1

Rezumatul fazei III Lucrarea de faţă reprezintă faza III intitulată „Cercetarea comportării la sudare prin procedee hibride a grupelor de materiale de bază luate în considerare, materiale neferoase, oteluri inoxidabile, materiale noi. Elaborare tehnologii de sudare. Actualizare bancă de date. Diseminarea rezultatelor activităţilor de cercetare precompetitivă”, a proiectului Nucleu PN 18.33.01.01 având titlul “Tehnici și tehnologii neconvenţionale hibride de îmbinare a materialelor pentru aplicaţii industriale”. Proiectul şi-a propus să abordeze o analiză aprofundată, prin programe experimentale complexe, a efectelor posibile ale aplicării ultrasunetelor în procesul de îmbinare prin frecare cu element activ rotitor a materialelor metalice. Prin asistarea ultrasonică a procesului de sudare prin frecare cu element activ rotitor se urmăreşte în principal îmbunătăţirea curgerii materialului plastifiat, o mai bună amestecare a materialelor în timpul procesului de sudare, reducerea solicitării şi uzurii uneltei de sudare, obţinerea unor proprietăţi mecanice îmbunătăţite ale îmbinări sudate, etc. Este cunoscut faptul că tratamentul cu ultrasunete după sudare este aplicat pentru reducerea tensiunilor reziduale și pentru îmbunătăţirea rezistenţei la oboseală a îmbinărilor sudate obţinute atât prin metode de fuziune cât și prin metode non-fuziune. Mecanismele de bază ale impactului cu ultrasunete asupra structurii metalelor au fost analizate de cercetători şi specialişti. O altă metodă de tratare cu ultrasunete, abordată în cadrul prezentului proiect este cunoscută ca sudarea asistată cu ultrasunete, atunci când vibraţiile ultrasonice sunt introduse direct în zona de sudare folosind diferite tipuri de traductoare și unelte. Este raportat faptul că un astfel de tratament poate contribui la creșterea rezistenţei și a proprietăţilor tribologice ale îmbinărilor sudate prin frecare cu element activ rotitor (FSW), precum și la plastifierea suplimentară a metalului sudat . Obiectivul lucrării l-a constituit studierea eficienţei sudării prin frecare cu element activ rotitor, asistată cu ultrasunete FSW-US, pe îmbinări sudate cap la cap. Pentru îndeplinirea acestui obiectiv, în cadrul fazei precedente a proiectului s-a conceput şi realizat tehnica pentru aplicarea noului procedeu de sudare hibrid FSW-US. Sistemul de lucru realizat la nivel de model funcţional a fost verificat şi validat experimental în cadrul prezentei faze a proiectului. În cadrul prezentei etape a proiectului, cercetările s-au axat pe comportarea la sudare FSW-US a unor materiale metalice feroase și neferoase (aliaje de aluminiu și oţel). Lucrările realizate în prezenta fază a proiectului sunt structurate în 3 capitole. În primul capitol sunt prezentate câteva date generale, introductive care fundamentează ştiinţific şi tehnic dezvoltarea tematicii abordate în cazul prezentului proiect. De asemenea sunt prezentate condiţii de experimentare, informaţii privind dezvoltarea sistemului de sudare FSW asistat ultrasonic, componenţa acestuia, date privind modul de generare a căldurii datorate vibraţiei utrasonice, efecte posibile ale aplicării procedeului de sudare hibrid FSW-US la materiale cu temperatură de topire scăzută și temperatură de topire ridicată. Sunt prezentate aspecte privind condiţiile de experimentare, în perspectiva aplicării şi susţinerii noii metode de îmbinare hibride în vederea validării acesteia din punct de vedere ştiinţific şi tehnic.

PN 18.33.01.01-”Tehnici și tehnologii neconvenţionale hibride de îmbinare a materialelor pentru aplicaţii industriale”

2

Sistemul de sudare pentru aplicarea procesului de sudare hibridă este format în principal din următoarele componente principale (figura 1):maşina de sudare FSW-(1), sistem/module US (ansamblu rezonator mecanic şi generator US) - (2); dispozitiv poziţionare şi fixare piese de îmbinat - (3); sistem de monitorizare temperatură (camera termografie în infraroşu, sistem de poziţionare şi fixare camera termografică, laptop pentru achiziţie, stocare şi prelucrare date cu software specializat), (4); sistem de monitorizare forţă (datalogger cu aplicaţie software, traductor de forţă, sursă de tensiune modulară), (5).

