SISTEME

1. Date generaleSudarea prin frecare este un procedeu de sudare prin presiune in stare solida . Principiul procedeului consta in :- generarea caldurii prin frecare mecanica dintre o piesa care se deplaseaza si o componenta stationara;- presarea celor doua elemente cu o forta de refulare;- materiul incalzit este deformat plastic si prin racire se creeaza o sudura, figura 1.

Procedeul se aseamana cu forjarea.Procesul de sudare are urmatoarele faze:- antrenarea uneia dintre componente intr-o miscare de rotatie si presarea pe ea a celeilalte componente;- frecarea realtiva si incalzirea componentelor;- refularea componentelor in timpul sau dupa oprirea miscarii relative;In figura 2 se arata aspectul unei suduri realizate cu acest procedeu, iar in figura 3 macrostructura unei suduri.

Exista doua moduri de realizare a sudarii prin frecare si anume:a. Sudare prin frecare rotativaIn acest caz, miscarea relativa dintre componentel de sudat este de rotatie in una din variantele prezentate in figura 4:

- o piesa se roteste, cealalta piesa este refulata;- o piesa se roteste si este refulata, cealalta piesa este fixa;- se rotesc si sunt refulate cele doua piese intre care este introdusa o piesa intermediara fixa;- se roteste o piesa intermediara amplasat intre cele doua piese care apoi sunt refulate.b. Sudare prin frecare liniaraMiscarea relativa dintre componentele de sudat este liniara, figura 5.

Sudarea prin frecare rotativa este considerata varianta standard.(clasica), fiind cel mai des utilizata.In practica se utilizeaza diferite variante ale sudarii prin frecare rotative si anume:Sudare prin frecare conventionala partea rotitoare se frneaz brusc la atingerea temperaturii de sudare, iar forta axial se mreste in faza de refulare.Sudare prin frecare inertiala se utilizeaza o masa inertiala (volant) pentru nmagazinarea energiei. La franarea rapida a miscarii de rotatie se elibereaza energia acumulata.Sudare prin frecare a bolturilor piesa care se roteste este un bolt, iar piesa fixa o placaSudare prin frecare cu element activ rotitor (se trateaza in capitol separat)Caracteristici ale procedeului de sudare prin frecareAvantaje:- productivate foarte mare (timp de sudare foarte mic);- calitate foarte buna a sudurilor;- solicitare termica redusa a materialelor, structura metalografica favorabila;- tensiuni si deformatii reduse (ciclu termic incalzire/racire simetric);- precizie de asamblare inalta, reproductibilitate a calitatii;- posibilitati de mecanizare, automatizare foarte bune;- consum redus de material prin scurtare;- lipsa materialelor de adaos;- procedeu aplicabil la imbinarea materialelor dificil de sudat, inclusiv a imbinarilor eterogene intre materiale cu comportare la sudare dificila;- procedeu ecologic (fara emisii radiatii, fum, noxe).Dezavantaje:- procedeu aplicabil eficient doar la sectiuni cu simetrie de rotatie (in cazul unor altfel desectiuni este posibila apliocarea, dar procedura devine mult mai complicata);- producerea unei bavuri care trebuie indepartat dupa sudare;- necesitatea utilizarii unor forte de frecare si energii foarte mari care conduc la solicitareaputernica a materialelor si structurilor echipamentului de sudare;- echipament de sudare complicat si foarte scump;- dificultati in examinarea nedistructiva a sudurilor.2. Echipamente de sudareSchema principiala a unei masini de sudare prin frecare este aratat in figura 6. In figura 7 se prezinta fotografia unui echipametn de sudare universal.

