságai [39] Az műbizonylat adatai megfelelnek a szabványban előírt értékeknek, valamint ennek tudatában a szerszám tervezéséhez szükséges minden információ a rendelkezésünkre áll.

73 Szerszám tervezéseinek megfontolásai Szerszám anyaga Az előző pontokban leírtak alapján megismertük a technológia paraméterek tartományait és a hegesztendő alapanyagot. Ezekhez mérten a szerszám anyagának a következő tulajdonságoknak kell megfelelnie: kopásállóság, nagy szilárdság és hőállóság, szívósság. Szerszám anyagunk megválasztása ennek megfelelően és a lehetőségekhez mérten az 1.2567 jelölésű (30WCrV15-1) szerszámacélra esett. Ez egy melegalakító szerszámacél, amely magas hőmérsékleten is megfelelő mechanikai tulajdonságokat mutat és a szerszám élettartamát jelentősen csökkentő meleg koptató hatással szembeni ellenállás is nagyon jó. [14] Alumíniumötvözetek hegesztéséhez tökéletesen megfelel. Szerszám geometria A kísérlet végeredményének és az eljárás képességeinek szempontjából a legfontosabb a szerszám geometriája. Ennek tervezésekor a következő tényezőket kell figyelembe vennünk: munkadarab és szerszám anyaga, kötés típusa, berendezés paraméterei, anyagáramlás mértéke, tapasztalatok. A szerszámgeometria tervezésénél a tű és a váll kialakítása a legfontosabb. Ezek képesek meghatározni a kötés tulajdonságát azáltal, hogy a keveredő anyagok áramlásának intenzitását és irányát befolyásolják. A keveredés természetesen kapcsolatban áll a berendezésen beállított paraméterekkel (fordulatszám, hegesztési sebesség) de egy rosszul kialakított szerszámmal a megfelelő mértékű keveredés nem érhető el. [14] Váll tervezése A szerszám váll első számú feladata a súrlódás okozta hő előállítása a felületi és a felszín alatti anyagrészeknél. Tapasztalatok szerint elmondhatjuk, hogy vékony lemezeknél a váll, míg vastagabb lemezeknél a tű a meghatározó a hőbevitel tekintetében.

74 A szerszám váll átmérőjének növelésével a súrlódó felületek mérete növekszik így nagyobb mértékű hőbevitel érhető el. A 45. ábrán a váll átmérő és az elérhető maximális hőmérséklet kapcsolatát láthatjuk a különböző fordulatszámon mérve. [39] Ez az érték viszont kompromisszumokat követel mivel a túlságos átmérő növelés hatására a sajtolóerő is növekedik, ami hatással van az elérhető mechanikai tulajdonságra. 45. ábra: A váll átmérője és a képződő hő közötti kapcsolat [14] A második fejezetben leírtak alapján a váll felülete (sík, barázdált) és alakja (homorú, domború, lapos) is képes befolyásolni az elérhető minőséget. Ezen kialakítások alkalmazására nem volt lehetőségünk azok bonyolultsága miatt, ezért egyszerű felületek alkalmazását helyeztük előtérbe. Az irodalomjegyzékben felelhető tanulmányok tapasztalatai alapján, megfelelő kialakítás lehetett volna számunkra a homorú váll alak és annak felületén koncentrikusan elhelyezett csatornák kimunkálása. Ezek a kötés minőségét és a berendezés technológiai paramétereinek megválasztását képesek befolyásolni. Tű tervezése A szerszámtű érintkezése az anyaggal a legjelentősebb, a képlékeny alakítást és a súrlódás okozta hő egy része is ekkor keletkezik. A tű kialakítását úgy kell megválasztani, hogy az érintkező lemezek anyagába való behatolásakor ne sérüljön, ne törjön el. Az illesztés vonalában való végig haladáskor a szerszám geometriája az anyagok áramlását, keveredését kedvezően befolyásolja és a gyökoldalon is megfelelő legyen a kialakult kötés Szerszámunknál a következő megfontolások szerint választottunk a jellegzetes geometriák közül.