Figura 1 Sistem de sudare FSW-US Unul din obiectivele cercetărilor efectuate în cadrul proiectului este legat de proiectarea şi construirea unui sistem ultrasonic capabil să integreze vibraţiile ultrasonice în sistemul FSW. Prin integrarea vibraţiilor ultrasonice în procesul FSW se aşteaptă să se obţină beneficii legate de creşterea calităţii sudurii, forţa la sudare şi durata de viaţă a uneltei. Sistemul ultrasonic trebuie integrat în sistemul FSW convenţional pentru a transmite în mod eficient energia vibraţională către piesele de sudat. Energia ultrasonică poate fi transmisă în zona de sudare prin diferite căi, cum ar fi prin intermediul uneltei, pieselor de sudat sau plăcii de bază. Capitolul al doilea prezintă sisteme ultrasonice utilizate la experimentări, rezultate obţinute pe plan mondial, dar şi la ISIM Timişoara în cadrul unor cercetări experimentale derulate în acest proiect pentru aplicarea procedeului de sudare hibrid FSW-US. În cadrul proiectului s-a optat ca energia ultrasonică să fie transmisă în zona de sudare prin intermediul pieselor de sudat (figura 2 a,b). S-au realizat două soluţii diferite de variante constructive pentru aplicarea procedeului hibrid FSW-US.

a) Sistem/modul ultrasonic pentru sudare

hibridă FSW-US (varianta I) b) Sistem/modul ultrasonic (varianta II), integrat

pe maşina de sudare FSW

Figura 2 Variante sistem/modul ultrasonic pentru sistem de sudare FSW-US (ISIM Timişoara)

3

Sistemul/modulul ultrasonic (varianta I) prezentat în figura 2a are în componenţă: generator ultrasonic, (poz.1); convertor piezoelectric, (poz.2); booster (transformatorul de amplitudine), (poz.3); sonotrodă (poz.4); mecanism de acţionare (poz.5). Sistemul ultrasonic (varianta II) pentru sudare hibridă este format din următoarele componente principale (figura 3): generator de ultrasunete, ansamblu rezonator mecanic, sonotrodă.

a) ansamblul rezonator mecanic şi sonotrodă b) generator de ultrasunete

Figura 3 Schema configurare sistem FSW-US şi generator ultrasonic În capitolul 2 sunt prezentate de asemenea, experimentări de sudare FSW-US, evaluarea și caracterizarea îmbinărilor sudate cap la cap pentru aliajele de aluminiu EN AW 5754 și EN AW 1200, respectiv oţel DD13. S-au utilizat unelte de sudare FSW (figura 4) cu geometrii diferite ale pinului uneltei (cilindric filetat, conic neted, conic cu patru teșituri plane), realizate din materiale diferite (oţel, respectiv carbură sinterizată de wolfram) precum și parametri de proces diferiţi.

a) b) c)

Unealtă cu pin cilindric filetat Unealtă cu Pin -4 teşituri plane Unealtă cu pin conic neted

Figura 4 Unelte de sudare pentru utilizare în cadrul programului experimental Asistarea ultrasonică s-a realizat prin aplicarea cu intermitenţă a ultrasunetelor (în intervale de maxim 8,5 secunde, la frecvenţa de 20kHz) pe materialele de îmbinat, în faţa uneltei de sudare. S-a monitorizat procesul de îmbinare din punct de vedere al temperaturilor dezvoltate în proces, precum și al forţelor de apăsare a uneltei pe materialele de îmbinat. Pentru evaluarea şi caracterizarea îmbinărilor FSW-US s-au realizat analize macroscopice şi microscopice, durităţi, precum şi teste de încercare la tracţiune. Modul de desfășurare și rezultatele programelor experimentale realizate sunt prezentate detaliat în acest capitol. Măsurarea forţelor de proces, încercările mecanice și analiza defectelor au fost folosite pentru a studia influenţa vibraţiilor ultrasonice asupra procesului convenţional FSW. Este prezentat programul experimental desfăşurat pe mai multe secţiuni, care a avut ca obiective principale: - validarea prin experiment a noii metode de sudare hibride propuse în cadrul proiectului; - verificarea şi validarea tehnicilor de aplicare a procedeului FSW-US, concepute şi realizate în cadrul proiectului. Pentru realizarea acestor obiective s-au dezvoltat experimente de sudare pe cupluri de materiale similare neferoase şi feroase. Spre exemplificare în continuare sunt prezentate rezultate experimentale obţinute la sudarea FSW-US a aliajelor de aluminiu EN AW 57574, EN AW 1200 şi respectiv oţel DD13.