3. Materiale sudabile prin frecareProcedul de sudare prin frecare permite imbinarea unui mare numar de materiale metalice.In tabelul 1 se indica pricipalele materiale sau combinatii de materiale sudabile prin frecare.Tabel 1

4. Recomandari tehnologiceParametrii de sudare prin frecare sunt urmatoarii:a. Sudarea clasica (circulara)- turatia (viteza de rotatie);-presiunea de frecare, respectiv forta axiala de frecare;- timpul de frecare;- scurtarea prin frecare;- presiunea de refulare, respectiv forta axiala de refulare;- timpul de refulare;- scurtarea totala (la frecare si refulare).b. Sudarea liniara prin frecare- amplitudinea si frecventa miscarii de frecare liniare;- presiunea (forta) de frecare;- timpul de frecare;- presiunea (forta) de refulare;- scurtarea totala;Miscarea liniara se realizeaza cu o amplitudine scazuta (1-3mm) la o frecventa de cca 25-125 Hz.Conditiile de realizare a sudarii prin frecare a materialelor metalice sunt indicate in standardul ISO 15620:2000 Sudarea prin frecare a materialelor metalice.5. AplicatiiSudare prin frecare se aplica in diferite sectoare industriale, in general, pentru realizarea unei productiide serie.In figurile 10-13 se arata cateva exemple de aplicare a procedeului.

Principaleleaplicatii ale procedeului sunt urmatoarele:se refera la:- industria masinilor unelte: scule aschietoare de tip burghie, freze, tarozi;- industria auto: supape, arbori cotiti, axe pompe de injectie, pinioane, angrenaje cutie de viteza, bare de transmisie si directie, amortizoare;- energetica: arbori, axe turbine;- electrotehnica: conductori electrici;- constructii: tevi, conducte;Sudarea prin frecare se aplica si la imbinarea unor elemente din materiale plastice, aplicatii care se trateaza separat.

