A kavaró dörzshegesztés átalakítása polimer anyagokhoz Kiss Zoltán * PhD hallgató, dr. Czigány Tibor * tanszékvezet" egyetemi tanár 1. Bevezetés A m!szaki polimerek egyre nagyobb térhódításával az olcsó gazdaságos gyártás mellett párhuzamosan növekszik az igény, hogy ezek a termékek egyre bonyolultabb m!szaki eszközökbe kerüljenek beépítésre, sokszor helyettesítve a fémeket, ezáltal gazdaságosabbá, könnyebbé téve azokat. Ez a tendencia sok más területen is megfigyelhet". A m!anyagipar egyes technológiáit el"ször fémekre vezették be, majd megfelel"en optimalizálták, finomítták a módszereket. A kavaró dörzshegesztés (angolul Friction Stir Welding, röviden FSW) is ilyen technológia, amelyet fémekre és ötvözeteikre már sikeresen alkalmaznak. El"ször 1991-ben a THE WELDING INSTITUTE mutatta be a Thomas és munkatársai által szabadalmaztatott eljárást [1], ami gyorsan elterjedt a gyártásban is. A napjainkban folyó széleskör! kutatások els"dleges célja a szerszámfejlesztés és az eljárás gazdaságosabbá tétele, illetve a hegesztés során kialakuló varrat mikro-szerkezetének tanulmányozása [2]. A technológiát m!anyagokra is adaptálják, bár ezzel kapcsolatban csak néhány, többnyire poliolefinekre vonatkozó publikáció látott napvilágot. Ennek magyarázata, hogy ezzel a hegesztési módszerrel legkönnyebben tompavarratot lehet létrehozni relatív vastag lemezek esetén, ezáltal leginkább a polietilént és a polipropilént felhasználó tartálygyártásban van jelent"- sége. Természetesen a technológia alkalmassá tehet" sarokvarratok vagy átlapolt kötések kialakítására, valamint a nagyobb szilárdságú m!szaki m!anyagok is hegeszthet"k így. Világszerte els"sorban az er"sít"anyagokat tartalmazó, h"re lágyuló m!anyagok esetében történik intenzív kutatás megfelel" kötési technológia kidolgozása kapcsán, ahol az er"sít" anyagok összekapcsolása jelenti a f" problémát [3], de ezen a téren az FSW módszert nem alkalmazták. Er"sítés nélküli h"re lágyuló polimereknél sem ismerjük pontosan az FSW hegesztés során fellép" mikrostrukturális változások okait, bár ezek más m!anyag hegesztésnél már ismertek [4, 5]. Ennek ellenére már 90% feletti jósági fokkal tudunk hegesztett kötéseket létrehozni, és az FSW módszerrel akár rövidszálas er"sítés!, h"re lágyuló mátrixú kompozitokat is hegeszteni tudunk úgy, hogy a létrejött varratban az er"sít"szálak kapcsolódni tudnak egymáshoz. Az FSW alkalmazásának területe igen sokrét! lehet, hiszen a technológia nagyon egyszer!, csak egy marógép és egy megfelel" geometriájú szerszám kell hozzá, de természetesen egy hegeszt"robotra szerelve bonyolult varratokat is létre lehet így hozni. A hegesztés min"ségét az el"tolás, a fordulatszám, a szerszámgeometria és a simító váll együttesen határozza meg [6]. Cikkünkben bemutatjuk az FSW módszer polimerekre történ" adaptálását, a szükséges átalakításokat és az arra adott megoldásainkat. 2. A kavaró dörzshegesztés bemutatása A módszer lényege, hogy egy forgó szerszám elhalad a hegesztend" lemezek között, a súrlódás során keletkezett h" segítségével megolvasztja, majd az ömledéket összekeveri, melynek következtében a szerszám mögött kialakul a varrat. A hegesztés végén a szerszámot egyszer!en kiemelik. Az 1. ábrán láthatók a hegesztés menete és a hegesztési zónák. A szerszámok kialakítása rendkívül változatos, számos szabadalommal védett geometriai alak létezik a hegesztend" anyagok (alumínium vagy egyéb könny!fémek, illetve ezek ötvözetei) függvényében [2]. A hegeszt" orsón kívül a szerszámmal együtt forgó váll felületi kialakításának is nagy jelent"- séget tulajdonítanak, ugyanis ennek feladata egyrészt plusz hegesztési h" biztosítása a súrlódás révén, illetve a szerszám körül megömlött anyagnak a varrattérben tartása. A váll ezen kívül lesimítja a varrat felületét, így utólagos felület-megmunkálás nem szükséges. A szakirodalomban fellelhet" megoldások polimerek 1. ábra. Kavaró dörzshegesztés elvi vázlata [2] M!anyag-feldolgozás *Budapesti M!szaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Polimertechnika Tanszék 2010. 47. évfolyam 4. szám 129