4

Experimentări de sudare FSW, respectiv FSW-US - aliaj de aluminiu EN AW 5754 S-au realizat experimente (Exp.1,2,3) de sudare cap la cap FSW cu asistare ultrasonică pentru aliajul de aluminiu EN AW 5754 de grosime 5mm, utilizând o unealtă de sudare FSW din oţel X38CrMoV5, cu pin cilindric filetat de lungime Lpin=4,85mm. Parametri de sudare FSW utilizaţi au fost: turaţia uneltei de sudare n= 1200 rot/min; viteza de sudare cu valori în intervalul 80-230mm/min; asistarea ultrasonică realizându-se prin aplicarea ultrasunetelor în cicluri succesive cu durata tUS= 8,5 sec, frecvenţa ultrasunetelor fiind 20kHz. Pentru compararea rezultatelor s-au realizat experimentări de sudare FSW clasic, respectiv FSW-US, în aceleaşi condiţii de proces din punct de vedere al uneltelor de sudare FSW, respectiv al parametrilor tehnologici de proces. Spre exemplificare, aspectul la suprafaţa îmbinării pentru Exp. 2 este prezentat în figura 5.

Figura 5 Aspectul la suprafaţa îmbinării – Exp.2

Pentru evaluarea şi caracterizarea îmbinărilor FSW-US s-au realizat analize macro- şi microscopice, durităţi, precum şi teste de încercare la tracţiune. Aspectul macroscopic al probelor sudate FSW-US pentru aluminiu EN AW 5754 (Exp.1,2,3) este prezentat în figura 6.

Exp.1 – FSW clasic

Exp.2 – FSW - US Figura 6 Aspectul macroscopic al îmbinării sudate FSW şi FSW-US, a aliajului EN AW 5754

Este bine cunoscut faptul că aliajul de aluminiu EN AW 5754 este greu de sudat prin procedeul FSW datorită tendinţei de formare a defectului de tip „cavitate”. Acest considerent a stat la baza alegerii şi a acestui material pentru experimentări. Analizând aspectul macroscopic al probelor prezentat în figura 6 se observă faptul că la aplicarea FSW clasic s-a format un defect de tip „cavitate” de aproximativ 1,8mm2 (în secţiune transversală). La utilizarea procedului FSW-US, s-a constatat reducerea considerabilă a volumului defectului de tip „cavitate” (de aproximativ 5 ori). Evoluţia durităţilor în secţiune transversală la sudarea FSW şi FSW-US a aluminiului EN AW 5754 este exemplificată prin graficul din figura 7.

Defect tip „cavitate”

Defect tip „cavitate”

5

Figura 7 Grafic de variaţie a durităţii – sudare FSW şi FSW-US aluminiu EN AW 5754

Analiza sclerometrică a relevat faptul că valorile durităţilor în cazul aluminiului EN AW 5754 pot

creşte cu ∼15-28% în zonele în care s-a sudat FSW-US, comparativ cu procedeul clasic FSW. S-au mai constatat următoarele: - sudarea FSW clasic (figura 7): o în nucleu, ZITM şi ZIT, pe faţa de retragere a uneltei de sudare, s-au înregistrat valori medii

ale durităţii de 55-56 HV1, cu ≈ 30% mai mici decât ale metalului de bază;

o pe axa nucleului (linia de îmbinare a MB1 cu MB2), duritatea a crescut până la ∼ 65 HV1; o pe faţa de avans, duritatea a evoluat în continuare ascendent, valorile măsurate tinzând spre

valori apropiate cu ale materialului de bază 69-72 HV1, atât în nucleu cât şi în ZIT şi ZITM. - sudarea hibridă FSW-US (figura 7): o valorile durităţilor în toate zonele investigate sunt mai mari cu 9-11% decât la sudarea FSW

clasic, pe faţa de retragere a uneltei de sudare şi în nucleu o pe faţa de avans a uneltei durităţile sunt mai mici decât la FSW clasic (cu 7-8%).

Notă: Dimensiunile probelor de sudat au fost 250x100x5mm. Pe fiecare cuplu de materiale, experimentele s-au desfăşurat astfel: - sudarea FSW clasic – 110 mm - sudarea hibridă FSW-US – 110 mm (timp de aplicare a US alternativ, timp de aplicare 3,5 – 8 s)

Experimentări de sudare FSW, respectiv FSW-US - aliaj de aluminiu EN AW 1200 a) sudare cu unealta de sudare cu pin cilindric filetat

Experimentele (Exp.4,5,6) de sudare FSW-US pentru aliajul de aluminiu EN AW 1200 de grosime 3 mm, s-au realizat utilizând o unealtă de sudare FSW realizată din oţel X38CrMoV5, cu pin cilindric filetat de lungime Lpin=2,85mm. Parametri de sudare FSW utilizaţi au fost: turaţia uneltei de sudare n= 1200 rot/min; viteza de sudare cu valori cuprinse în intervalul 80-230mm/min; asistarea ultrasonică realizându-se prin intermediul aplicării ultrasunetelor în cicluri succesive cu durata tUS= 8,5 sec, frecvenţa acestora fiind 20kHz. Spre exemplificare, aspectul la suprafaţa îmbinării pentru Exp. 5 este prezentat în figura 8.