Sudarea prin frecare cu element activ rotitor in varianta hibrida Sinteza documentara Analiza documentara a fost realizata prin prelucrarea informatiilor privind sudarea FSW din baza de date a ASR, inclusiv din bibliotecaproprie, respectiv prin prelucrarea unor informatii existente pe internet, inclusiv in baza de date Science Direct. O directie speciala in domeniul dezvoltarii proceselor de sudare care a cunoscut o evolutie masiva in ultimii 20 ani se refera la combinarea a doua procedee de sudare si crearea unor procedee noi, cunoscute ca si procedee de sudare hibride. In general, un procedeu de sudare hibrida prezinta caracteristici care pot fi superioare celor doua procedee de sudare. In anumite conditii interactiunea celor doua procese de sudare creeaza prin efect sinergic rezultate ce depasesc suma efectelor separate ale celor doua procese asupra unor anumite caracteristici. Cel mai performant procedeu de sudare hibrida utilizat in prezent cupleaza sudarea cu laser cu sudarea cu arcul electric. Calitatile acestui procedeu hibrid se refera, mai ales, la cresterea vitezei de sudare, cresterea grosimii de material sudabile si a marirea abaterii permise a deschiderii rostului,la sudare fat de caracteristicile sudarii cu laser. Prin combinarea sudarii FSW cu un alt procedeu de sudare se poate obtine, de asemenea, un procedeu de sudare hibrida. In continuare se prezinta cateva date din literatura de specialitate actual care trateaza acest subiect. Majoritatea lucrarilor se refera la sudarea FSW asistata cu laser. Exista, de asemenea, lucrari ce abordeaza procedeul hibrid FSW- arc electric, respectiv FSW incalzire prin inductie. Extinderea domeniului de utilizare a sudarii FSW lamateriale cu temperaturi de topire inalte ca otelul si aliajele de titan este dificila datorita uzurii excesive a sculei si cerintelor pentru materialele utilizate pentru aceasta. Sudarea FSW asistata cu laser ofera o alternativa favorabila pentru acest grup demateriale. Fasciculul laser asigura o preincalzire si inmuiere a materialului si, ca rezultat, o uzura mai redusa a sculei. Un astfel de proces hibrid a fost dezvoltat de Oak Ridge National Laboratory din SUA, [. http://www.physorg.com/news85681842.html]. Sudarea hibrida FSW asistata cu laser conduce si la marirea eficientei si flexibilitatii de aplicare a procedeului FSW in situ si la grosimi mai mari de material. Sudarea FSW in varianta clasica se aplica in prezent intr-un sector relativ ingust al pietii de sudura, sector caracterizat prin structuri sudate simple realizate in ateliere fixe din materiale ca aliaje de aluminiu si magneziu. Sudarea hibrida FSW ofera insa o flexibilitate mult mai mare, chiar in conditii de santier, pentru imbinarea unor structuri complexe de mare dimensiune, realizate, in general, din elemente cu grosime mai mare fabricate din materiale cu rezistenta ridicata si comportare la temperature inalte (oteluri de inalta rezistenta, titan, superaliaje). Ca domenii speciale de aplicatie de mare perspectiva se au in vedere fabricatia conductelor din otel de mare diametru si structurile navale, [Laser Assisted Friction Stir Welding at Oak Ridge NationalLaboratory ,http://www1.eere.energy.gov/industry/intensiveprocesses/pdfs/flexible_hybrid_friction.pdf] . Asa cum s-a mentionat, aplicatiile prezente ala sudarii FSW sunt limitate la elemente cu geometrie simpla, sudate in ateliere fixe. In vederea transformarii sudarii FSW intr-o tehnologie de imbinare de larga utilizare, inclusiv pentru cazul fabricatiei in situ a unor structure complexe cu grosimi mai mari din materiale cu rezistenta inalta este necesara imbunatatirea materialului sculei FSW, dezvoltarea unor tehnici de sudare hibride FSW cu surse auxiliare de incalzire pentru a reduce fortele de forjare, respectiv punerea la punct a unor tehnici de sudaremultistrat. Este necesara realizarea unor instalatii mobile de sudare cu posibilitati de aplicare pe santier, [Z. Feng- http://www.ornl.itp.govtools.us/ActiveRD.aspx#1]. Pentru realizarea unui mare proiect de cercetare FSW care trateaza si sudarea hibrida s-au alocat 10,5 milioane dolari de catre Departamentul de Energie al SUA, [Welding Journal, vol.88, no.1. Jan.2009. p.9]. Experimentari efectuate la TWI au aratat efectul favorabil al unei preincalziri la sudarea FSW a materialelor feroase sau refractare asupra uzurii sculei de sudare, [W.M. Thomas, P.L. Threadgill and E.D. Nickolas, Friction Stir Welding of Steel - http://steel.keytometals.com/default.aspx?ID=CheckArticle&LN=EN&NM=233] . In cazul procedeului de sudare FSW conventional, faza critica a procesului de sudare este cea de coborare a sculei si incepere a procesului de sudare. De aceea, o preincalzire a zonei de atac a sculei inainte de inceperea procesului de sudare este favorabila. In continuare, procesul de sudare poatefi realizat fara aportul sursei termice suplimentare. Dependent de caracteristicilemecanice ale materialului de sudat si de difuzivitatea termica a sa se poate mentine incalzirea suplimentara pe intreaga durata a procesului de sudare. In situatiiopuse, pentru anumite materiale poate fi recomandata o racire a materialului sau sudarea in apa. O preincalzire a sculei poate fi benefica in cazul unor materiale pentru scula care sunt fragile la temperature mediului ambiant. Prin preincalzire eledevin mai ductile si procesul se desfasoara in conditii mai bune. In principiu, incalzirea piesei de sudat poate fi realizata prin orice tehnica ca, de exemplu, cu gaz, radiatii, arc electric, frecare, inductie sau rezistenta. Incalzirea prin inductie cu inalta frecventa este favorabila intrucat se asigura o incalzire in volum si nu numai la suprafata piesei. La TWI s-au experimenta procese de sudare WIG, MIG, sub flux, cu sarma calda, precum si electric prin presiune pentru a umple rosturile de sudare din fata sculei FSW. Prin aceasta tehnica sudarea FSW poate fi utilizata si ca un proces de umplere de material sau de procesare post sudare pentru rafinarea structurii sau eliminarea unor defecte superficiale. In anumite cazuri in care se aplica sudarea FSW la temperaturi inalte se recomanda utilizarea unei protectii cu gaz pentru a evita oxidarea sculei si a materialului de sudat. Asa cum s-a aratat, la sudarea otelurilor si a materialelor refractare ca aliaje de titan sau superaliaje pe baza de nichel o problema deosebita o produce uzura sculei. De aceea, sunt necesare materiale deosebite pentru realizarea sculei. Acestea trebuie sa aiba caracteristici inalte de tenacitate, rezistenta la temperaturi