Najpogostejše napake pri FSW varjenju so nepopolna uvarjenost, prevelika penetracija zvara (koren), srh na temenu zvara, linearno neujemanje, vbočeno teme vara, neenakomerna širina zvara, neustrezna hrapavost površine zvara, podolgovata votlina in razpoke v zvaru. [15] Ultrazvočno odkrivanje napak je že dolgo najprimernejša metoda za neporušitveno preskušanje pri varjenju.
Ker je metoda natančna in enostavna, je ultrazvok potisnila v ospredje inšpekcijske tehnologije.
Ultrazvočni pregled se izvaja z uporabo pretvornika ravnih žarkov v povezavi s kotnim. Pretvornik ravnih žarkov proizvaja longitudinalne valove, ki prvi odkrijejo kakršne koli površinske napake v območju, ki so bila pod vplivom toplote ali v njeni bližini. To je pomembno, ker pretvornik kotnih valov morda ne bo mogel zagotoviti povratnega signala iz te površinske napake. Temu sledi uporaba kotnega pretvornika, ki s pomočjo ustvarjanja strižnih ali longitudinalnih valov, načel loma in pretvorbe načina, pregleduje dejanski zvar. Ta pregled vključuje korenino, rob in krono zvara ter toplotno prizadeta območja. Z ustreznimi tehnikami kotnih žarkov lahko odboji, ki se vrnejo od območja zvara, operaterju omogočijo določitev lokacije defekta in njegovo vrsto. [6]
4 POSTOPKI VARJENJA
4.1 Varjenje z gnetenjem – FSW
4. 1.1 Zgodovina metode varjenja FSW (Friction stir welding)
Čeprav lahko združitev materialov izsledimo do več kot 2000 let nazaj, se je varjenje pojavilo kot nujen postopek v proizvodnji pozno, v 19. stoletju. Temu postopku so sledila številna odkritja, kot sta acetilen in oksiacetilen blowpipe, znan kot plinsko varjenje, lok med dvema ogljikovima elektrodama, ki vodita do obločnega varjenja, in električno segrevanje, ki privede do uporovnega varjenja. Med tem ko je bilo varjenje s plinom v začetku 90. let 20. stoletja bolj prakticirano, je
bilo po tem veliko napredka narejenega na področju oblokovnega postopka. Plinski in oblokovni proces sta obliki fuzijskega varjenja, kar pomeni, da se morata dela v postopku varjenja najprej stopiti, nato pa se kot celota strdita.
Pri obločnem fuzijskem varjenju je gostota toplotne energije običajno nizka, kar privede do širokega območja varjenja (veliko staljene kovine). Ta območja so prizadeta zaradi toplote, kar posledično vpliva na visoko stopnjo okvar povezanih s strditvijo, zmanjšanjem moči materiala in izkrivljanjem. Da bi se izognili tem težavam, se v poznih 50. letih razvije zožena oblika obloka – plazemsko varjenje. Kasneje se z izumom laserja, ki omogoča veliko koncentracijo toplote in s tem globoko penetracijo, hitro pojavi lasersko varjenje, ki se uporablja še danes. Pri tej metodi je sposobno doseči debel var z zelo ozko staljeno zvarno cono in območja, ki so prizadeta s toploto.
Tako je kakovost laserskega varjenja na splošno zelo visoka.
Pred izumom metode FSW je bilo prej kar nekaj tehnoloških razvojev nefuzijskih postopkov varjenja, ki so imeli omejeno uporabo v industriji. Eden od teh procesov je varjenje s trenjem. V tem postopku je delovna temperatura manjša od temperature tališča obdelovanih materialov. Da je zvar med dvema deloma narejen, je potrebna visoka temperatura. To dobimo s pomočjo trenja, ki ga povzroči različna hitrost premikanja enega v stiku z drugim (fiksni del – premični del).
Premikanje je lahko rotacijsko ali pa translacijsko. Ko je s trenjem primerna temperatura dosežena na material, ustvarimo mehansko silo, ki mora vedno delovati pravokotno na silo trenja, kar obdelovana dela ob visoki temperaturi združi, in ko s premikanjem zaključimo in temperatura pade, dela ostaneta zavarjena skupaj. Čeprav je metoda enostavna, je njena težava geometrija, kar njeno uporabo omeji.
Za varjenje v trdnem stanju je termomehansko načelo trenja postavilo pomembno podlago za poznejši izum postopka FSW. Inštitut za varjenje (TWI – The Welding Institute) v Veliki Britaniji se je leta ukvarjal z raziskovanjem področja varjenja s trenjem in razvil številne različice metod za varjenje s trenjem. Sem spadajo učinki tretjega telesa na material v plastičnem (omehčanem) stanju in njegov transport, adiabatsko segrevanje med deformacijo ter razmerje med navorom in hitrostjo vrtenja, ko je prisotna zadostna količina omehčanega materiala med procesom.
Leta 1991 je Wayne Thomas, ki je delal na področju raziskav in razvoja varjenja na inštitutu TWI, s sodelavci dobil zamisel za rotacijsko sondo tršega materiala, kot je material obdelovancev. Ta sonda bi material omehčala do stanja plastičnosti in ga transportirala do te mere, da se obdelovanca združita. To odkritje je še danes poznano kot FSW (friction stir welding – varjenje z gnetenjem).
Zagotavlja varjenje na zelo široki paleti struktur in velik spekter geometrije.
Varjenje brez taljenja je zelo pomembno, saj zagotavlja odsotnost razpok povezanih s strjevanjem.
Poleg tega poteka postopek brez emisij in hlapov za razliko od obločnih metod. FSW je okolju prijazen postopek, saj ne proizvaja hlapov, radiacij, dima in svetlobe, ki lahko poškodujejo vid.
Zanj prav tako ne potrebujemo nobenega polnilnega materiala, kar daje dodatno prednost pri fazi mikrostrukture zvara, saj je zvar mešanica polnila in matične kovine, ki se pogosto razlikujejo.
Do danes je FSW najbolj uspešno uporabljen pri varjenju aluminija. Razlog za to je enostavnost postopka in široka uporaba aluminija v pomembnejših panogah. Zlasti v primerih, kot ga je imel Boeing za Delta 2 raketo, pri kateri so uporabili metodo varjenja s plazmo, in je bila stopnja defekta več kot 90 %. FSW pa jim je omogočil to stopnjo zmanjšati na skoraj 0 %. [14]
4.1.2 Opis postopka varjenja FSW
Varjenje z gnetenjem je inovativen postopek, ki je bil uspešno uporabljen pri spajanju aluminijastih zlitin, ki jih je običajno težko variti, saj je aluminij mehka, zelo občutljiva kovina.
Poleg tega je aluminij v staljenem stanju zelo občutljiv za nečistoče, kar povečuje tveganje, da bo na koncu prišlo do šibkih poroznih zvarov. [8] Postopek FSW, kot je predstavljen na sliki 15, uporablja cilindrično orodje s posebnim profiliranim zatičem. Vrtljivo orodje se vtisne v spoj kosov pritrjenih na podlogo. Ko trenje zmehča material, zatič potisnemo v polno globino, ki se potem premika v smeri zvara. Varjenje poteka v trdni fazi pod tališčno točko materiala, kar ponuja več prednosti od varjenja s taljenjem, kot so boljše vzdrževanje osnovnih lastnosti materiala, nižji preostali stres in odlične mehanske sposobnosti. [9]