Zváranie trením (Friction stir welding FSW) (premiešavacie zváranie trením)

Zváranie trením je zváracia technógia, ktorá spája materiál bez natavenia spájaných materiálov a tým nedochádza k negatívam spojeným s procesom tuhnutia vo zvarovom kove, akými sú vnesenie vmestkov, inherentné chyby pri tuhnutí -stiahnutiny, pórovitosť, naplynenie, segregácia prvkov, difúzne procesy vedúce k degradácii mikroštruktúrnych zložiek atď. Technológia FSW bola vyvinutá na základne požiadaviek leteckého priemyslu pre zváranie hliníkových zliatin, práve z dôvodu zložitých podmienok zvárania všetkých typov hliníkových zliatin.

Základný proces FSW je jednoduchý, čo dokumentuje aj obrázok č.1. Rotačný zvárací nástroj s vhodne navrhnutým pinom je vtlačený do priložených koncov zvarencov a pri vhodných otáčkach zvárania je vedený pozdĺžne k línii zvaru. Rotačný člen ohrieva trením zváraný materiál a vytvára zvar miešaním materiálu plastickou deformáciou. V mieste pohybu pinu a čela zváracieho nástroja dochádza k lokálnemu ohrievanu materiálu a tým k jeho mäknutiu. Plastickou deformáciou je materiál prenášaný z nábehovej strany pinu ku zadnej strany pinu. Tento opis je iba zjednodušený, pre predstavu akým spôsobom dochádaza k premiešaniu materiálu vo zvare. V mieste interakcie pinu z materiálom sa nachádzajú oblasti s rôznou napätosťou a rôznym charakterom deformácie.


Obrázok č.1 Schématické znázornenie procesu FSW
[1]

Vďaka intenzívnej plastickej deformácii a zvýšeným teplotám sa dá zabezpečiť aby sa výsledná mikroštruktúra zváraného materiálu v oblasti zvaru vyznačovala jemnými rovnoosými rekryštalizovanými zrnami. Takáto jemná mikroštruktúra zabezpečuje dobré mechanické vlastnosti. Mikroštrukúra je však závislá od teplotného a deformačného poľa v mieste zvárania a okolitého materiálu. Je nutné očakávať, že mikroštruktúra nebude v celom zvare homogénna, že sa bude vyznačovať rozdielnymi mikroštruktúrnymi oblasťami. Tieto oblasti sa dajú rozdeliť na (obrázok č.2):

Zmiešavaciu oblasť (I.)– oblasť materiálu kde dochádza k intenzívnej plastickej deformácii a najvačšiemu ohrevu. Jedná sa o oblasť kde dochádza ku dynamickej rekryštalizácii. Vyznačuje sa zníženou dislokačnou hustotou.

Tepelne a deformačne ovplyvnenú oblasť (termomechanicky ovplyvnená oblasť)(II.)– oblasť materiálu v ktorej nedochádza k tak intenzívnej plastickej deformácii, jedná sa najmä a o tlakové a ťahové napätia ktoré ovplyvňujú vývoj mikroštruktúry. Keďže táto oblasť sa nachádza blízko najväčšieho vzniku tepla, dá sa očakávať že v danej oblasti bude dochádzať k rozpúšťaniu a (alebo) k hrubnutiu precipitátov. V tejto oblasti nedochádza k dynamickej rekryštalizácii z dôvodu nedostatočnéj deformácie.

Tepelne ovplyvnenú oblasť (III.) – oblasť materiálu v ktorej dochádza k tepelnému ovplyvneniu  materiálu prestupom tepla zo zváranej oblasti. V tejto oblasti už dochádza iba k deformáciám na základe rozdielnych rozťažností jednotlivých mikroštruktúrnych zložiek. Deformačne však už do tejto oblasti proces FSW nezasahuje. Tepelné namáhanie je cyklického charakteru a teplotné intervaly sú v oblasti precipitačných teplôt. V tejto oblasti dochádza k hrubnutiu precipititačnej štruktúry.

Základný materiál (IV.)– oblasť materiálu v ktorej nedochádza ku zmene mikroštruktúry

Obrázok č.2 Mikroštruktúrne oblasti po procese FSW [2]

FSW je kompexný tepelne deformačný proces, ktorý vplýva na vývoj mikroštruktúry superpozíciou všetkých nám známych dejov, čím tvorí veľmi zaujímavý systém pre pozorovanie a skúmanie deformačných procesov a ich vplyvu na mikroštruktúru materiálu.  

Jednou z výhod FSW metódy je to, že pre zvarenie dvoch materiálov nie je nutné použiť prídavný materiál a tak sa vyhnúť problémom  vyplývajúcim z  rozdielneho chemickým zloženia zváraného materiálu a prídavku. Táto „prostrediu prívetivá“ technológia nepotrebuje ani prídavné ochranné zváracie soli a plyny. V prípade hybridov tejto technológie sú však používané ochranné atmosféry.

Metóda sa používa najmä na zváranie hliníkových plechov, bez väčších obmien v technológii je možné použiť FSW na zváranie iných materiálov. FSW metódou je možné zvárať aj rozdielne materiály.

Použitá literatúra:
[1]R.S. Mishraa, Z.Y. Ma: Friction stir welding and processing,Materials Science and Engineering R 50 (2005) 1–78
[2]link