29 września 2022


Inżynierowie z Pacific Northwest National Laboratory opracowali nowy proces umożliwiający łączenie grubych blach aluminiowych i stalowych, który może przyczynić się do powstania nowej generacji pojazdów pancernych o obniżonej masie.

dovetailing2

Według danych amerykańskiego Government Accountability Office, każdego roku armia Stanów Zjednoczonych wydaje kilka miliardów dolarów na paliwo. Proponuje się więc redukcję zużycia paliwa, m.in. poprzez zmniejszenie masy własnej pojazdów, statków i samolotów. Jednym z podmiotów realizujących ten postulat jest TARDEC (Tank Automotive Research Development and Engineering Center), w ramach którego badane są rozwiązania umożliwiające zbudowanie wozów bojowych o obniżonej masie własnej, a przez to mających zwiększony zasięg i mobilność, które jednocześnie będą spełniały wymogi bezpieczeństwa. Jedną z rozpatrywanych możliwości jest zastąpienie części ciężkich podzespołów stalowych lżejszymi, wykonanymi z aluminium. Konieczne stało się przezwyciężenie podstawowej trudności – ze względu na znaczną różnicę temperatur topnienia, obu metali nie można zespawać.
Współpracujący z TARDEC inżynierowie z Pacific Northwest National Laboratory sięgnęli po rozwiązania stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, będące pochodnymi zgrzewania tarciowego z przemieszczeniem (Friction Stir Welding). Inspiracją do opracowania metody uzyskiwania wytrzymałych połączeń grubych blach ze stali i aluminium były stosowane w stolarstwie połączenia wczepowe. Metoda, nazwana zgrzewaniem tarciowym z wczepieniem (Friction Stir Dovetailing), wykorzystuje specjalne narzędzie, które wtłacza rozgrzane aluminium w trapezowy rowek na powierzchni arkusza stali, tworząc mocowanie mechaniczne. Jednocześnie tarcie narzędzia wytwarza połączenie metalurgiczne (z wykorzystaniem składnika międzymetaliczego Fe3Al) na spodzie trapezowego rowka.
Seria testów wykazała, że skrzyżowanie mocowania mechanicznego z wiązaniem metalurgicznym w ramach opracowanej metody pozwala na uzyskanie połączeń cechujących się większą wytrzymałością i ciągliwością niż połączenia uzyskane z wykorzystaniem innych metod zgrzewania tarciowego. Było to możliwe także dzięki zaawansowanej aparaturze kontrolnej, która poprzez regulację temperatury i nacisku na granicy między arkuszami blach pozwoliła na ograniczenie rozrostu składnika międzymetalicznego. Nieregularny wzrost jego grubości prowadzi bowiem do kruchości i łamliwości połączenia. W przypadku zgrzewania tarciowego z wczepieniem osiągnięto pięciokrotnie większą ciągliwość, co stanowi ważną zaletę, ze względu na potencjalne zastosowania militarne kompozytu.
Obecnie w Pacific Northwest National Laboratory trwają prace nad opracowaniem innych wariantów tej metody, wykorzystujących inne typy mocowania mechanicznego. Nowe możliwości wiążą się także z zastosowaniem innych zestawów metali. Możliwe jest łączenie w ten sposób aluminium z miedzią i magnezem, a także magnezu ze stalą.

www.pnnl.gov