Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (ang. Friction Stir Welding, FSW) zostało opracowane i opatentowane w 1991 r. przez Instytut Spawalnictwa w Cambridge (ang. The Welding Institute, TWI). Nowa technologia miała stanowić alternatywę dla konwencjonalnych technik łączenia aluminium w przemyśle lotniczym – przede wszystkim nitowania. Jej zalety docenili jednak szybko także producenci z branż motoryzacyjnej, stoczniowej, kolejowej i kosmicznej. W 2010 r. świat obiegła informacja, że metoda FSW jest szeroko testowana przez NASA i w przyszłości posłuży do budowy zbiorników paliwa wykonanych ze stopu aluminium i litu. O jej wyborze zdecydowały nie tylko niższe koszty produkcji, ale przede wszystkim ogromna wytrzymałość połączenia – większa niż materiałów wyjściowych.

Ta bardzo popularna w USA i Japonii metoda mimo ewidentnych zalet jak dotąd nie wzbudziła w Polsce większego zainteresowania. Wdrażana jest przede wszystkim przez duże koncerny i z trudem przebija się do świadomości przedsiębiorców. A szkoda, bo jej zalety powodują, że mogłaby z powodzeniem zastąpić szereg tradycyjnych technik łączenia metali. 

Przebieg procesu

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem stanowi odmianę tradycyjnego zgrzewania tarciowego, w którym materiał jest najpierw nagrzewany w procesie tarcia, a następnie spajany przez stopniowe zwiększanie docisku łączonych elementów.

W przeciwieństwie do zgrzewania tarciowego w metodzie FSW komponenty są mocowane na sztywno względem siebie, a tradycyjne oprzyrządowanie zastępowane jest specjalnym narzędziem składającym się z wieńca opory i trzpienia. Jest ono wprowadzane w materiał, tak by trzpień odpowiednio się w nim zagłębił, nie przerywając jednocześnie jego ciągłości od strony grani. Przesuwając się wzdłuż linii złącza, narzędzie wykonuje jednocześnie ruch obrotowy generujący tarcie na powierzchni detali. Rozgrzany w ten sposób metal ulega uplastycznieniu, nie osiągając jednak temperatury topnienia. Jednocześnie obroty trzpienia wprawiają uplastyczniony materiał w ruch okrężny zachodzący w dwóch kierunkach – zgodnym z kierunkiem obrotu narzędzia w strefie odkształconej plastycznie wokół jądra (strefie natarcia) oraz przeciwnym do kierunku obrotu narzędzia w strefie jądra (strefie spływu). W efekcie metale mieszają się ze sobą, tworząc odkształconą termomechanicznie, wytrzymałą mikrostrukturę o jakości odkuwki.

W przeciwieństwie do spoin wytwarzanych w procesach łączenia z przetopem zgrzeina nie ma kształtu dendrytycznego, lecz równoosiowy, a jej ziarna osiągają wielkości rzędu 1–10 μm, co zapewnia połączeniu wysoką wytrzymałość zmęczeniową – z reguły przekraczającą wartości uzyskiwane przez poszczególne materiały wyjściowe. Ponieważ nie dochodzi do stopienia materiału, połączenie jest wolne od wad typowych dla procesu krzepnięcia, takich jak porowatość gazowa, segregacja czy wytrącenia.

Główne parametry procesowe

Choć proces zgrzewania metodą FSW może wydawać się prosty, to w jego trakcie na materiał oddziałuje wiele czynników o charakterze termomechanicznym, które wywierają różnoraki wpływ na poszczególne strefy zgrzeiny. Oprócz wspomnianego jądra, zwanego też strefą zrekrystalizowaną dynamicznie, w strukturze zgrzeiny wyróżnia się strefę uplastycznienia termomechanicznego, znajdującą się w bezpośrednim sąsiedztwie jądra i podlegającą odkształceniu plastycznemu, a także strefę wpływu ciepła o zmienionej, ale nieuplastycznionej strukturze.

Największą intensywność zjawisk termomechanicznych rejestruje się w obszarze jądra (strefy spływu), w którym powstaje właściwe połączenie. O jego jakości decyduje w sumie sześć głównych parametrów procesowych: prędkość obrotowa narzędzia, prędkość liniowa zgrzewania, siła docisku narzędzia do powierzchni detali, kąt pochylenia i głębokość penetracji narzędzia, a także jego kształt i geometria. Dwa pierwsze parametry są bezpośrednio zależne od rodzaju i grubości zgrzewanych materiałów. Zasadniczo wzrost prędkości obrotowej narzędzia powoduje wzrost temperatury w jądrze, a tym samym lepsze wymieszanie metali. Zbyt wysoka temperatura sprzyja jednak przyczepianiu się materiału do powierzchni wieńca opory, a tym samym wzrostowi chropowatości lica zgrzeiny. Odwrotny wpływ na temperaturę w jądrze wywiera prędkość zgrzewania – im jest ona większa, tym materiał mniej się nagrzewa, co w skrajnych przypadkach może skutkować jego niepełnym wymieszaniem. Stąd też prędkość obrotowa i liniowa pozostają w ścisłej korelacji i powinny być tak parametryzowane, aby wzajemnie się kompensować.

