Obróbka cieplna połączeń FSW umacnianych wydzieleniowo stopów aluminium

W pracy omówiono aktualne osiągnięcia w zakresie uzyskiwanych efektywności połączeń zgrzewanych tarciowo z przemieszaniem stopów aluminium serii 2XXX i 7XXX. Przytoczono przy tym wybrane wyniki badań własnych nad stopami AA2519-T62 i AA7075-T651, realizowanymi w Wojskowej Akademii Technicznej. Główny nacisk został położony na problematykę obróbki cieplnej połączeń, zwłaszcza anormalnego rozrostu ziaren i aktualnych trendów naukowych jego przeciwdziałaniu.

Fot. iStock

Z artykułu dowiesz się:

• jakie są ograniczenia tradycyjnych metod spawania wysokowytrzymałych stopów aluminium,
• na czym polega technologia friction stir welding (FSW) i jakie daje efekty,
• jakie są wyzwania i aktualne kierunki badań nad obróbką cieplną połączeń FSW.

Wpływ konwencjonalnych metod spawania na wytrzymałość połączeń stopów aluminium

Wykonywanie połączeń spójnościowych wysokowytrzymałych stopów aluminium wiąże się na ogół z istotnym pogorszeniem ich adekwatności mechanicznych z uwagi na wydzieleniowy charakter umocnienia występujący w tej grupie materiałów konstrukcyjnych. Podczas procesów spajania ciepło, nieodłącznie towarzyszące tym operacjom technologicznym, prowadzi do rozpuszczania i przestarzania niestabilnych termicznie wydzieleń faz umacniających. Koncentrując się na stopach aluminium o najwyższych parametrach wytrzymałościowych, można wyróżnić grupy 2XXX (Al-Cu) oraz 7XXX (Al-Zn-Cu-Mg). W przypadku stopów serii 2XXX, pomimo stosowania zaawansowanych technik spajania, m.in. spawania wiązką lasera, przyjmuje się za minimalną efektywność złącza na poziomie 66% [1].

Praktycznie taka sama efektywność została osiągnięta przez WAT w spawanych laserowo połączeniach 5 mm blach ze stopu AA2519-T62, co odpowiada około 310 MPa wytrzymałości na rozciąganie [2]. Rozpatrując stopy serii 7XXX, na przykładzie najbardziej popularnego AA7075-T6, można przywołać efektywności otrzymane metodą TIG wynoszące niespełna 60% [3] oraz najnowsze próby łączenia wykorzystujące laser pulsacyjny, z możliwością uzyskania efektywności przekraczającej 75% [4]. Niezależnie od obranej techniki spawania można przyjąć, iż na skutek procesu łączenia otrzymuje się redukcję wytrzymałości materiału bazowego wynoszącą od 25 do 40%.

Technologia FSW jako odpowiedź na ograniczenia tradycyjnych metod łączenia

W tym zakresie dopiero pod koniec minionego stulecia z pomocą przyszła technologia zgrzewania tarciowego z przemieszaniem – FSW (ang. friction stir welding). Ponieważ proces spajania FSW jest realizowany bez udziału fazy ciekłej, eliminuje szereg problemów związanych z porowatością i pękaniem na gorąco połączeń, a co ważniejsze, znacząco obniża temperaturę procesu w porównaniu do konwencjonalnych technik spawalniczych [5]. Znajduje to przełożenie na efektywności uzyskiwanych połączeń wysokowytrzymałych stopów aluminium, ponieważ niższa temperatura procesu pozwala na ograniczenie niekorzystnych przemian faz umacniających.

Zaprzęgając tę technikę do realizacji połączeń uprzednio wyszczególnionych stopów aluminium, można przywołać następujące efektywności: 87% (R_m = 410 MPa) w przypadku stopu AA2519-T62 [6] oraz blisko 77% (R_m = 447 MPa) dla stopu AA7075-T651 [7]. Nadmienić należy, iż dużą popularnością cieszą się różne modyfikacje techniki FSW, umożliwiające uzyskanie jeszcze wyższych poziomów wytrzymałości połączeń. W tym kontekście warto przytoczyć spajanie FSW w środowisku wodnym (ang. underwater friction stir welding), które w tej chwili jest przedmiotem intensywnych badań prowadzonych przez WAT i pozwala na osiągnięcie efektywności łączenia stopu AA7075-T651 wynoszącej ponad 92% (Rm = 540 MPa).