Tűvég 75 A lekerekített fenék kialakítás alkalmazásával csökkenthetjük a szerszám igénybevételének mértékét az alapanyagba való behelyezésekor valamint a varrat gyök oldalán is elérhetünk javulást közvetlenül a szerszám alatt. A lekerekítés ideális értéke a tű átmérő 75%-az, ez esetünkben jóval csekélyebb. A behatolás okozta terhelések kompenzálására a hegesztést lemez oldalról való megkezdésével és súrlódással elért előmelegítéssel hajtjuk végre. Tű alakja A tű alakja csonka kúp, ami vékony lemezek kötésére, nagy hegesztési sebesség mellett alkalmas. A geometria által nagyobb hő fejlődés, melegképlékeny alakváltozás és megnövekedett intenzitású áramlás érhető el, ami a keveredést elősegíti. Az ezáltal megnövekedett terhelés a tű szélesebb keresztmetszeteinél hat, így a szerszám élettartama sem romlik rohamosan. Tű palástfelülete A palástfelületen kimunkált geometriák segítségével képesek vagyunk az anyag áramlását befolyásolni a tű körül. Az akár turbulens áramlást létre hozva hatékony keveredést kaphatunk eredményül, ez biztosít arról, hogy a sebesség növelésének hatására sem romlik az előírt minőség. A számunkra legegyszerűbben kialakítható ilyen geometria a menetes profilú tű. Irodalomkutatás során a leghatékonyabbnak a balmenetes típust találtam [1], amit ha az óramutató járásával megegyező irányba forgatunk, elérhetjük, hogy az alapanyag többször is keveredjen a tű körül, mielőtt a szerszám mögé kerül. Ez a jelenség elősegíti anyagok keverődését, csökkenti az üregek bezáródását és javítja az oxid bontást. [1] A szerszám rögzített típusú, a beálló és állítható szerszámra adott körülmények között nincs szükség. Kísérletünk ennél összetettebb geometria kialakítást nem igényel, ezenfelüli teljesítmény fokozás érdekében további mérlegelés szükséges. [1] 3.2. A szerszám geometriák A következőkben a két szerszám kialakítását ismertetem. Az 1-es szerszám, amellyel a nyári gyakorlat során készítettünk kötéseket, a 2-es pedig az eddig elért teljesítmény növelésének céljából tervezett szerszám. A geometria optimalizálása az

76 irodalomkutatás és a próba hegesztések során tapasztalt eredmények segítségével volt lehetséges. A szerszámok műszaki rajzai a mellékletben találhatóak. 1-es szerszám A szerszám geometriája egy korábbi publikációból származik.[18] A geometria tervezésének szempontja ebben az esetben a létrehozott kötés minőségének javítására és az újrakristályosodás kialakulására irányult. A szerszám váll sík érintkező felülettel rendelkezik, a tű lépcsős kialakítású ahol az átmérő három lépcsőben változik. A szerszám kialakítása a 46. ábrán látható. A jellemző átmérők csökkenő sorrendben a következők, 8 mm, 6 mm, 4 mm. A különböző falvastagságoknál eltérő alakváltozási 46. ábra: Az 1-es szerszám geometriája sebesség, hőmérséklet és deformáció alakul ki, így jobb minőség érhető el a varratban, mint egyszerű szerszám geometriával. A megfelelő újrakristályosodás létrejöttéhez a szerszámmal az 20. táblázatban látható paramétereket használtuk, így kis hőbevitel Fordulatszám Hegesztési sebesség Szerszám döntési szöge Szerszám geometria 400 [1/min] 100 [mm/min] 1 [ ] 20. táblázat: A 1-es szerszám technológiai paraméterei [18] mellett alacsony mértékű alakváltozási sebességet érhetünk el hegesztés közben.[18] Az ehhez tartozó előzetes hegesztési utasítást a melléklet tartalmazza.