hegesztésére a fémek hegesztéséhez képest többé-kevésbé átalakítottak. Strand [7], a BRIGHAM YOUNG UNIVER- SITY munkatársa a szerszámmal együtt forgó váll helyett egy simító papucs alkalmazását vezette be, amelyben egy f!t"patront is elhelyezett (2. ábra). Ezzel járulékos h"t vitt a varratba, amelyt"l a hegesztés min"ségének javulását várta. Polipropilén varratok szilárdságát elemezte, els"sorban a hegesztés el"rehaladásának sebessége (el"tolási sebesség) és az alkalmazott szerszám átmér"- jének függvényében, illetve a simítópapucs h"mérsékletét is változtatta, 160ºC-os h"mérsékletet, 50 és 100 mm/min közötti el"tolási sebességet javasolt. A közel 12 mm átmér"j! szerszám jobb eredményt mutatott, mint a 8 mm átmér"j!, de felhívta a figyelmet arra, hogy ezek a megállapítások er"sen szerszámgeometria függ"ek. A fordulatszám hatását nem vizsgálta, illetve az alkalmazott szerszám pontos geometriáját sem közölte. Bár az irodalomban fellelhet" néhány megoldás az FSW módszer polimerekre történ" alkalmazására, de az alkalmazott szerszámok geometriai kialakítása, a hegesztési paraméterek pontos elemzése, a simítópapucs hosszának megválasztása, valamint a kiegészít" f!tés szükségességének elemzése hiányzik. Strand [7] hárompontos hajlító vizsgálatokkal ellen"rizte a varratok min"- ségét, és a varrat helyzetének függvényében két esetet is megkülönböztetett, de az itt tapasztalt eltérések okát nem fejtette ki elégségesen, illetve nem adott javaslatot az eltérések csökkentésére. Az FSW eljárást polipropilén és poli(etilén-tereftalátglikol) (PETG) anyagú polimer lemezek hegesztésére alkalmaztuk. A varratokon húzó- és hajlító vizsgálatokat végeztünk, illetve elemeztük a simítópapucs hosszának hatását is. 3.1. Kiegészít! f"tés nélküli simítópapucs bevezetése El"kísérleteink során els"sorban a hegesztés létjogosultságát kívántuk ellen"rizni polimerek esetében [8], a marási irányhoz képest ellentétes forgásirányú ujjmarókat alkalmazva. A megolvadt polimer ömledék varratban tartásához mindenképpen szükséges valamilyen leszorító megoldás alkalmazása, ezért a fémek hegesztésénél bemutatott, a szerszámmal együtt forgó vállat rögzítettünk az ujjmarókra. A hegesztés során a maróra rögzített váll érintkezett a hegesztend" lemezek fels" síkjával. Számos hegesztés után, és az összehegesztett lemezekb"l kivágott próbatestek szakítóvizsgálata alapján megállapítottuk, hogy megfelel" beállítások mellet a varrat szilárdsága megközelíti az alapanyag húzószilárdságának 80%-át (80%-os jósági fok), amit biztató eredménynek tartunk. A szerszámmal együtt forgó váll, bár funkcióját betöltötte, a varrat mentén elken"dött, rossz felületi min"séget eredményezett, ami nyilvánvalóan els"sorban esztétikai szempontokból nem megfelel". Ekkor döntöttünk a simítópapucs alkalmazása mellett, amit fém helyett teflonból készítettünk el (3. ábra), mert el"ny"s súrlódási tulajdonságai mellett a PP olvadási h"mérsékletén kell"en stabil, merev anyag, illetve számos egyéb m!anyag hegesztési eljárás is sikeresen alkalmazza (pl. az extruderes hegeszt"gépek teflon simító feje). 