mari, rezistenta la uzura si oxidare. Dezvoltari recente au condus la utilizarea cu success a unor scule pe baza de wolfram sau iridium, adecvate pentru sudarea otelurilor si a aliajelor din titan.Folosind scule din astfel de materiale, utilizarea sudarii hibride FSW este avantajoasa intrucat asigura prelungirea duratei deviata a acestor scule, [S.A. David and Z. Feng, http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/121461.pdf]. Sudarea FSW asistata cu laser este aplicata, de asemenea, la sudarea structurilor otel aluminiu de tip drawable steel-aluminium tailored hybrids, [M. Merklein, A. Giera- Laser assisted Friction Stir Welding of drawable steel-aluminium tailored hybrids, International Journal of Material Forming, January 2008, 1299-1302. Cunostintele actuale privind sudarea FSW a combinatiei otel - aluminiu sunt limitate. In acealsi timp, trebuie relevant faptul ca structuri hibride avand grosimea sub 1 mm nu pot fi sudate prin procedeul FSW in varianta clasica. S-auobtinut insa rezultate favorabile prin preincalzirea partii din otel folosind fasciculul laser, adica prin sudare hibrida. O solutie eficienta de sudare hibrida FSW a otelului si aliajelor de titan utilizeaza o sursa laser diode. Pe langa reducerea uzurii sculeise consemneaza si o crestere a vitezei de sudare. Pentru incalzirea suplimentara poate fi utilizat si un arc electric. [http://www.baesystems.com/ProductsServices/ss_tes_atc_adv_mat_adv_weld.html]. Cercetari in domeniul utilizarii sudarii FSW a aliajelor de aluminiu din sectorul aviatic au fost concentrate spre reducerea fortelor de sudare prin optimizarea geometriei sculei si a parametrilor de sudare, inclusiv prin utilizarea sudarii hibride cu aport suplimentar de caldura, [http://www.eads.com/1024/en/eads_innovation/Innovation_Articles/research/friction_stir_welding.html]. O directie speciala de cercetare la Institutul de sudura din Osaka (Japonia) se refera la dezvoltarea procedeelor de sudare FSW, laser, respectiv a unor procedee hibride a acestora folosind un arc electric sau de plasma. S-a avut in vedere aplicarea rezultatelor la sudarea aliajelor de aluminiu, magneziu, a otelurilor de inalta rezistenta, precum si a imbinarilor eterogene dintre acestea, [http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/division/mps-eps_e.htm]. Prin sudarea FSW asistata cu laser a otelurilor carbon se poate asigura o crestere a vitezei de sudare, microstructura sudurii nefiind afectata de fasciculul laser, [H. Fujii s.a. - http://www.jstage.jst.go.jp/article/jwstaikai/2007f/0/2007f_78/_article]. Aplicarea sudarii FSW asistate cu laser conduce, deasemenea, reducerea solicitarilor asupra sculei, respectiv a numarului de defecte la sudarea materialelor cu punct de topire inalte. In acelasi timp, creste gradul de libertate in alegerea parametrilor de sudare, [FUJII Hidetoshi ; TATSUNO T., TSUMURA T.,TANAKA M., NAKATA K. - Hybrid Friction Stir Welding of Carbon Steel, Materials science forum , 2008, vol. 580-82, pp. 393-396, http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=20477822]. Procedeul de sudare hibrida FSW WIG a fost studiat la Universitatea din Trieste (Italia). La sudarea FSW clasica apare o limitare aposibilitatilor de aplicare industriala, limitare care deriva din valoarea marea fortelor care apar in procesul de sudare. Ca o consecinta a acestor forte sunt necesare sisteme de fixare extrem de rigide, viteze de sudare mici pentru a asigura integritatea sculei, scule din materiale cu rezistenta ridicata . Prin prevederea unei sursesuplimentare de energie termica se mareste gradul de libertate in separarea functiei de plastifiere a materialului de cea de omogenizare structurala prin frecare (stirring). Se pot utiliza sisteme care opereaza cu un nivel de solicitari mai redus ce permit conditii de operare termomecanica mai favorabile si viteze de sudare mai mari. Sudarea FSW hibrida nu influenteaza procesele din ZTM intrucat sursa suplimentara de caldura este plasata in fata sculei si foarte apropape de aceasta. Din aceasta cauza este necesara o cantitate redusa de caldura pentru preincalzire cu o dispersie termica lateral mica. Pentru a caracteriza sistemul de sudare hibrida s-arealizat o modelare cu elemente finite, [Characterisation, modelling and development of a solid state welding process of industrial interest: Friction Stir Welding , 1stInternational Conference and Exhibition Joining of Aluminium Structures Moscova,2007, http://www.ricercaitaliana.it/prin/unita_op_en-2004095788_005.htm]. Utilizand sudarea hibrida FSW a fost elaborata o solutie noua pentru repararea defectelor de sudare si pentru evitarea aparitie defectelor de sudare la intersectia unor suduri, [Method of using friction stir weldingto repair weld defects and to help avoid weld defects in intersecting welds -United States Patent 6230957]. Intersectia unor suduri prin topire realizate pe materiale sensibile la fisurare ca, de exemplu, aliajul 2195 Al-Cu Li, prezinta o sensibilitate la fisurare ridicata atat in timpul sudarii, cat si ulterior, cu ocazia efectuarii unor incercari de verificarea a sudurilor. Aceste fisuri au fost puse in legatura cu o structura metalurgica particulara in zona de topire a sudurilor VPPA/SPA. Prin resudarea (overwelding) FSW a sudurilor initiale dinspre partea superioara structura turnata este transformata intr-o structura recristalizata cu graunti fini si rezistenta la fisurare. La NASA a fost inventat un nou procedeu de sudarea hibrida FSW, denumit sudare termica FSW, la care se produce o separare fizica intre sursa de caldura, pin si operatia de forjare, [H. K. D. H. Bhadeshia in http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/FSW/aaa.html]. Incalzirea este produsa cu ajutorul unui inductor, ceea ce permite realizarea unui camp de temperatura independent de procesul de sudare FSW. Scula de sudare este un pin fara umar care este urmat de un set de role de forjare. Acest procedeu a fost dezvoltat in primul rand pentru a permite sudare palcilor de groasime mare din titan. La sudarea conventional FSW la grosimi peste 12 mm din titan nu se obtin rezultate corespunzatoare (fara defecte de sudare) datorita faptului ca gradientii de temperature la diferite adancimei de material creeaza conditii de curgere diferite a materialului. Sudarea hibrida rezolva aceasta problema.1. Date generaleSudarea prin frecare cu element activ rotitor este un procedeu de sudare prin presiune in stare solida derivat din sudarea prin frecare. Principiul procedeului eset ilustrat in figura 1.