Wyzwania związane z obróbką cieplną połączeń FSW

Pomimo relatywnie wysokich parametrów wytrzymałościowych połączeń FSW stopów serii 2XXX i 7XXX wciąż obserwuje się silną potrzebę dalszego udoskonalania, ponieważ głównym czynnikiem determinującym wytrzymałość rozpatrywanych złączy jest udział fazy umacniającej w tzw. strefie niskiej twardości (LHZ, ang. low-hardness zone). W związku z tym wiele prac badawczych upatruje możliwości odtworzenia wytrzymałości materiału rodzimego w wyniku obróbki cieplnej po procesie zgrzewania. Rozwiązanie to sprawdza się w przypadku konwencjonalnych spoin [3, 8], w przypadku których zastosowanie przesycania i starzenia (lub w niektórych przypadkach jedynie starzenia) umożliwia wyjątkowo bliskie zbliżenie do parametrów wytrzymałościowych materiału rodzimego. Jak dość gwałtownie się okazało, w przypadku połączeń FSW zastosowanie obróbki cieplnej stanowiło jedynie kolejne wyzwanie natury badawczej. Niewątpliwym sukcesem obróbki cieplnej w postaci umacniania wydzieleniowego jest odtworzenie fazy umacniającej w połączeniu FSW. Przejawia się to między innymi w podwyższeniu i wyrównaniu wartości mikrotwardości w obszarze złącza (rys. 1).

Podstawowy problemem, z którym przyszło się zmierzyć, nie dotyczył jednak dystrybucji fazy umacniającej, a struktury ziarnistej, poddanego obróbce materiału.

W stanie bezpośrednio po spajaniu połączenia FSW charakteryzują się ultradrobnoziarnistą strukturą w jądrze zgrzeiny, w zależności od warunków łączenia, odznaczającą się rozmiarem ziarna na poziomie 1-10 µm [9]. Jest to dość korzystna cecha tych połączeń, zapewniająca m.in. wysoką odporność na propagację pęknięć [10]. Jednak poddane procesowi obróbki cieplnej połączenia FSW wysokowytrzymałych stopów aluminium ulegają znacznemu rozrostowi ziaren. Zjawisko to, określane mianem anormalnego rozrostu ziaren (AGG, ang. abnormal grain growth), ma swoje przyczyny w silnej anizotropii jądra zgrzeiny, niskiej gęstości dyslokacji oraz rozpuszczonych wydzieleniach, prowadzących do znacznej ruchliwości granic ziaren w podwyższonej temperaturze [11]. Rozrost następuje w temperaturze przesycania, która w przypadku stopu AA2519-T62 wynosi 530°C, co skutkuje powstawaniem ziaren o wielkości 1-2 mm (rys. 2).

Badania prowadzone przez WAT nad obróbką cieplną połączeń FSW stopu AA2519 wykazały, iż otrzymana struktura gruboziarnista ma katastrofalne dla złącza skutki, w szczególności w warunkach występowania obciążeń zmiennych [12]. w tej chwili obróbki cieplne połączeń FSW wysokowytrzymałych stopów aluminium przeważnie ograniczają się do starzenia sztucznego lub przede wszystkim do starzenia naturalnego, któremu rozpatrywane złącza ulegają mimowolnie do paru miesięcy od realizacji procesu zgrzewania.

Kierunki badań nad ograniczeniem anormalnego rozrostu ziaren (AGG)

Warto przywołać szereg prac badawczych, które wydają się rozwiązywać lub w najgorszym wypadku ograniczać zjawisko rozrostu ziarna podczas przesycania. Pierwszym podejściem stała się daleko idąca modyfikacja samych parametrów procesu obróbki cieplnej – m.in. w postaci wyżarzania połączeń przed umacnianiem wydzieleniowym równolegle ze zwiększeniem temperatury przesycania (w przypadku stopu AA2219 choćby do 560°C) [13]. Pomimo korzystnych wyników w zakresie ograniczenia rozrostu ziarna problematyczne wydaje się opracowywanie osobnych parametrów obróbki cieplnej dedykowanych połączeniom FSW, a istotnie różniących się od tych stosowanych dla materiału rodzimego. Drugie podejście ma na celu wytworzenie połączenia FSW, które nie będzie ulegało anormalnemu rozrostowi ziaren podczas umacniania wydzieleniowego. Prace badawcze ukazujące się w ostatnich miesiącach wskazują, iż jest to osiągalne. Przykładowo wykazano, iż zakładkowe połączenia FSW AA2024/AA6061 wytworzone w środowisku wodnym, poddane obróbce cieplnej, charakteryzują się o 90% mniejszą podatnością do anormalnego rozrostu ziaren w jądrze zgrzeiny [14].

Za przyczynę tego stanu rzeczy uznano większy udział objętościowy wydzieleń, pozwalający na efektywniejsze blokowanie ruchu granic ziaren.

Jednak prowadzone ostatnio przez WAT badania nad obróbką cieplną połączeń doczołowych stopu AA7075-T651 wytworzonych w środowisku wodnym nie wykazały podobnego efektu w zakresie ograniczenia rozrostu ziarna. Prawdopodobnie więc, poza samą realizacją procesu zgrzewania pod wodą, istotną rolę odgrywają również inne czynniki, m.in. związane z parametrami samego procesu spajania. Interesującym, ze względu na swoją prostotę, podejściem wydaje się zwiększenie jednego z podstawowych parametrów procesu zgrzewania – prędkości obrotowej narzędzia, co prowadzi m.in. do zwiększenia gęstości dyslokacji w jądrze zgrzeiny, a tym samym skutecznie ogranicza rozrost ziarna w warunkach przesycania (480°C) połączeń FSW stopu AA7075-T651 [11].