3. ábra. Teflon simító papucs 2. ábra. FSW eljárás polimerhez f!tött simító papuccsal [6, 7] 3. Eredmények Nagy különbség, hogy a szakirodalomban [6, 7] megtalálható, kiegészít" f!téssel ellátott simítópapucs alkalmazását feleslegesnek tartottuk, mert a szerszámorsó által gerjesztett h" b"ségesen elég a polipropilén megömlesztéséhez. A 4. ábrán, a h"kamerával készített képen látható az összeszorított lemez közé behatoló szerszám és a körülötte lév" anyag h"mérséklete. Természetesen a h"kamerás felvételekhez a papucsot el kellett távolítani, egyébként nem lett volna rálátásunk a szerszámra, pa- 130 2010. 47. évfolyam 4. szám
4. ábra. H"kamerás felvétel a PP hegesztésekor a szerszám körül kialakuló h"mérsékletr"l pucs nélkül viszont értékelhet" varrat nem jön létre. Mindenesetre így is látható, hogy a h"mérséklet eléri a kívánt 210ºC-ot, amennyiben a papucs is jelen van, akkor valószín!leg az elért h"mérséklet is magasabb lesz (egyrészt, mert a megömlesztett anyag nem tudja elhagyni a varratot, és a folyamatos nyírásnak kitéve tovább melegszik, illetve a teflon papucs h"szigetel" hatására is kevesebb h" tud eltávozni). Nemcsak a h"kamerás felvételek, hanem a hegesztések során így elért 90%-os jósági fokok is azt igazolják, hogy járulékos h"bevitel nélkül is kit!n" szilárdságú varratok hozhatók létre, persze a megfelel" el"tolási sebesség és fordulatszám mellett (5. ábra). A fordulatszámok az irodalmakban közöltekhez képest jóval magasabbak, elérik a 3000 3900/min értéket is, de kijelenthet", hogy ezek a hegesztend" anyag folyási tulajdonságaitól nagy mértékben függenek. Kísérleteink számának növekedésével a szórások is jelent"sen csökkentek, ami a megfelel" technológiai körülmények fokozatos kialakításának köszönhet", így kijelenthet", hogy a kavaró dörzshegesztéssel polimereknél is reprodukálható hegesztett kötések hozhatók létre. 5. ábra. Hegeszt" szerszám fordulatszámának hatása a varrat húzószilárdságára, állandó 25 mm/min-es hegesztési el"tolás mellett A hegesztési varratban kialakult áramlási viszonyok tanulmányozásához a 6. ábrán látható metszeteket készítettük el 10 mm vastag, színes polipropilén lemezek ösz- 6. ábra. FSW módszerrel összehegesztett színes PP lemezek szehegesztése után. A szerszám el"rehaladási iránya olyan volt, mintha az a kép síkjából kifelé jönne, másképpen megfogalmazva a szerszám haladási irányához képest a zöld lemez jobboldalt helyezkedett el (ez az oldal az ún. el"reáramlási oldal, míg a piros lemez felé a hátraáramlási oldal esett). A 6. ábrán megfigyelhet" a hegesztés közben kialakult tipikus hagymahéj-szer! áramlási kép, illetve, hogy a varrat rendkívül keskeny, gyakorlatilag a hegeszt" szerszám átmér"jével megegyez" szélesség!. A varratban és környezetében kialakuló h"hatásövezet tanulmányozásához a 6. ábrán látható színes lemezek összehegesztése nem volt elégséges, helyette átlátszó PETG-t alkalmaztunk, els"sorban feszültségoptikai vizsgálatok céljából. Viszont a PETG-nek a hegesztés h"- mérsékletén (kb. 200 230ºC) jóval kisebb a viszkozitása, mint a polipropilénnek. A PP folyási száma 2,16 kgos terhelésnél, 220ºC-on kb. 0,5 g/10 min, míg a PETG esetén ez az érték mintegy 16 g/10 min. Az már a polipropilén hegesztése során is kiderült, hogy túlságosan magas h"mérsékletre melegíteni az anyagot a degradáció veszélye miatt sem szabad, de 200 C h"mérséklet felett a PETG túlságosan kis viszkozitásúvá vált, emiatt könynyen utat talált magának a varratból történ" kilépéshez, akár a szerszám és a teflon találkozása mentén, akár a hegesztés során el"rehaladó simító papucs mögött (amikor