Figura 8 Aspectul la suprafaţa îmbinării – Exp.5

6

S-a realizat monitorizarea procesului de sudare din punct de vedere al temperaturilor dezvoltate în zona umărului uneltei de sudare. Evoluţia temperaturilor în timpul sudării hibride FSW-US, aferente experimentelor 4, 5 şi 6 este prezentată în figura 9.

Exp.4 Exp.5 Exp. 6

Figura 9 Evoluţia temperaturilor în timpul procesului de sudare FSW-US (Exp.4-6) Având în vedere faptul că valorile vitezelor de sudare au crescut semnificativ de la experimentul 4 la experimentul 6, se aşteaptă ca valorile de temperatură să fie invers proporţionale cu viteza de sudare. Acest fapt poate fi valabil la sudarea FSW clasică. Având în vedere că se aplică și vibraţii ultrasonice în timpul procesului de sudare, analizând graficele din figura 9 se observă că valorile înregistrate ale temperaturii pentru experimentele 4,5 şi 6 (la care vitezele de sudare

sunt crescătoare vs1<vs2<vs3) sunt conform tabelului 1. Tabel 1 – Valorile medii și maxime ale temperaturii de proces la Exp. 4,5,6

Nr.exp. Temperatura FSW clasic (0C) Temperatura FSW-US (0C)

Exp.4 400 300

Exp.5 500 540

Exp.6 400 500

La experimentul 4, în cazul sudării FSW-US temperatura a scăzut din motive colaterale (o dereglare în funcţionarea echipamentului de sudare). Experimentele 5 şi 6 au demonstrat că

prin aplicarea US, temperaturile de proces au crescut cu ∼ 8-25%.. Se observă faptul că procesul cel mai stabil a fost în cazul Exp. 5, unde evoluţia temperaturii a fost relativ constantă (după stabilizarea procesului). La Exp. 5 sunt cele mai mari valori ale temperaturii de proces înregistrate în această serie de experimente, ceea ce arată că utilizând acei parametri de proces (pentru FSW și ultrasunete) se obţine o creștere a temperaturii care este favorabilă obţinerii unei îmbinari sudate mai bune, prin creșterea gradului de plastifiere a materialelor de îmbinat. In timpul procesului de sudare hibridă FSW-US s-a urmărit şi variaţia valorilor forţei de apăsare a uneltei FSW pe materialele de îmbinat, prin intermediul sistemului de monitorizare a forţei. Valorile maxime ale forţelor înregistrate pentru Exp. 4,5 şi 6 (la care vitezele de sudare sunt

crescătoare vs1<vs2<vs3) sunt prezentate în tabelul 2. Tabelul 2 Valorile maxime ale forţelor înregistrate pentru Exp. 4, 5 şi 6

Nr.exp. Forţa de apăsare maximă (N), etapa de pătrundere a uneltei în MB

Forţa de apăsare maximă(N), în timpul procesului de sudare

Exp.4 ∼5.500 ∼2.500-2.450

Exp.5 ∼ 6.200 ∼2.040-2.000

Exp.6 ∼ 6.600 ∼4.050-4.000

În etapa de pătrundere a uneltei în materialele de îmbinat, unealta se află în mişcare de rotaţie cu o turaţie prescrisă, pătrunde în materialele de îmbinat, umărul uneltei ajunge şi este menţinut în contact cu materialele de îmbinat, în vederea plastifierii materialului. Procesul

7

efectiv de sudare începe când unealta execută şi mişcarea de avans longitudinal pentru realizarea îmbinării sudate; atunci valoarea forţei de apăsare înregistrează o scădere (faţă de etapa de pătrundere în MB) datorită plastifierii materialelor de îmbinat, valorile fiind cuprinse într-un anumit interval. Analizând valorile forţei de apăsare pentru Exp. 4,5,6 se observă că pentru Exp. 5 s-au înregistrat cele mai mici valori ale acesteia pe durata procesului efectiv de sudare. Corelând valorile de temperatură și valorile forţei de apăsare a uneltei pe suprafaţa materialelor de îmbinat, se observă că în cazul Exp. 5 (acolo unde a crescut mai mult temperatura de proces și implicit gradul de plastifiere a materialelor de îmbinat) aplicarea ultrasunetelor s-a dovedit eficientă prin faptul că s-a înregistrat o scădere a valorilor forţei de apăsare pe durata sudării efective FSW-US. Ca și la experimentele 1-3, pentru evaluarea şi caracterizarea îmbinărilor FSW-US s-au realizat analize macro- şi microscopice, durităţi şi teste de încercare la tracţiune. Aspectul macroscopic al probelor sudate FSW-US pentru EN AW 1200 (Exp.4,5,6) este prezentat în figura 10.