2-es szerszám 77 A szerszám geometriájának végső formáját a 13. ábrán láthatjuk. Az előzőkben felsorolt szempontokat, megfontolásokat, véleményeket, tapasztalatokat és lehetőségeket mérlegelve jutottunk el az ábrázolt geometriához. Röviden, a szerszám optimalizálása a termelékenység növelését célozza meg. Ezt úgy vagyunk képesek növelni, ha a hegesztési sebesség növelésével a jó minőség és a reprodukálhatóság továbbra is garantált. 47. ábra: A 2-es szerszám geometriája Az átmérők és a felületek növelésével képesek vagyunk nagyobb hőbevitel létrehozására, ezáltal a melegképlékeny alakításhoz szükséges hőmérsékleti feltételeket megteremteni. A megnövelt csonka kúp alap átmérője biztosítja, hogy a szerszám nagy sebességnél se törjön el. A szerszámtű palástjának menetesre munkálásával a meglágyult anyagrészek vertikális áramlásának intenzitása növekszik, így az anyagrészek képesek megfelelő mértékben keveredni annak ellenére, hogy a nagy hegesztési sebesség következményeképpen a szerszám csak rövid időt tölt a varrat vonalában. A tapasztalatok alapján a csonka kúp alakú tű alapját 9 mm-re, a tűvég átmérőjét pedig 6 mm-re növeltük, majd palástfelületét finom menettel láttuk el. A következőkben arra a felmerülő kérdésre keressük a választ, hogy ezek az egyszerű módosítások mennyiben képesek befolyásolni a kötések minőségét és a megválasztandó technológiai paramétereket.

78 3.3. Kísérletek különböző paraméterekkel A szerszámgeometria eredményességét próba hegesztésekkel vizsgáltuk. Ez a már bemutatott berendezésen történt, ahol különböző technológiai paraméterek (fordulatszám, hegesztési sebesség) kombinációjával próbáltunk hegeszteni. A 48. ábra: A kísérleti hegesztés környezete kísérletek során az egyszerű és gyors eredmény kimutatása érdekében nem illesztet lemezeket, hanem csak az alapanyagban való végighaladással készítettünk próba varratokat. A varratokat később szétvágtuk majd szemrevétezéssel és a makroszkopikus képek vizsgálatával állapítottuk meg mely paraméterekkel készítet kötések az elfogadhatóak. A kísérlet során 6 darab varratot készítettünk, ebből 4 db-ról már szemrevételezés során kiderült, hogy megfelelőek. Az 1-es szerszám technológiai paramétereit könnyedén teljesítette, majd további eredményeket értünk el a szerszámmal. 49. ábra: A próba hegesztések gyök és korona oldalai, az1., 2., 3., 4. sorszámok

79 A kialakított varratokat a 49.ábrán láthatjuk ahol a korona és a gyökoldalt is szemügyre vehetjük. A 4. sorszámú varratnál a megnövekedett sajtolóerő hatására az anyag kigyűrődése jelentkezett, de erről is elmondhatjuk, hogy a keveredés megfelelően ment végbe. A gyökoldalon jól látható a hegesztési hőmérséklet hatására körvonalazódó hőhatásövezet, emiatt biztosak lehetünk, hogy a tű a falvastagság teljes tartományában képes az anyagok keveredését biztosítani. 50. ábra: A próba hegesztések gyök és korona oldalai, a 4. és 5. sorszámok Az 5.-6. sorozatszámú varratok minősége már kifogásolható volt, a kötés létre hozása lehetséges, de a durva felület és a szétvágást követő ellenőrzés arra a következtetésre ad okot, hogy a minőség fenntartása ezeknél a paramétereknél már nem mondható el biztonsággal. Az 50. ábrán jól látható az eltérés az 1.-4. sorozatszámúakkal szemben. A durva felület, véletlenszerű hibák és eltérések előfordulását segíti elő ezáltal a reprodukálhatóság bizonytalanná válhat. A makró képek elkészítéséhez az 1-4. sorszámú varratokat javasoltuk. Az 51. ábrán a makró képeken látható, hogy az anyag keveredése minden esetben megfelelő minőségű, a 4. sorszámú varrat kötésében látható kisebb gyökoldali eltérés, de ez még teljes mértékben elfogadható. A 21. táblázatban láthatjuk a paraméterek kombinációját, és a velük kialakított kötések megfelelőségét.