Z kolei siła docisku narzędzia i kąt jego pochylenia mają bezpośredni wpływ na jakość powierzchni złącza. Badania pokazały, że kontrola siły docisku w trakcie całego procesu pozytywnie wpływa na gładkość lica zgrzeiny, zapobiegając wypływaniu uplastycznionego materiału poza strefę łączenia, a tym samym pocienieniu tej strefy. Korzystne rezultaty przynosi również zagłębienie czoła narzędzia 0,15–0,4 mm poniżej powierzchni materiału, a także takie jego pochylenie, aby tylna część wieńca opory była bardziej zagłębiona niż przednia. Zapewnia to odpowiednie wymieszanie materiału, a także redukuje liczbę wad lica, w tym nadmierną wypływkę.

O efektywności przemieszania materiału decyduje także głębokość penetracji trzpienia – zbyt duża może powodować uszkodzenie narzędzia w efekcie styku z mocowaniem, a zbyt mała – niepełne wymieszanie materiału na całej grubości połączenia. W przypadku elementów zgrzewanych doczołowo długość trzpienia powinna być o ok. 0,2–0,5 mm mniejsza niż grubość łączonych komponentów.

Geometria i kształt narzędzia

Osobnego potraktowania wymaga kwestia odpowiedniej geometrii i kształtu narzędzia. O ile bowiem w połączeniach doczołowych wysoka jakość zgrzeiny jest w dużej mierze zależna od odpowiedniego doboru ww. parametrów, o tyle w przypadku połączeń na zakładkę okazują się one niewystarczające do skutecznego przeciwdziałania typowym deformacjom, w tym pocienieniu i hakowatości.

W przezwyciężeniu tych trudności sporą rolę odegrały prace prekursora metody FSW – instytutu TWI, który opracował dwa typy narzędzi przeznaczonych do zgrzewania materiałów na zakładkę: o trzpieniu trójrowkowym z rozchodzącymi się rowkami oraz o cylindrycznym trzpieniu gwintowanym nachylonym względem obrabianej powierzchni. Alternatywne badania nad kształtem i geometrią trzpieni prowadził także Instytut Spawalnictwa w Gliwicach. W efekcie zaprezentował on narzędzie o trzpieniu helikoidalnym z trójstronnie ściętą pobocznicą, umożliwiające uzyskanie optymalnej wytrzymałości i jakości lica zarówno w połączeniach doczołowych, jak i zakładkowych.

Największy wkład w rozwój technologii umożliwiającej masową produkcję komponentów łączonych na zakładkę z wykorzystaniem metody FSW miała jednak firma Eclipse Aviation, producent Eclipse 500 – pierwszego samolotu, w którym złącza nitowane zastąpiono połączeniami zgrzewanymi tarciowo. Wymagało to przeprowadzenia serii prac badawczo-rozwojowych, podczas których testom poddano 15 różnych geometrii narzędzia, zmieniając długość i geometrię trzpienia oraz średnicę opory. W efekcie opracowano narzędzie, które – w połączeniu z odpowiednim mocowaniem i zaawansowanym systemem kontroli termicznej – umożliwiło niwelację pocienień i hakowatości złącza. Testy końcowe wykazały, że połączenia stopów aluminium wytworzone metodą FSW miały 2–4 razy większą wytrzymałość niż pojedynczy rząd nitów, a także większą wytrzymałość i niższą masę (dzięki zastosowaniu mniejszej zakładki) niż podwójne nitowania.

Liczne zalety technologii FSW

Wysoka wytrzymałość i jakość połączenia odgrywa kluczową rolę w przemyśle ciężkim, jednak to tylko jeden z argumentów przemawiających za wdrożeniem technologii FSW w sektorze wytwórczym. Najważniejszą jej zaletą jest bowiem możliwość łączenia ze sobą metali różnych typów, w tym materiałów uznawanych powszechnie za trudnospawalne lub niespawalne (np. mosiądz). Zgrzewać można m.in. stal z aluminium, stal z niklem, miedź z aluminium i miedź z tytanem, a także odlewy i stale szlachetne. Generalnie przyjmuje się, że do łączenia tą metodą nadaje się każdy metal, który może być kuty.