Exp.4

Exp.5

Exp.6 Figura 10 Aspectul macroscopic al îmbinării sudate FSW-US, a aliajului EN AW 1200

Analizând îmbinările de la experimentele 4, 5 şi 6 din punct de vedere al macrostructurilor se observă zona de îmbinare a materialelor de bază, precum și prezenţa unui defect la partea inferioară a îmbinării, în cazul probelor 4.2 și 6.2, provenite de la Exp. 4 si Exp.6. Evoluţia durităţilor în secţiune transversală la sudarea FSW şi FSW-US a aluminiul EN AW 1200 este exemplificată prin graficele din figura 11.

a) b) Figura 11 Grafice de variaţie a durităţii – sudare FSW şi FSW-US aluminiu EN AW 1200

Analiza sclerometrică a relevat faptul că valorile durităţilor în cazul aluminiului EN AW 1200 au crescut cu 10-14% în zonele în care s-a sudat FSW-US, comparativ cu procedeul clasic FSW.

8

Programul experimental a demonstrat că aplicarea US asupra procesului FSW poate influenţa valoarea durităţilor zonei sudate într-o măsură mai mare sau mai mică, în funcţie de natura cuplului de materiale supuse procesului. Spre exemplificare, la sudarea aliajului de aluminiu EN AW 1200, analiza valorilor măsurate ale durităţilor a permis formularea următoarelor aprecieri : - la sudarea FSW clasic (figura 11 a):

o în nucleu, ZITM şi ZIT, pe faţa de retragere a uneltei de sudare, s-au înregistrat valori ale

durităţii de 30 HV1, cu ∼30% mai mici decât ale metalului de bază MB;

o pe faţa de avans, duritatea a scăzut la 29 HV1, cu ∼31% mai mici decât ale MB; - la sudarea hibridă FSW-US (figura 11 b):

o valorile durităţilor în toate zonele investigate sunt mai mari cu ∼3-11% decât la sudarea FSW clasic, pe faţa de retragere a uneltei de sudare şi în nucleu

o pe faţa de avans a uneltei durităţile sunt mai mici decât la FSW clasic (cu ∼3-8%). b) sudare cu unealta cu pin conic cu patru teşituri plane, respectiv cu pin conic neted.

În acest caz, experimentele de sudare (Exp.7,8) cap la cap FSW cu asistare ultrasonică pentru aliajul de aluminiu EN AW 1200 de grosime 3 mm, s-au realizat utilizând unelte de sudare FSW realizate din carbură sinterizată de wolfram P20S cu pin conic neted de lungime Lpin=2,85mm, respectiv cu pin conic cu patru teşituri, având lungimea Lpin=2,40mm, cu turaţia uneltei n= 1200 rot/min şi viteza de sudare v=150mm/min; asistarea ultrasonică realizându-se prin intermediul aplicării ultrasunetelor în cicluri succesive cu durata tUS= 8,5 sec, frecvenţa acestora fiind 20kHz. Spre exemplificare, aspectul la suprafaţa îmbinării pentru Exp. 8 este prezentat în figura 12.

Figura 12 Aspectul la suprafaţa îmbinării – Exp.8

S-a realizat monitorizarea procesului hibrid de îmbinare FSW cu asistare ultrasonică din punct de vedere al temperaturilor dezvoltate în zona umărului uneltei de sudare. Evoluţia temperaturilor în timpul sudării hibride FSW-US, pentru Exp.7, 8 este prezentată în figura 13.

Exp.7 Exp.8

Figura 13 Evoluţia temperaturilor în timpul procesului de sudare FSW-US (Exp.7,8) Având în vedere faptul că viteza de sudare a avut aceeaşi valoare pentru ambele experimente, se aşteaptă ca valorile de temperatură să fie aproximativ în acelaşi interval. Se observă o

9

stabilitate foarte bună a procesului de sudare din punct de vedere al temperaturilor dezvoltate la experimentul 8. În tabelul 3 sunt prezentate valorile temperaturii pentru experimentele 7 şi 8.

Tabelul 3 – Valorile medii și maxime ale temperaturii de proces la Exp. 7,8

Temperatura medie (0C) Temperatura maximă (0C) Nr.exp. Unealta de sudare)

FSW clasic FSW-US FSW clasic FSW-US

Exp.7 Pin conic neted ∼ 400 ∼ 410 ∼ 410 ∼ 420

Exp.8 Pin conic cu 4 teșituri plane ∼ 420 ∼ 480

Experimentul 7 demonstrează că în cazul utilizării procedeului hibrid FSW-US, comparativ cu FSW clasic (zona A ) la cazul uneltei cu pin conic (zonele B, B’), temperatura de proces creşte. La Exp. 8, utilizând unealta cu pin conic cu patru teşituri plane, acest fenomen de creştere a temperaturii de proces nu s-a observat. Fenomenul poate fi atribuit soluţiei constructive a pinului, muchiile acestia asigurând un efect de aşchiere, fapt ce a redus frecarea dintre unealtă şi materialul de bază. La acest experiment (Exp.8) temperatura de proces a avut o evoluţie

destul de constantă, valoarea medie fiind de∼ 420 0C. In timpul procesului de sudare hibridă FSW-US s-a urmărit şi variaţia valorilor forţei de apăsare a uneltei FSW pe materialele de îmbinat, prin intermediul sistemului de monitorizare a forţei. Valorile maxime ale forţelor înregistrate pentru Exp. 7 și 8 sunt prezentate în tabelul 4.