már nem fedi a papucs a varratot). Világossá vált, hogy a teflon simítópapucs hosszúságának megválasztása a hegesztési paraméterekhez hasonlóan szintén a hegesztend" anyagtól függ. Fontos, hogy amikor a papucs elhagyja a varrat felületét, ott az anyag már megfelel" szilárdságúra h!ljön vissza, ugyanis a h"tágulás miatt a nagyobb térfogatú ömledék kitolódhat a varratból, ami nagy varratdudort eredményez, és a jó kohéziós kapcsolat kialakulására nyomás nélkül kevés esély van. Polipropilén esetén a papucs hosszúsága 30 40 mm-nél nem kell hosszabb legyen (3. ábra), ugyanakkor a PETG lemezeknél a polipropilénnel azonos hegesztési beállítások mellett, a 130 mm hosszú hegeszt"papucs is kevésnek bizonyult. Ilyenkor PETG-nél kézenfekv" megoldás a sokkal alacsonyabb fordulatszám és a nagyobb hegesztési el"tolás, amivel az egységnyi varrathosszra bevitt h" lecsökkent, a maximális h"mérséklet 200ºC alatt maradt (itt a viszkozitás kell"en nagy). 2010. 47. évfolyam 4. szám 131
7. ábra. Hajlítófeszültségek alakulása a varrat két eltér" oldala felöl különböz" fogásmélységek esetén 3.2. Varratok hárompontos hajlító vizsgálata, alátétlemezek alkalmazása M!anyaghegeszt" szakemberek köreiben elfogadott a Németországi Hegesztési Szövetség (DEUTSCHER VER- BAND FÜR SCHWEISSEN) által kidolgozott DVS 2203-5. számú hárompontos hajlító szabvány, amit tompahegesztett m!anyaglemezek min"sítésére alkalmaznak. E szabvány a min"sítést a maximális lehajlás alapján megfelelt és nem megfelelt elven különbözteti meg, lemezvastagságtól, anyagtól és hegesztési módszert"l függ"en. Diagramokból olvasható ki az a maximális lehajlás, amit a hegesztésnek károsodás nélkül el kell viselni (természetesen ezek csak irányadó értékek lehetnek, hiszen csak a polipropilénen belül is számos típust megkülönböztethetünk). Ezek az értékek polipropilén h"légfúvós és extruziós hegesztése esetén 10 mm-es lemezvastagságnál 13 mm-re, f!t"elemes (tükör) hegesztés esetén 19 mm-re adódnak. Az általunk hegesztett polipropilén lemezek legnagyobb értékei 14 15 mm között voltak, ami meghaladja a h"légfúvós hegesztéssel szemben támasztott minimum követelményt, de a h"tükrös hegesztést már nem éri el. Ez egybevág azzal a megállapításunkkal, hogy a szakítások után tapasztalható, akár 90%-os jósági fokhoz képest a h"tükrös hegesztések, szakirodalmi adatok alapján, igen jó, 95% feletti jósági fokkal rendelkeznek [5, 6]. Szinte csak a h"tükrös hegesztésnél mondható el, hogy a varrat közel hasonló alakú a lemez mindkét oldalán, mert a többi hegesztésnél a lemezekbe csak az egyik oldalról vezetünk be h"t, így ezekben az esetekben mindig más lesz a varrat fels" síkja (ún. koronaoldal), mint a varrat alsó síkja (gyökoldal). A hajlítóvizsgálatok során nem volt mindegy, hogy a varrat melyik oldalát tettük ki terhelésnek, hiszen ha a hajlító tüske a korona oldalt nyomta, akkor a varrat gyökoldala húzásnak volt kitéve, amit a gyengébb gyök nehezebben viselt el. Kavaró dörzshegesztés esetén a hegesztend" lemezek közé behatoló szerszám fogásmélysége nem haladhatja meg az összehegesztend" lemezek vastagságát, mivel a az ömledék egyszer!en alulról kifolyhatna. Ha a fogásmélységet túlságosan kicsire vettük (pl. 10 mm vastag lemez hegesztése esetén 8,4 mm-re), akkor a gyökoldalon marad egy összehegedetlen szakasz, ami a húzási igénybevételt nehezen viselte el (a 6. ábrán látható a varrat alján lév" összehegedetlen rész), mert err"l a részr"l, mint kvázi bemetszésb"l indult el a tönkremenetel, tehát ezt az összehegedetlen szakaszt lehet"ség szerint el kellett kerülni. 