Przeważnie, z uwagi na m.in. konieczność minimalizacji wypływki, dąży się do niskich wartości prędkości obrotowej narzędzia, jednak stawiając za cel postprocesową obróbkę cieplną, pójście w kierunku jej zwiększenia w tej chwili wydaje się opcją wartą rozważenia. Również w tym przypadku badania przeprowadzone przez WAT potwierdziły pozytywny efekt w postaci znacznego ograniczenia rozrostu ziarna w zgrzanych doczołowo blachach o grubości 5 mm, wykonanych ze stopu. AA7075-T651.

Może Cię również zainteresować: Rozwój stali dla energetyki

Piśmiennictwo

1. Alfieria V., Caiazzoa F., Sergi V., Autogenous Laser Welding of AA 2024 Aluminium Alloy: Process Issues and Bead Features, Procedia CIRP, 2015, 33, 406-411, ISSN 2212-8271. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.06.094.
2. Kosturek R., Grzelak K., Torzewski J., Wachowski M., Śnieżek L., Microstructure and Mechanical Properties of Sc-modified AA2519-T62 Laser Beam Welded Butt Joints, Advances in Materials Science, 2022, Vol. 22, No. 4 (74). 10.2478/adms-2022-0019
3. Wang Z., Zhang Z., Cheng J., Song G., Liu L., Simultaneously increased strength and plasticity of TIG-welded 7075-T6 aluminum alloy joints via a novel post-weld composite treatment process, Journal of Materials Research and Technology, Volume 26, 2023, 542-555.
4. Yue K., Miao Q., Ma G., Niu F., Wu D., Crack-free pulsed laser welding of 7075 aluminum alloy: Microstructure, crack prediction, and mechanical properties, Journal of Manufacturing Processes, 2025, 146, 159-171, ISSN 1526-6125. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.04.094.
5. Kubit A., Derazkola H., Jurczak W., Ochałek K., Myśliwiec P., Wojciech M., Łastowska O., Podulka P. Slota J., Effects of process parameters on dynamic and static load capacity of EN AW-2024-T3 aluminum alloy joints prepared by friction stir welding. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2025, 25. 10.1007/s43452-025-01204-8.
6. Kosturek R., Torzewski J., Joska Z., Wachowski M., Śnieżek L.: The influence of tool rotation speed on the low-cycle fatigue behavior of AA2519-T62 friction stir welded butt joints, Engineering Failure Analysis, 2022, 142, 106756. 10.1016/j.engfailanal.2022.106756
7. Kosturek R., Torzewski J., Wachowski M., Śnieżek L.: Effect of Welding Parameters on Mechanical Properties and Microstructure of Friction Stir Welded AA7075-T651 Aluminum Alloy Butt Joints, Materials, 2022, 15, 5950. 10.3390/ma15175950
8. Xiaohong W., Anjing R., Junjie L., Yang L., Wang P., Haoran T., The Influence of Post-weld Heat Treatment on the Performance of 2024 Aluminum Alloy Laser Autogenous Welded Joints. Journal of Materials Engineering and Performance, 2025, 1-9. 10.1007/s11665-025-12022-7.
9. Prangnell P., Heason Ch., Grain structure formation during friction stir welding observed by the ‘stop action technique’. Acta Materialia, 2005, 53. 3179-3192. 10.1016/j.actamat.2005.03.044.
10. Milan M.T., Bose Filho W.W., Tarpani, J.R., Fatigue Crack Growth Behavior of Friction Stir Welded 2024-T3 Aluminum Alloy Tested under Accelerated Salt Fog Exposure, Materials Performance and Characterization, 2014, 3. 10.1520/MPC20130036.
11. Panwariya Ch., Dheerendra K.D., Mechanistic insights into abnormal grain growth suppression in friction stir welded 7075-T651 aluminum alloys through variation in tool rotational speed, Materials Today Communications, 2024, 40, 110133, ISSN 2352-4928, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.110133.
12. Kosturek R., Śnieżek L., Wachowski M., Torzewski J., The Influence of Post-Weld Heat Treatment on the Microstructure and Fatigue Properties of Sc-Modified AA2519 Friction Stir-Welded Joint, Materials, 2019 ,12, 4, 1-17. 10.3390/ma12040583
13. Wang Z., Xu Y., Effect of a novel intermediate heat treatment process on abnormal grain growth in 2219 aluminum alloy friction stir welds, Materials Science and Engineering: A, 2023, 885, 145604, ISSN 0921-5093, https://doi.org/10.1016/j.msea.2023.145604.
14. Ghazaei Najafabadi M.A., Abdollah-Zadeh A., Mofid M.A., Post-weld heat treatment effects on microstructure and mechanical properties of underwater friction stir-welded AA 2024/6061 lap joints, Materials Chemistry and Physics, 2025, 339, 130789, ISSN 0254-0584, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2025.130789.

dr inż. Robert Kosturek
Wydział Inżynierii Mechanicznej
Zakład Zmęczenia Materiałów i Konstrukcji Maszyn
Wojskowa Akademia Techniczna