Tabelul 4 Valorile maxime ale forţelor înregistrate pentru Exp. 7 şi 8

Nr. exp.

Unealta de sudare Forţa de apăsare maximă (N), etapa de pătrundere unealtă în MB

Forţa de apăsare maximă(N), în timpul procesului de sudare

Exp.7 Pin conic neted ∼3.300 ∼2.290-2.270

Exp.8 Pin conic-4 teșituri ∼ 4.100 ∼3.140-3.100

Analizând valorile forţei de apăsare se observă că la utilizarea pinului conic neted (Exp. 7) s-au înregistrat valori mai mici ale acesteia pe durata procesului efectiv de sudare, comparativ cu Exp.8. Corelând valorile de temperatură și valorile forţei de apăsare a uneltei pe suprafaţa materialelor de îmbinat, se observă că în cazul Exp. 5 (acolo unde a crescut temperatura de proces și implicit gradul de plastifiere a materialelor de îmbinat) aplicarea ultrasunetelor s-a dovedit eficientă prin faptul că s-a înregistrat o scădere a valorilor forţei de apăsare pe durata sudării efective FSW-US. Comparând Exp. 5, 7 și 8 (realizate cu viteza de sudare v=150mm/min) din punct de vedere al temperaturilor dezvoltate în proces (tabelele 1 și 3), respectiv al forţelor dezvoltate în procesul de sudare (tabelele 2 și 4) se constată că temperatura medie cea mai mare (5200C) s-a atins la utilizarea uneltei cu pin cilindric filetat, concomitent cu cea mai

scăzută valoare a forţei de apăsare (∼2.040-2.000N) în timpul procesului efectiv de sudare. Aspectul macroscopic al probelor sudate FSW-US pentru aluminiu EN AW 1200 (Exp.7,8) este prezentat în figura 14.

Exp.7

10

Exp.8 Figura 14 Aspectul macroscopic al îmbinării sudate FSW-US, a aliajului EN AW 1200

Analizând îmbinările de la experimentele 7 şi 8 din punct de vedere al macrostructurilor se observă clar zona de îmbinare a materialelor de bază, fără defecte. Evoluţia durităţilor în secţiune transversală la sudarea FSW şi FSW-US a aluminiul EN AW 1200 , pentru Exp. 7 și 8, este exemplificată prin graficele din figura 15.

a) b) Figura 15 Grafice de variaţie a durităţii – Exp.7 și 8

Analizând graficele din figura 15 se observă că utilizând unealta cu pin conic neted, valorile

durităţilor sunt în general mai scăzute (cu ∼7-10%) decât utilizând unealta cu pin cu 4 teșituri plane în aceleași condiţii de proces. Excepţia o constituie valorile de duritate pe faţa de

retragere a uneltei, în ZIT și în nucleu, care sunt mai mari cu ∼ 3-24% comparativ cu unealta cu 4 teșituri. Programul experimental a demonstrat că aplicarea US asupra procesului FSW poate influenţa valoarea durităţilor zonei sudate într-o măsură mai mare sau mai mică, în funcţie de natura cuplului de materiale supuse procesului și a parametrilor de proces. Comparând valorile de duritate pentru sudarea FSW-US a aluminiului EN AW 1200, utilizând cele trei tipuri de unelte în aceleași condiţii de proces (Exp.5,7,8) se remarcă faptul că duritatea în nucleu are următoarele valori:33 HV1 (în cazul utilizării uneltei de sudare cu pin cilindric filetat),31 HV1 (în cazul utilizării uneltei de sudare cu pin conic neted) şi 25 HV1 (în cazul utilizării uneltei de sudare cu pin conic cu 4 teșituri plane). Pentru toate experimentele de sudare FSW-US a aliajelor de aluminiu EN AW 5754, respectiv EN AW 1200, analiza microscopică arată că aplicarea US a determinat finisarea şi uniformizarea grăunţilor la nivel microstructural (figura 16 – exemplificare pentru aliajul EN AW 1200).