Przeprowadzone przez instytut TWI badania porównawcze połączeń aluminium wytworzonych z użyciem konkurencyjnych metod spajania dowiodły, że zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem oferuje najszerszy zakres zastosowań i może być wykorzystywane zarówno do tworzenia połączeń doczołowych (o grubości od 1 do >25 mm), jak i zakładkowych (1–25 mm). Zbliżone wyniki uzyskano jedynie dla spawania laserem i wiązką elektronów. W porównaniu z technologią laserową metoda FSW wymaga jednak znacznie niższych nakładów inwestycyjnych w fazie przygotowawczej, a także generuje mniejsze koszty eksploatacyjne, zużywając jedynie 2,5% energii elektrycznej niezbędnej do zasilania lasera. Co więcej, umożliwia rezygnację z rozbudowanych środków ochrony indywidualnej i zbiorowej niezbędnych w przypadku pracy z laserem (okularów, szybek ochronnych, osłon czy kabin) oraz materiałów dodatkowych, takich jak drut czy gazy procesowe i osłonowe.

Brak konieczności stosowania materiałów dodatkowych ma pozytywny wpływ nie tylko na koszty wytwarzania, ale także na środowisko naturalne. Mniejsze zużycie surowców, brak odpadów poprodukcyjnych i zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery, a także niskie zapotrzebowanie na energię predestynują metodę FSW do odegrania roli technologii przyszłości o marginalnym wpływie na otoczenie – zwłaszcza że pozwala ona też ograniczyć masę komponentów stosowanych w najbardziej energochłonnych branżach, przyczyniając się do redukcji zużycia paliwa.

Z punktu widzenia producentów nie mniej istotną zaletą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem jest wysoka efektywność obróbki przekładająca się na skrócenie czasu produkcji komponentu. W przeciwieństwie do nitowania i innych technik manualnych proces zgrzewania można łatwo zautomatyzować, dzięki czemu skróci się czas cyklu i obniżą się koszty personalne związane z obsługą procesów wytwórczych.

Ponieważ w metodzie FSW nie zachodzi konieczność wstępnego przygotowania powierzchni (z wyjątkiem usunięcia warstwy tlenków), a połączenia mogą być wykonywane w jednym przejściu i w dowolnej pozycji, proces ten niemal nie wymaga udziału człowieka. Jego zadania ograniczają się do kontroli parametrów obróbczych w celu zapewnienia odpowiedniej powtarzalności wymiarowej i jakościowej detali. Obrobiona powierzchnia na ogół nie wymaga też obróbki wykończeniowej: przy zastosowaniu odpowiedniego narzędzia nie powstają nieestetyczne wypływki, które należałoby usunąć w procesie szlifowania.

Ograniczenia technologiczne

Jedną z największych słabości technologii FSW jest konieczność użycia wysokiej jakości narzędzi o odpowiedniej geometrii: aby efektywnie łączyć niejednorodne materiały, narzędzie musi cechować się odpowiednią wytrzymałością, tj. być wykonane z materiału twardszego niż obrabiany surowiec. Stanowi to istotną trudność w przypadku metali twardych, takich jak stal czy tytan, których zgrzewanie skutkuje szybkim zużywaniem się i koniecznością częstej wymiany narzędzi.

Szczególnej uwagi wymaga także mocowanie detali – muszą one być na tyle stabilnie osadzone w uchwycie, aby nie doszło do ich przesunięcia lub pękania w trakcie obróbki. Niezbędnymi elementami mocowania są również płytki dobiegowe i wybiegowe stosowane na początku i końcu ściegu, które ograniczają negatywne efekty wejścia i wyjścia narzędzia z materiału.

Innym problemem technologicznym – zwłaszcza w początkowym etapie produkcji – może być dostosowanie do siebie poszczególnych parametrów zgrzewania, zwłaszcza prędkości obrotowej i posuwu, wywierających istotny wpływ na temperaturę złącza. Jeśli jej wartość będzie zbyt wysoka, jeden materiał lub oba mogą ulec stopieniu. Tym samym nie dojdzie do ich zmieszania, lecz nastąpi dyfuzja negatywnie oddziałująca na parametry złącza. Podobne skutki będzie miało dostarczenie zbyt małej ilości ciepła: materiał nie ulegnie wówczas pełnemu przemieszaniu, a połączenie będzie cechowało się dużą niejednorodnością – wysoką jakością w pobliżu lica i niską w okolicach grani. Sprawę utrudnia jeszcze fakt, że w przypadku dobrych przewodników, np. miedzi, istnieje konieczność dostarczenia większej ilości ciepła, co zwiększa niebezpieczeństwo stopnienia drugiego metalu. Pomocna może się tu okazać generalna zasada, że w przypadku łączenia jednorodnych materiałów temperatura spajania powinna wynosić nie więcej niż 0,8 temperatury topnienia, a przy zgrzewaniu różnych materiałów – wahać się w przedziale 0,7–0,8.