80 51. ábra: A jelölt sorozatszámú kötésekről készült makróképek Azonosító Fordulatszám [f/min] Hegesztési sebesség [mm/min] Minőség 1. 400 100 megfelelő 2. 400 160 megfelelő 3. 400 250 megfelelő 4. 400 315 megfelelő 5. 400 400 eltérések 6. 630 400 eltérések 21. táblázat: A kísérleti hegesztések paraméterei 3.4. Megválasztott paraméterek A kísérleti hegesztésre a 3. sorszámú kötéshez tartozó paramétereket választottuk. Ez számunkra már így is bíztató két és félszeres hegesztési sebesség növekedést jelent a paraméterek szerint. A kötés mind a szemrevételezésnél, mind a makroszkopikus képek vizsgálata alapján azt mutatja, hogy az előírt minőséget biztonsággal képes tartani, hibáktól és eltérésektől mentes. Annak érdekében tehát, hogy ki tudjuk jelenteni, hogy a szerszám valóban képes-e a megfelelő követelmények teljesítésére, a következőkben a kísérleti hegesztést követően az MSZ EN 15614-2:2005 szabvány által előírt, roncsolásos és

81 roncsolásmentes vizsgálatok segítségével fogunk meggyőződni. A kísérleti hegesztéshez kiválasztott paramétereket a 22. táblázatban láthatjuk mind a két szerszámra. A hegesztés sikerességében bízva ezeknek az előzetes hegesztési utasítása a mellékletben megtalálható és azokat a következő fejezet pontjai szerint végezzük el. Fordulatszám Hegesztési sebesség Szerszám döntési szöge Szerszám geometria 400 [1/min] 100 [mm/min] 1 [ ] 400 [1/min] 250 [mm/min] 2 [ ] 22. táblázat: A megválasztott technológiai paraméterek

82 4. A TERVEZETT SZERSZÁMMAL VALÓ KÍSÉRLETI HEGESZTÉS A kísérleti hegesztést az előzetes hegesztési utasítás (pwps) és a szabványok segítségével készítettük el. Mivel az 1-es szerszámmal végzett hegesztés már előzetesen egy másik tanulmány révén elkészült ezért most csak a 2-es szerszámmal végzett kísérletet ismertetem részletesen. [18] A megfelelő vizsgálati pontokban pedig mind a két szerszámmal elért eredmények bemutatásra kerülnek. 4.1. Hegesztési munkadarabok elkészítése A hegesztési próbadarabok méreteit anyagtakarékosság miatt nem az MSZ EN 15614-2:2005 szabvány szerint, de annak útmutatásait figyelembe véve készültek. A hegesztési próbadarabok jellemző méreteit az 52. ábrán és a hozzá tartozó jelölések ismertetésénél láthatjuk. 52. ábra: A munkadarabok jellemző méretei Jelölések: 1: Élelőkészítés és illesztés a pwps-nek megfelelően (pwps 001,002) a = 80 mm b = 300 mm t = 6 mm

83 Az 5754 H22 jelölésű 6 mm falvastagságú alumínium ötvözetett fűrészeléssel darabolták méretre majd a felülettisztítását követően PA pozíciójú hegesztéshez lettek előkészítve. A lemezek előírt illesztését az 53.ábrán láthatjuk. 53. ábra: A pwps-02 szerint előírt illesztés 4.2. Hegesztési körülményei Az előzetes hegesztési utasításnak megfelelően a berendezés paramétereit beállítottuk és a hegesztendő munkadarabokat előkészítettük. A lemez felületének tisztítása megtörtént és azokat közel nulla illesztési hézaggal helyeztük az alátétlemezre. A hegesztési környezet az 54. ábrán látható, ahol a lemezeket több 54. ábra: A hegesztési környezet