Incalzirea materialului se produce prin frecarea dintre o scula care se roteste cu viteza mare si piesele de imbinat, aflate in contact.Procedeul se preteaza pentru realizarea unor imbinari cap la cap.Sudarea prin frecare cu element activ rotitor este o dezvoltare recenta (dupa 1990) care s-a bucurat de o atentie deosebita din partea utilizatorilor.Procedeul are urmatoarele caracteristici favorabile:a. Sub aspect calitativ (metalurgic)- proces de sudare n faz solid;- deformatii reduse;- lipsa pierderilor n elemente de aliere;- structur metalurgic fin;- lipsa fisurilor, incluziunilor de gaze.b. Sub aspect economic- consum energetic redus;- nu necesit materiale de adaos;- productivitatea ridicat (viteze de sudare 0,1 12 m/min);- reducerea lucrrilor de pregtire (ante si postsudare);- cheltuieli de personal reduse;- sudare dintr-o singur parte (max. 60 75 mm grosime).c. Proces de sudare ecologic- nu necesit gaze de protectie;- lipsa noxelor si a radiatiilor.2. Echipamente de sudareIn figura 2 se prezinta un echipament de sudare universal. Un astfel de echipament este asemanator din punct de vedere al constructiei si functionarii cu o masina de frezat. De altfel, o masina de frezat poate fi utilizata pentru sudarea cu acest procedeu.