Zastosowania

Postępy w zakresie przezwyciężania wspomnianych ograniczeń sprawiają, że technologia FSW już dziś stosowana jest w wielu sektorach przetwórstwa przemysłowego, zwłaszcza w przemyśle ciężkim. W branży kosmicznej wykorzystuje się ją do budowy rakiet i zewnętrznych zbiorników paliwa, a także w programach rakietowych NASA, takich jak Falcon 1 i Falcon 9. W sektorze lotniczym z jej zalet korzystają najwięksi producenci: Boeing, Airbus i Embrarer. Pierwszy z nich stosuje ją na masową skalę do łączenia elementów poszycia samolotów transportowych Boeing C-17 Globemaster III i Boeing 747 Large Cargo Freighter. Airbus z jej zastosowaniem wytwarza elementy podłogi samolotu A400 M i panele kadłuba modelu A380. Embrarer zaś korzysta z niej w produkcji samolotów odrzutowych klasy biznes.

Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem, także w wariancie punktowym (FSSW), zyskało również uznanie przemysłu motoryzacyjnego. Pierwszym samochodem, którego komponenty łączono tą metodą, był Lincoln Town Car firmy Tower Automotive. Za jej przykładem szybko podążyli inni producenci, tacy jak Fontaine Trailers (naczepy Revolution), Mazda (modele RX-7 i MX-5), Toyota (Prius), a w Europie – Audi (R8 Spider). Zakres zgrzewanych technologią FSW komponentów jest bardzo szeroki i obejmuje m.in. łoża i maskę silnika, wsporniki mocowania pokrywy bagażnika, tylne drzwi, a także elementy zawieszenia.

W Europie szczególnie intensywnie korzysta z niej firma Sapa – wykonawca systemów aluminiowych m.in. dla sektora motoryzacji. Jej produkty, takie jak stelaż tylnych siedzeń do modelu Volvo V70, tłoki systemów HVAC dla firmy Halla Climate Control i chłodnica wylotu gazów dla firmy Pierburg, zyskały powszechne uznanie producentów i są obecnie masowo stosowane w konstrukcjach pojazdów.

Z zalet technologii FSW korzystają też szeroko pozostałe gałęzie transportu, w tym producenci statków i pociągów. Pierwsi wytwarzają z jej wykorzystaniem kadłuby, platformy lądowisk, pomosty, pokłady, a nawet elementy opancerzenia, drudzy – panele poszycia o długości do 25 m. Do grona czołowych firm stosujących tę technologię należą m.in.: japońska stocznia Mitsui Engineering and Shipbuilding (statek Super Liner Ogasawara), amerykańska Marinette Marine (okręty klasy Freedom), Bombardier (wagony londyńskiego metra), Alstom LBH (pociągi DSB) oraz japońskie koleje państwowe (superszybkie pociągi Shinkansen).

Nie jest przypadkiem, że na liście przedsiębiorstw wykorzystujących zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem w produkcji masowej znalazły się głównie największe koncerny. Tylko one bowiem dysponowały początkowo odpowiednimi środkami. Choć teoretycznie do wdrożenia metody FSW wystarczy zwykła frezarka CNC, to dobór odpowiedniego narzędzia oraz testy wstępne wymagają już dysponowania rozległym zapleczem personalnym i sprzętowym. Stąd też obecnie prognozy dotyczące możliwości popularyzacji technologii FSW wśród małych i średnich przedsiębiorstw są raczej pesymistyczne: aby zainteresować nią sektor MŚP, konieczna jest budowa świadomości korzyści płynących z jej stosowania, a także standaryzacja narzędzi do zgrzewania. A do tego jeszcze daleka droga.

LITERATURA

[1] Kudła K. i in., 2013, Własności zakładkowych złączy spajanych metodą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem (FSW – Friction Stir Welding), „Obróbka Plastyczna Metali” nr 3.

[2] Lacki P. i in., 2012, Wpływ wybranych parametrów procesu zgrzewania tarciowego z przemieszaniem na pole temperatury, „Rudy Metale” nr 8.

[3] Mazurkiewicz K., Bober M., 2018, Wpływ kształtu narzędzia w metodzie zgrzewania FSW stopu Al na jakość zgrzein, „Przegląd Spawalnictwa” nr 8.

[4] Pietras A., Bogucki R., 2015, Rozwój technologii zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału uplastycznionego w strefie zgrzeiny, „Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe” nr 1.

[5] Pietras A. i in., 2013, Wpływ warunków zgrzewania FSW na proces tworzenia złącza z materiałów różniących się właściwościami fizycznymi, „Przegląd Spawalnictwa” nr 11.

[6] www.esab.pl/pl/pl/automation/process-solutions/fsw/process-principles.cfm, stan na 23.04.2019 r.