Nucleu ZIT, ZITM MB

Figura 16 Analiza microstructurală – sudare FSW-US aliaj de aluminiu EN AW 1200

11

Încercările la tracţiune au relevat în general faptul că rezistenţa la rupere Rm, a crescut prin aplicarea procedeului hibrid, comparativ cu procedeul clasic, indiferent de parametrii utilizaţi. De exemplu, la aliajul EN AW 5754, la o viteza de sudare mai mică (v1) s-a înregistrat o creştere

a Rm cu ∼ 9,5%, iar la viteza mai mare (v3), o creştere a Rm cu ∼ 11%. În mod similar la aliajul EN

AW 1200, s-a înregistrat o creştere a Rm cu ∼ 20%, respectiv cu ∼ 5%. Experimentări de sudare FSW şi FSW-US a oțelului DD13

În ultimii ani, sudarea FSW a oţelurilor a făcut parte din programul de cercetare al ISIM Timişoara. S-au obţinut rezultate remarcabile în special la sudarea FSW a oţelurilor S234, S420 şi oţelul inoxidabil AISI 304L, ca şi cupluri de materiale similare, de grosimi s=1,5 – 3mm. La momentul actual, pe plan internaţional, prezintă interes şi problematica sudării unor oţeluri utilizate în industria construcţiilor de automobile în combinaţii de cupluri de materiale similare, dar şi disimilare (cu aliaje de aluminiu). S-a realizat sudarea cap la cap FSW cu asistare ultrasonică pentru oţel DD13 (EN 10111) de grosime 2,2 mm, utilizând o unealtă de sudare FSW cu pin conic neted de lungime Lpin=1,85mm. Parametri de sudare FSW utilizaţi au fost: turaţia uneltei de sudare n= 1200 rot/min; viteza de sudare variabilă în intervalul 20-100mm/min; asistarea ultrasonică realizându-se prin aplicarea ultrasunetelor în cicluri succesive cu durata tUS= 8,5 sec, frecvenţa acestora fiind de 20kHz. Aspectul la suprafaţa îmbinării pentru experimentul 9 este prezentat în figura 17.

Figura 17 Aspectul la suprafaţa îmbinării – experimentul 9

Evoluţia temperaturilor în timpul sudării hibride FSW-US, aferente experimentului 9 este prezentată în figura 18.

Figura 18 Evoluţia temperaturilor în timpul procesului de sudare FSW-US (Exp.9)

Viteza de sudare a crescut în trepte de la 20mm/min la 100mm/min, aplicându-se și asistarea ultrasonică. Se observă că valorile de temperatură au înregistrat creșteri continue pe parcursul procesului de sudare. La utilizarea FSW clasic valoarea medie a temperaturii a fost de cca.

10000C, iar la aplicarea US, temperatura de proces FSW-US a crescut până la ∼12200C. Aplicarea asistului cu ultrasunete a produs o creştere semnificativă a temperaturii de proces.

12

Valorile forţelor înregistrate pentru experimentul 9 au fost de ∼ 9.550 N la etapa de pătrundere a uneltei în materialele de îmbinat, respectiv cuprinse în intervalul 4450 – 4.400N, în timpul procesului efectiv de sudare, astfel: valoarea de 4.450N a fost înregistrată la utilizarea procedeului FSW clasic, iar valoarea de 4.400N a fost înregistrată la utilizarea FSW-US. Se constată o diminuare uşoară a forţei în cazul FSW-US comparativ cu FSW clasic datorită creşterii temperaturii de proces, şi în consecinţă, îmbunătăţirii gradului de plastifiere şi amestecare a materialelor de sudat. Aspectul macroscopic pentru acest experiment, este prezentat în figura 19.

Figura 19 Aspectul macroscopic al sudurii – Exp.9

În figura 19 se observă că sub umărul uneltei de sudare şi sub acţiunea acestuia s-a format o zonă (A) de culoare mai închisă în care este posibil să se fi format compuşi intermetalici sau alţi compuşi formaţi şi datorită uzurii excesive a uneltei în timpul acţiunii uneltei asupra materialelor de bază. S-au prelevat epruvete pentru determinarea rezistenţei mecanice la rupere, prin încercarea la tracţiune. Probele s-au rupt în materialul de bază, ceea ce denotă faptul că s-au obţinut caracteristici mecanice foarte bune ale îmbinărilor sudate. În capitolul 3 sunt prezentate concluziile bazate pe rezultatele obţinute în prezenta etapă a proiectului.

°°°° Ţinând cont de caracteristicile vibraţiilor ultrasonice, sudarea FSW asistată ultrasonic FSW–US a aliajelor de Al permite micșorarea forţei la sudare și îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice ale piesei sudate, în special din punct de vedere al alungirii la rupere şi al limitei de curgere.