84 ponton is rögzítettük az alátét lemezhez, hogy azok ne mozdulhassanak el a fellépő erők hatására. A szerszámot a megadott fordulatszámmal forogatjuk, majd a munkadarabhoz közelítjük. A szerszámot az illeszkedő lemezekhez érintjük néhány másodpercen keresztül, ahol a súrlódás hatására előmelegítést alkalmazva megkönnyítjük a szerszám elindulását az illesztési vonalban. Ezt követően az előírt előtolással a szerszámot végig vezetjük az az illesztés vonalán. A berendezés korlátaiból adandóan a szerszám útját figyelemmel kell kísérni hegesztés során. A szerszám kitérhet a varrat vonalból illetve a sajtoló erő lecsökkenhet, adott esetben ezeket korrigálni szükséges. Korszerű gépek esetében az 55. ábra: A 2. szerszámmal készült varrat ilyen jellegű eltéréseket az automatizált rendszerek segítségével küszöbölik ki. Az elkészült varratot az 55. ábrán láthatjuk. A kötés létrehozásánál nem alkalmaztunk, befutó és kifutó lemezeket mivel a szabvány szerinti ellenőrzés szempontjából, ezek az anyagrészek eltávolításra kerülnek. A varrat tulajdonságait és megfelelőségét a következő pontokban a szabvány által előírt anyagvizsgálatok alapján részletezem. 4.3. A minősítéshez szükséges anyagvizsgálati módszerek A hegesztéstechnológiákat minősítő eljárásvizsgálatokat az MSZ EN ISO 15614-2:2005 szabvány szerint kell elvégezni, a hegesztési technológia jóváhagyása esetén

85 pedig kiállítják a minősítés jegyzőkönyvét, a WPQR-t (Welding Procedure Qualification Record). Az MSZ EN ISO 15614-2:2005 szabvány 1. táblázata előírja a vizsgálatok fajtáit különböző kötéskialakítások esetére, teljes átolvadású tompavarratra a következő vizsgálatokat írja elő: 100% szemrevételezés, 100% radiográfiai vagy ultrahangos vizsgálat, 100% penetrációs keresztirányú szakítóvizsgálat (2 db próbatest), keresztirányú hajlítóvizsgálat (2 db próbatest gyökoldalról és 2 db próbatest korona oldalról) vagy ütővizsgálat öntött anyagokhoz, öntött és kovácsolt anyagokhoz, makrovizsgálat (1 db próbatest). Amennyiben a hegesztéstechnológia megfelelő, az előzetes hegesztési utasítás (pwps) gyártásba adható hegesztési utasításként (WPS). Szemrevételezés A szemrevételezéses vizsgálatot az MSZ EN ISO 17637:2011 szabvány szerint kell elvégezni a hegesztett kötésre vonatkozóan 100%-os terjedelemben. Az 56. ábrán a korona és a gyök oldal látható. A megnövelt sebesség hatására a korona oldalon létre jövő durva felület és anyag kihozatal nincs befolyással a mechanikai tulajdonságokra viszont esztétikailag nem elfogadható és utómunkálatokat igényel. A gyökoldalon a 56. ábra: A varrat korona és gyök oldala szerszám sikeresen egymásba keverte az anyagrészeket a varrat egész hosszában és falvastagságában. A vizsgálat során a próbadarabon az MSZ EN ISO 5817:2004 szabvány szerinti B elfogadhatósági szintjénél nagyobb eltérések nem voltak láthatóak

