Jak informuje na swoich stronach Wojskowa Akademia Techniczna, uczelnia jako jedyna w Polsce posiada profesjonalną maszynę do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem. Dr inż. Robert Kosturek z Instytutu Robotów i Konstrukcji Maszyn Wydziału Inżynierii Mechanicznej sprawdza, jak silny materiał wybuchowy musi zostać użyty, aby poprawić wytrzymałość zgrzewanego połączenia. Prace prowadzi w ramach projektu Miniatura 5 Narodowego Centrum Nauki.

Jak wyjaśnia cytowany w informacji prasowej naukowiec, w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i kolejowym, czyli wszędzie tam, gdzie wymagana jest zarówno wysoka wytrzymałość, jak i lekka konstrukcja – szeroko stosowane są stopy aluminium. Te wysokowytrzymałe dorównują wytrzymałością niektórym stalom konstrukcyjnym, a posiadają przy tym niższą masę. Przekłada się to na niższe zużycie energii, a więc i paliwa.

PROBLEM TKWI W POŁĄCZENIACH

Dr inż. Kosturek tłumaczy, że połączenia spójnościowe są niezbędne przy wykonywaniu konstrukcji o złożonych kształtach. Stale konstrukcyjne można łatwo i skutecznie spawać. Inaczej jest z wysokowytrzymałymi stopami aluminium, których spawalność jest zła, spoiny mają tendencją do pękania, a trwałość uzyskiwanych połączeń jest relatywnie niska.

Spawanie można jednak zastąpić inną techniką. W latach 90. minionego stulecia opracowana została rewolucyjna wówczas technika – zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem materiału zgrzeiny, tzw. FSW (ang. friction stir welding). Jakie są jej przewagi?

Jak wyjaśnia na łamach strony uczelnianej naukowiec, podczas procesu spawania połączenie zachodzi na drodze krystalizacji ciekłego metalu. Tu jest inaczej. W nowej technice dwa elementy można połączyć poprzez miejscowe przemieszanie ich materiału, znajdującego się w stanie tzw. wysokiego uplastycznienia.

„Znaczy to tyle, że materiał wciąż znajduje się w stanie stałym, ale na skutek oddziaływania wysokiej temperatury i siły, daje się łatwo formować podobnie do plasteliny” – tłumaczy specjalista inżynierii materiałowej z Wojskowej Akademii Technicznej. WAT, jako jedyna uczelnia w Polsce, posiada profesjonalną maszynę do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem – ESAB Legio 4UT. Proces można przeprowadzić w Instytucie Robotów i Konstrukcji Maszyn Wydziału Inżynierii Mechanicznej WAT.

Badacz zapewnia, że zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem eliminuje wiele problemów ze spajaniem stopów aluminium. Jak zapewnia ekspert, połączenia uzyskiwane na drodze odkształcenia plastycznego odznaczają się na ogół lepszymi parametrami wytrzymałościowymi. Obecnie ta technika łączenia święci triumfy w przemyśle motoryzacyjnym (elementy nadwozia Audi R8), kolejowym (panele podłogowe pociągu Shinkansen) i kosmicznym (zbiorniki paliwowe rakiet firmy SpaceX).

WYBUCHOWE ROZWIĄZANIE

Dr inż. Kosturek przyznaje, że podstawowym problemem jest spadek wytrzymałości materiału w miejscu połączenia. Wyjaśnia, że w strukturze stopów aluminium występują drobne wydzielenia. Są one wrażliwe na wysoką temperaturę i na skutek oddziaływania ciepła ulegają rozpuszczeniu. Dlatego badacze muszą się liczyć ze spadkami wytrzymałości łączonego stopu.

Ekspert wskazuje, że naukowa walka o wytrzymałość tych połączeń toczy się na dwóch frontach. Po pierwsze należy dobrać parametry procesu zgrzewania tak, aby spadki wytrzymałości były jak najmniejsze. Po drugie wykonane połączenia należy poddać różnego rodzaju dodatkowym obróbkom postprocesowym, poprawiającym ich wytrzymałość.

Znaczną część problemów technologicznych da się, zdaniem badacza WAT, rozwiązać poprzez zastosowanie materiałów wybuchowych. Dr inż. Robert Kosturek w swoich pracach stosuje rozmaite materiały wybuchowe, aby umocnić zgrzewane połączenia materiału szeroko stosowanego m.in. w elementach rakiet i konstrukcji lotniczych. Ideą takiej obróbki jest oddziaływanie falą uderzeniową, wygenerowaną podczas detonacji materiału wybuchowego, na obszar materiału osłabiony w procesie zgrzewania.

„Taka fala uderzeniowa powoduje lokalne umocnienie materiału na skutek silnego zdefektowania struktury. Zakłada się, że wybuchowe umocnienie połączenia zgrzewanego pozwoli na częściową kompensację spadku wytrzymałości, który nieodłącznie towarzyszy procesowi łączenia FSW” – wyjaśnia naukowiec.

Zaznacza, że materiały wybuchowe z różną siłą oddziałują na obrabiany materiał. Dr inż. Kosturek sprawdza, jak silny materiał wybuchowy musi zostać użyty, aby otrzymać istotną poprawę wytrzymałości połączenia zgrzewanego. „Od strony technicznej wygląda to tak, że na blasze aluminiowej zawierającej połączenie zgrzewane FSW umieszcza się warstwę materiału wybuchowego, której detonację następnie inicjuje się za pomocą zapalnika elektrycznego” – tłumaczy.

Ekspert WAT obserwuje mikrostrukturę połączeń, bada mikrotwardość i statyczne próbki rozciągania dla różnych wariantów wybuchowo umocnionego połączenia FSW (rodzaj materiału wybuchowego, grubość warstwy etc.). Sprawdza, jak wybuchowa obróbka wpływa na właściwości połączeń FSW wysokowytrzymałych stopów aluminium.

Naukowiec zaznacza, że choć połączenia FSW swymi właściwościami deklasują wszelkie inne techniki spajania stopów aluminium, to walka o podnoszenie ich parametrów wytrzymałościowych dopiero się rozpoczyna.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk