Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea de ingineria sistemelor biotehniceSpecializarea Ingineria mediului

SUDAREA PRIN FRECARE CU ELEMENT ACTIV ROTITOR

Universitatea Politehnica BucurestIFacultatea de ingineria sistemelor biotehniceSpecializarea ingineria mediului

Sudarea prin element activ rotitor

Cuprins: 1) Sudarea prin frecare cu element active rotitor; 2) Avantajele si dezavantajele procedeului de sudare prin frecare cu element active rotitor; 3)Principiul de functionare 4)Unghiul de inclinare al sculei si adancimea pe care este introdus cilindrul in raport cu suprafata materialului 5)Materiale ce pot fi sudate cu acest procedeu 6)Aplicatii ale acestui procedeu

Sudarea prin frecare cu element activ rotator

Sudarea prin frecare cu element activ rotirtor(FSW) este un procedeu de imbinare in stare solida care se bazeaza pe incalzirea prin frecare si deformarea plastic a materialului pieselor, produsa prin interactiunea unei unelte de sudare rotative, neconsumabile, cu suprafete de imbinat( fara a se atinge punctual de topire al materialelor de sudat). Acest procedeu de sudura a fost inventat si experimentat de Wayne Thomas si o echipa de colegi de la Institutul de sudura Marea Britanie, in decembrie 1991.Domeniul de componente si materiale pentru care se poate utilize procedeul FSW este in continua expansiune, procedeu devenind rapid o tehnlogie industriala importanta. Exista cazuri in care nu este necesara intotdeauna o sudura continua pentru a indeplini cerintele de performanta ale produsului. Astfel la aplicatii unde este necesara o rezistenta mai scazuta si la component profilate proiectantii trebuie sa ia in considerare realizarea unor tipuri de suduri intermitente. Tehnologiile de sudare in puncte bazate pe frecare, ca de exemplu sudarea prin frecare in puncte(FSpW) si sudarea prin frecare in puncte cu element active rotitor(FSSW) sunt metode de imbinare in stare solida prin care se produc prinderi sub forma de puncte. Aceste tehnologii se bucura de o atentie considerabila in partea industriei producatoare de component auto si industriei aeronautice, datorita faptului ca aceste procedee reprezinta o alternative care inlatura dezavantajele prezentate de utilizarea sudarii prin topire si a nituirii.

Procedeul de sudare prin frecare cu element active rotitor(Friction Stir Welding) este considerat un punct de referinta in dezvoltarea tehnologiilor de imbinare a diferitelor materiale, precum si al conceptiei si executiei sudate complexe. Procedeul ecologic de sudare FSW a cunoscut o evolutie rapida prin acordarea unui interes deosebit in lumea stiintifica, captand, deopotriva , atentia celor mai prestigioase centre de cercetare din Europa, Japonia si S.U.A., precum si a unor companii industrial de renume din sectoare de varf ca aerospatial sau transport terestru.Colectivul de cercetare angrenat in proiect isi propune dezvoltarea procedeului de sudare FSW prin contributii proprii inovative pe 2 directii de cercetare:-sudarea hibrida, cu aport suplimentare de caldura prin incalzire suplimentarea cu are electric-WIG, cu arc electric rotitor, plasma sau cu fascicule laser-in scopul extinderii posibilitatii de utilizare a procedeului la imbinarea otelurilor de mare rezistenta si la realizarea unor imbinari eterogene cu diferente semnificative intre proprietatile celor 2 materiale ca, de exemplu, otel aluminiu, imbinari greu sau chiar imposibil de realizat prin alte procedee;-incarcarea prin frecare cu element active rotitor FSW cu unealta consumabila din material avansate( aliaje de Al, Mg, Ti, Cu), a unor suprafete din otel pentru imbunatatirea unor suprafete functionale.Acest proces este utilizat in principal pe aluminiu si de cele mai multe ori pe piese mari, care nu pot fi usor tratate termic. Metoda se bazeaza pe forjarea componentelor de aluminiu fara ca temperature sa depaseasca punctual de topire al materialului. Aceasa se obtine prin utilizarea unei unelte rotative care se deplaseaza de-a lungul rostului si imbina componentele prin forjare. Dupa forjare, rosturile sunt in cea mai mare parte netensionate si au o suprafata de fund perfecta datorita faptului ca sunt sudate dintr-o parte.

Sfera corespunzatoare de aplicare FSW:-constructii navale;-platforme maritime-industria aerospatiala;-vagoane de cale ferata, tramvaie, vagoane de metrou;-industria constructoare de masini;-fabricarea berii;-constructia de poduri;-fabricarea motoarelor electrice-idustria de aparare;-elemente de raciere.

Fig1.Masina de sudat FSW. Fig2.Detaliu masina sudare FSW.La sudarea materialelor cu duritati mari, pe masina de sudare FSW existenta datorita solicitarilor radiale mari asupra uneltei de sudare s-au constata devieri ale pozitiei arborelui principal al capului de sudare fata de axa verticala si la grosimi relative mici de material, s=4-6 mm.

Avantajele si dezavantajele procedeului de sudare prin frecare cu element rotitor active

Avantajele acestui procedeu sunt:-Proprietati mecanice ale imbinarii foarte bune;-Calitatea sudurii este excelenta-Lipsa porilor care pot aparea in cazul sudarii cu arc electric-Lipsa gazelor si a fumului care apare la sudarea cu arc electric-Lipsa elementelor consumabile-Poate suda in toate pozitiile -Impact scazut apupra mediului inconjurator-Usor de automatizat

-In general realizeaza o suprainaltare minima si un aspect la sudurii esthetic, aceste lucruri eliminand necesitatea unor lucrari prin aschiere dupa sudura.

Dezavantaje:-Prezenta gaurii de final prin care se retrage scula;

-O viteza de sudare mai mica in comparative cu alte procedee de sudare dar acest lucru poate fi benefic daca numarul de treceri este mic;-Este mai putin flexibil decat sudarea manuala cu arc electric.

Principiul de functionare

In cazul procedeului de sudare prin frecare cu element activ rotitor se utilizeaza un cilindru profilat la un capat( profil care poate fi filetat sau plat) care are o miscare de rotatie si o viteza de deplaseare constanta, fiind pozitionat in zona de imbinare dintre 2 piese, care sunt apropiate. Cele 2 piese trebuie sa fie bine fixate astfel incat sa nu se departeze una de cealalta in timpul procesului de sudare. Lungimea portiunii profilate trebuie sa aibe contact in permanenta cu suprafata de lucru.

Datorita frecarii se genereaza caldura intre echipamentul de sudare( cilindurul si suprafata profilata) si materialul celor 2 piese. Aceasta caldura impreuna cu cea care apare in urma procesului de amestecare, produc o plastifiere a materialului pieselor fara atingerea punctului de topire. Datorita atingerii temperaturii de plastifiere se realizeaza procedeul de amestec care reprezinta trecerea materialului din fara cilindrului in spatele acestuia, timp in care se aplica o forta suplimentarea pentru a consolida materialul sudat. Sudarea materialului este posibila datorita deformatiilor plastic severe ce apar in stare solida, care cauzeaza o recristalizare dinamica a materialului de baza.

Devoltarea procedeului de sudare FSW prin contributii proprii innovative pe 2 directii de cercetare;--sudarea hibrida, cu aport suplimentar de caldura prin incalzire suplimentara cu arc electric WIG( fig. 1), cu arc electric rotitor, plasma sau cu fascicule laser-in scopul extinderii posibilitatii de utilizare a procedeului la imbinarea otelurilor de mare rezistenta si la realizarea unor imbinari eterogene cu diferente semnificative intre proprietatile celor 2 materiale ca, de exemplu, otel-aluminiu, imbinari greu sau chiar imposibil de realizat prin alte procedee;

--incarcarea prin frecare cu element active rotitor FSW cu unealta consumabila din material avansate(aliaje de Al, Mg, Ti, Cu) a unor suprafete din otel pentru imbunatatirea suprafetelor functionale(fig. 2).

Problematica incarcarilor de suprafata cu straturi functionale prin procedeul de sudare FSW cu unealta consumabila nu a fost abordata pe plan mondial. Din punct de vede stintiific, aplicare noii tehnici implica cercetari complexe pentru: stabilirea materialelor pentru formarea straturilor compatibile cu aplicarea FSW, definirea marimilor de intrare si de iesire ale sistemului strat-substrat, interactiunea strat-substrat la incarcarea FSW cu unealta consumabila.

Fig.2 Schita incarcare FSW cu unealta consumabilaExemple de scule pentru sudarea cu FSW

Unghiul de inclinare al sculei si adancimea pe care este introdus cilindrul in raport cu suprafata materialului.Adancimea pe care este introdus cilindrul in raport cu suprafata materialului reprezinta un parametru foarte important pentru obtinerea unei imbinari sudate de buna calitate, deoarece aceasta actiune conduce la exercitarea unei presiuni chiar sub cilindru, care ajuta la forajarea materialului care se afla in spatele sculei. Inclinatia sculei cu 2-4 grade, astfel incat partea din spate sa fie mai joasa decat partea din fata, adduce un efect benefic in procesul de forjare al materialului.

Materiale ce pot fi sudate cu acest procedeu

Procedeul de sudare prin frecare cu element active rotitor poate fi folosit pentru imbinarea unei mari varietati de material si combinatii de materiale. Pentru aliaje de aluminiu, urmatoarele aliaje pot fi sudate cu usurinta.Grosimea maxima ce poate fi sudata la o singura trecere este dependent de puterea echipamentului de sudare, dar grosimi mai mari sau egale cu 50 mm. se pot suda.-2000 series aluminium (Al-Cu);-5000 series aluminium (Al-Mg);-6000 series aluminium (Al-Mg-Si);-7000 series aluminium (Al-Zn);-8000 series aluminium (Al-Li).Alte material ce pot fi sudate cu acest pocedeu sunt:-cupru si aliajele sale-plumb-aliaje de magneziu-zinc-oteluri inoxidabile-aliaje de nichel.

Sudarea prin frecare cu element active rotitor a doau table de aluminiu.Oteluri si aliaje de titan.

Cel mai popular aliaj de aluminiu turnat, contine 8et% silicon. De aceea in urma solidificarii prezinta zone cu o mixtura eutectica de aluminiu in solutie solida cu silicon pur si zone denditrice. Dupa solidificare particulele devin fragile. Sudarea prin sudare cu element active rotitor prezinta avantajul de a amesteca materialul din zona de imbinare fapt care conduce la eliminarea porilor din imbinare si a particulelor din silicon fragile in urma procedeelor mecanice, dupa cum se poate vedea si in imaginea de mai josMicrografia optician care este prezentat: a) Materialulb) Zona afectata termic c) Zona influentata termomecanic.

Aplicatii ale acestui procedeu

Bibliografie:http://www.msm.cam..ac.uk./phase-trans/2003/FSW/aaa.htmlhttp://www.scienedirect.com/sciencehttp://en.wikipedia.org/wiki/friction_stir_welding 2