°°°° Rezultatele experimentale arată că vibraţiile ultrasonice aplicate în procesul FSW, contribuie la scăderea forţelor la sudare, sesizabilă mai ales la sudarea materialelor cu temperaturi de

topire ridicate. Se constată o reducere a forţei în acest caz cu ∼6% în zona de vârf a valorilor forţei (la plonjarea pinului uneltei în materialele de sudat) şi cu cca 12,5% în în timpul sudării .

°°°° Beneficiile potenţiale ale procesului FSW cu asistare ultrasonică la piesele de îmbinat din oţel, includ reducerea forţelor dezvoltate în timpul procesului și creșterea valorilor temperaturii .

°°°° S-a demonstrat că integrarea aplicării ultrasunetelor pe materialele de sudat oferă rezultate promiţătoare privind asigurarea calităţii sudurilor, ajutând la reducerea posibilităţilor de formare a defectelor la sudare. Tratamentul cu ultrasunete în timpul sudării asigură plastifierea suplimentară a metalului și o eficienţă mai bună a amestecării acestuia, servind la eliminarea defectelor, cum ar fi defecte de rădăcină și rafinarea grăunţilor în zona de amestec.

°°°° Efectul suplimentar de plastifiere a materialelor ajută la o mai bună amestecare a materialelor de sudat. Un astfel de rezultat a permis obţinerea unei rezistenţe mai mari la tracţiune.

°°°° S-a arătat că sudarea prin frecare cu element activ rotitor asistată cu ultrasunete a permis reducerea dimensiunii medii a grăunţilor în zona de amestecare (nucleu).

°°°° În general, programul experimental a demonstrat că aplicarea US asupra procesului FSW poate influenţa valoarea durităţilor zonei sudate într-o măsură mai mare sau mai mică, în funcţie de natura cuplului de materiale supuse procesului.

A

13

°°°° Vibraţiile ultrasonice măresc rezistenţa la tracţiune și, de asemenea, alungirea cu mai puţin decât 10 %.

°°°° Utilizarea FSW-US nu are un efect important asupra durităţii pieselor sudate pe partea de retragere (a uneltei) în comparaţie cu FSW, dar duritatea crește cu aproximativ 15% pe partea de avans (a uneltei).

°°°° În toate cazurile, prin aplicarea procedeului hibrid FSW-US, comparativ cu procedul FSW clasic, s-au obţinut proprietăţi mecanice superioare. Rezistenţele la rupere au fost mai mari, după caz, cu valori cuprinse în intervalul 2-10%.

°°°° Rezultatele obţinute în cadrul proiectului au demonstrat că este posibilă aplicarea procedeului de sudare hibrid FSW-US cu efecte benefice asupra calităţii îmbinărilor cât şi a îmbunătăţirii condiţiilor generale de proces. Extinderea cercetărilor aplicative pe situaţii concrete solicitate de agenţi economici, va permite în mod cert, implementarea industrială a noului procedeu de sudare.

Rezultate, stadiul realizării obiectivului fazei, concluzii şi propuneri pentru continuarea proiectului (se vor preciza stadiul de implementare a proiectului, gradul de indeplinire a obiectivului cu referire la tintele stabilite si indicatorii asociati pentru monitorizare si evaluare). Stadiul de implementare a proiectului: s-a finalizat parţial a treia etapă a proiectului în care s-a realizat „Cercetarea comportării la sudare prin procedeul hibrid FSW-US a grupelor de materiale de bază luate în considerare, materiale feroase şi neferoase. Elaborare tehnologii de sudare. Actualizare bancă de date. Diseminarea rezultatelor activităţilor de cercetare precompetitivă” Rezultatele concrete obţinute în această fază a proiectului, care corespund rezultatelor preconizate (de la pct.2 și 4 din raportul de activitate) constau în:

• Metodă hibridă de sudare FSW-US.

• Echipament de sudare FSW-US, validat experimental

• Aplicarea procedeului hibrid FSW-US la cupluri de materiale din categoria aliajelor de aluminiu și oţel

• Parametri tehnologici de proces pentru sudarea FSW-US pentru cupluri de materiale din aliaje de aluminiu, respectiv oţel

• Tehnică de aplicare ca demonstrator pentru industrie şi mediul academic.

• Lucrare stiinţifică publicată / prezentată la conferintă internaţională

• Raport de cercetare faza 3

• Website proiect- actualizat Aceste rezultate sunt în concordanţă cu obiectivele prezentate la pct. 1 în raportul de activitate. Rezultatele obţinute în fiecare fază a proiectului, sunt prezentate pe pagina web a proiectului, http://www.isim.ro/nucleu18.33.01.01/index101.htm. Concluziile în urma desfăşurării acestei faze au fost prezentate pe larg, mai sus. Lucrările în cadrul proiectului sunt finalizate parţial.

Responsabil proiect, Dr.Ing. Oancă Octavian-Victor