8,4 mm-es fogásmélység esetén, amikor a nyomótüske a koronaoldalt terheli, akkor kisebb hajlítószilárdság adódik, mint fordított esetben (7. ábra), azaz a varrat gyöke valóban gyorsította a tönkremenetelt. Amikor a hegesztés közben alátétlemezekkel a kifolyást megakadályoztuk, a szerszám fogásmélysége megközelíthette a lemez vastagságát. A leend" varrat alatt az alátétlemezre kisméret! (max. 1 mm mély és a szerszám átmér"jével megegyez") horonyt is készítettünk, így nagyobb fogásmélységgel (10 mm vastag lemez esetén 9,5 mm) nemcsak az összehegedetlen rész sz!nt meg, hanem a gyökoldal is kissé domborúvá vált. A koronaoldal felöli hajlítószilárdság itt nagyobbra adódott, mint a gyökoldali terhelésnél, de kevésbé jelentkezett a különbség a két oldal terhelése között, a varrat mindkét irányból eleget tesz a DVS 2203-5 elvárásainak. A 9,5 mm-es fogásmélység esetén tapasztalható gyengébb koronaoldal annak tudható be, hogy a gyökoldalon kialakuló domborulat miatt a varrat koronája homorúvá vált, és így kevésbé tudta elviselni a rá ható húzó igénybevételt. További kísérleteink során olyan simítópapucs és alátétlemez kialakítást alkalmazunk, amivel mind a gyökoldal, mind a koronaoldal alakja befolyásolhatóvá válik, tovább csökkentve a két terhelési mód közötti különbséget. Mindenesetre már a hegesztett lemezekb"l készült szerkezetek tervezésekor célszer! figyelembe venni a varrat szilárdságának irányfügg"ségét, hajlításra terhelt hegesztési varrat esetén úgy kell a varratot elhelyezni, hogy a gyengébb oldal nyomva legyen (pl. tartály esetén a gyenge oldalnak mindig a tartály belseje felé kell esnie). 4. Összefoglalás Cikkünkben a kavaró dörzshegesztés polimerekre történ" alkalmazásának néhány eredményét mutattuk be. Polimerek hegesztése esetén a módszer némi átalakítást igényelt a fémhegesztéshez képest, ami a hegeszt" szerszámmal együtt forgó váll helyettesítését jelentette egy fixen rögzített teflon simító papucsra. Kimutattuk, hogy a papucsba szerelt f!t"patron alkalmazása szükségtelen, a hegeszt"szerszám forgó mozgása elégséges h"t termelt a hegesztés létrejöttéhez. A varratok hajlítási igénybevétellel szemben eltér"en viselkedtek, attól függ"en, hogy a varrat koronaoldalát vagy a gyökét terheltük. Ezt egyrészt alátétlemezekkel, másrészt a szerszám fogásmélységének szabályozásával tudtuk befolyásolni. 132 2010. 47. évfolyam 4. szám
Irodalomjegyzék [1] Thomas, W. M.: Friction stir butt welding, International Patent Application No PCT/GB92, Patent Application No. 9125978.8, 1991. [2] Mishra, R. S.; Ma, Z. Y.: Friction stir welding and processing, Materials Science and Engineering, 50, 1 78 (2005). [3] Ageorges, C. Ye. L.; Hou, M.: Advances in fusion bonding techniques for joining thermoplastic matrix composites: a review, Composites: Part A, 32, 839 857 (2001). [4] Marczis, B.; Czigány, T.: Microstructure of the heat-affected-zone of hot gas welded polypropylen, International Polymer Processing, 46, 1173 1181 (2006). [5] Varga, J.; Ehrenstein, G. W.: A #-nukleált izotaktikus polipropilén feldolgozása V. Az izotaktikus polipropilén $- és #-módosulatának vibrációs hegesztése, M!anyag és Gumi, 43, 27 30 (2007). [6] Troughton, M. J.: Handbook of plastics joining: a particular guide, William Andrew Inc., New York, 2008. [7] Strand, S. R.: Effects of friction stir welding on polymer microstructure, MSc Thesis, Department of Mechanical Engineering, Brigham Young University (2004). [8] Kiss, Z.; Czigány, T.: Applicability of friction stir welding in polymeric materials, Periodica Polytechnica, 51, 15 18 (2007). 2010. 47. évfolyam 4. szám 133