In practica se utilizeaza, mai ales, echipamente specializate de sudare pentru aplicatii specifice. Un astfel de echipament destinat sudarii unor containere din cupru pentru deseuri radioactive este prezentat in figura 3.Elementul principal al echipamentuluie este scula de sudare (pin). Aceasta se executa dintr-un material; rezistent la uzare ca , de exemplu, wolfram sau, la solicitari mari, nitrura de bor policristalina, PCBN. In figura 4 si figura 5 se prezinta doua scule de sudare, realizate din wolfram, respectiv PCBN.

Scula are un varf cu o geometrie data (cilindrica, conica etc) care patrunde in material. Echipamentele de sudare sunt foarte scumpe si ele contin, mai ales in cazul imbinarii unor elemente de grosime relativ mare, structuri extrem de rigide, adecvate solicitarilor care apar in timpul procesului de sudare.3. Recomandari tehnologiceParametrii principali de sudare sunt:- forma constructiv si geometria elementului activ;- viteza de rotaie a uneltei, n ( sute rot/min);- viteza de avans la sudare, v.Procesul de sudare este influentat si de:- poziionarea pinului fa de linia mbinrii;- adncimea de ptrundere;- lungimea pinului uneltei;- condiiile de rcire datorate plcii suport;- materialul si condiiile de rcire a uneltei.Sudarea prin frecare cu element activ rotitor se aplica pentru realizarea exclusiv a unor imbinari sudate cap la cap cu rost neprelucrat (in I). Deschiderea rostului este teoretic zero.Nu este necesara o prelucrare a suprafetelor inainte de sudare.In general, pot fi sudate elmente cu grosimea 0,1 -75 mm.Avand in vedere potentialul imens de aplicare, cat si particularitaile specific ale acestui procedeu au fost elaborate standarde specifice ca:ISO 25239-1:2011 Friction stir welding Aluminium Part 1: VocabularyISO 25239-2:2011 Friction stir welding Aluminium Part 2: Design of weld jointsISO 25239-3:2011 Friction stir welding Aluminium Part 3: Qualification of welding operatorsISO 25239-5:2011 Friction stir welding Aluminium Part 5: Quality and inspection requirements.4. Materiale sudabileProcedeul a fost dezvolta pentru imbinarea aluminiului, aplicatiile fiind extinse si la magneziu. O data cu dezvoltarea unor scule corespunzatoare (cu o durata de viata acceptabila) au fost asigurate conditiile de utilizare a procedeului si la sudarea altor materiale: cupru, titan, oteluri, precum si a unor combinatii de materiale ca Al+Cu, Cu+alam, Al+Mg, Mg+alama.AplicaiiPrincipalele aplicatii se refera la elemente din aluminiu, magneziu, cupru.Procedeul este aplicat in prezent cu succes in diferite sectoare industriale aducand avantaje remarcabile, atat sub aspect calitativ, cat si economic in comparatie cu alte procedeele de sudare constructiile.Aplicatii actuale ale procedeului se regasesc in diferite sectoare industriale:- constructii navale pentru panouri pentru platforme, perei, plansee; hale si suprastructuri; platforme de aterizare pentru elicoptere; instalaii de refrigerare; platforme maritime, etc.Panouri sudate pentru aplicatii navale

- constructii auto pentru caroserii, motoare si sasiuri, bandaje de roi, componente de autocamioane, macarale mobile de la vehiculele de transport, rezervoare de combustibil, remorci, cadre de motociclete si biciclete;- aeronautica pentru fuselaje; podele; aripi; lonjeroane; rezervoare de combustibil;- vehicule de transport feroviar pentru componente trenuri de mare vitez, usi exterioare si interioare vagon, sasiuri, containere, cisterne pentru trenuri de marf;- constructii civile si industriale pentru componente poduri de aluminiu, panouri de faade, cadre de ferestre, conducte din aluminiu, scri interioare si exterioare, pasaje pietonale ntre cldiri.