Roncsolásos vizsgálatok 86 A roncsolásos vizsgálatok próbatesteit anyagtakarékosság miatt nem az MSZ EN 15614-2:2005 szabvány szerint, de annak útmutatásait figyelembe véve munkáltuk ki a tompavarratos próbadarabból. Ennek vázlatát az 57. ábrán láthatjuk, mellette pedig a már kimunkált próbatestek láthatóak. 57. ábra: Kimunkált próbatestek A szabvány útmutatását figyelembe véve tehát a következő próbatestek lettek kimunkálva: keresztirányú szakítóvizsgálat (3 db próbatest), keresztirányú hajlítóvizsgálat (2 db próbatest gyökoldalról és 2 db próbatest korona oldalról) makrovizsgálat (1 db próbatest). Szakítóvizsgálat A hegesztett kötés keresztirányú szakítóvizsgálatára vonatkozó előírásokat az MSZ EN ISO 4136:2013 szabvány tartalmazza. A hegesztett kötésből keresztirányban kivett próbatestre, annak szakadásáig folyamatosan növekvő húzó terheléssel kell hatni, így meghatározható a szakítószilárdság és a szakadás helye. A próbatesteket úgy kell a hegesztett kötésből kivenni, hogy forgácsolást követően a hegesztési tengely a próbatest vizsgálati szakaszának közepére kerüljön. Minden próbatesten fel kell tüntetni azon próbadarabban elfoglalt helyét, amelyből kimunkálták. A próbadarabból való kivételt követően minden próbatestet jelölni kell. A próbatest vastagsága a vizsgálati hossz mentén legyen állandó, ömlesztő hegesztések esetén a varratdudort teljes mértékben el kell távolítani.

87 Az elkészült kötésből keresztirányú szakítóvizsgálathoz három darab négyzetes keresztmetszetű próbatestet munkáltak ki, ami az 58. ábrán látható. Jellemző méreteik a vizsgálati szakasz szélessége b 15, a vizsgálati hossz 9 : =45 és a falvastagság( 6. Az 1-es szerszámmal végzett kötésnél ezek a méretek: <=15,1; 9 : =45 ; (=5,75. 58. ábra: Keresztirányú szakítópróbatest A szakítóvizsgálatokat egy MTS gyártmányú, számítógéppel vezérelt, elektorhidraulikus univerzális anyagvizsgáló berendezésen (MTS 810.23-250 kn) végezték el, ami az 59. ábrán látható. 59. ábra: MTS univerzális anyagvizsgáló berendezés A szakadásig rögzített adatokból elkészíthető a szakítódiagram (60.ábra), ezek a 6. számú mellékletben megtalálhatóak. A három érték közel megegyező értéket mutatott, ebből egyet választva számoltunk tovább. Az első szerszámnál végzett kísérletnél a

88 mért maximális terhelő erő 4 %?@ ; 19,885 kn így a szakítószilárdsága $ % ; 229 &'(, a második szerszámmal végzett kísérletnél az 4 %?@ ; 20,545 kn így $ % ; 224,54 &'(. Ez azt jelenti, hogy a 2. szerszámmal létrehozott kötés mechanikai tulajdonságai minimális értékkel eltérnek az 1.-es szerszámmal készített varratéttól, ezek mechanikai tulajdonságai közel megegyeznek. A szabvány által elvárt követelményeknek azonban megfelel, ami előírja, hogy az alakított állapotú alumíniumötvözetek hegesztett kötéseinél a varrat szakítószilárdságának a normál állapotú alumíniumötvözet szakítószilárdságát kell teljesítenie. Ez esetben az 5754-O alapállapotú alumíniumötvözet előírt szakítószilárdsági értéke 215 MPa, ezt az értéket a 2. szerszámmal végzett kötés is teljesíti, tehát megfelel. 60. ábra: Az 1-es és a 2-es szerszámhoz tartozó próbadarabok szakítószilárdsága Hajlítóvizsgálat A kötésünkből a próbadarabok az MSZ EN 910:1999 szabvány előírásainak megfelelően lettek kimunkálva. A vizsgálat során két darab gyökoldali és két darab 61. ábra: A hajlítóvizsgálat