Połączenia wystrzelone w kosmos – tylko w WAT

Zbiorniki paliwowe rakiet firmy SpaceX, elementy nadwozia Audi R8 czy panele podłogowe pociągu Shinkansen łączy wyjątkowa technika... spajania elementów. W Polsce to WAT, jako jedyna uczelnia techniczna, posiada profesjonalną maszynę do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem.

Dlaczego ta technika zastępuje klasyczne spawanie, tłumaczy badacz z Instytutu Robotów i Konstrukcji Maszyn Wydziału Inżynierii Mechanicznej dr inż. Robert Kosturek.

Jak wyjaśnia, 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 (gęstość aluminium stanowi ok. 35 proc. gęstości stali). Przekłada się to na niższe zużycie energii, a więc i paliwa.

PROBLEM TKWI W POŁĄCZENIACH
Wykonywanie konstrukcji o złożonych kształtach wymaga zastosowania połączeń spójnościowych. 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. Jak powszechnie wiadomo „siła łańcucha to siła jego najsłabszego ogniwa” – tym „ogniwem” są połączenia spójnościowe.

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 dr inż. Kosturek, 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 zvWojskowej 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.

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).

NAUKOWCÓW ŁĄCZĄ WYZWANIA
Łączenie wysokowytrzymałych stopów aluminium, z wykorzystaniem techniki FSW rodzi nowe wyzwania. Podstawowym problemem jest spadek wytrzymałości materiału w miejscu połączenia.

„Wysoka wytrzymałość rozpatrywanych stopów aluminium jest efektem występowania w ich strukturze bardzo drobnych wydzieleń. Są one wrażliwe na wysoką temperaturę i – mówiąc najprościej – na skutek oddziaływania ciepła ulegają rozpuszczeniu. Wysoka temperatura jest niestety nieodłącznym czynnikiem towarzyszącym procesowi FSW, więc ze spadkami wytrzymałości łączonego stopu po prostu musimy się liczyć” - przyznaje dr inż. Kosturek.

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.

WYBUCHOWE ROZWIĄZANIE
Znaczną część problemów technologicznych da się rozwiązać poprzez zastosowanie materiałów wybuchowych. Dr inż. Robert Kosturek w swoich pracach stosuje rozmaite materiały wybuchowe, aby umocnić zgrzewane połączenia stopu aluminium AA7075-T651, 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 WAT.

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.

Prace te są realizowane w ramach projektu nr 2021/05/X/ST8/01480 finansowanego w ramach konkursu Miniatura 5 przez Narodowe Centrum Nauki.

Fot. 1. Mikrostruktura połączeń zgrzewania tarciowego z przemieszaniem


Fot. 2. Maszyna do zgrzewania tarciowego z przemieszaniem


Fot. 3. Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem

oprac. Karolina Duszczyk w ramach cyklu Nauka i technologia
fot. Robert Kosturek