ZB - 15 Niekonwencjonalne technologie łączenia elementów konstrukcji lotniczych

1. ZB - 15 Niekonwencjonalne technologie łączenia elementów konstrukcji lotniczych Lider merytoryczny Tomasz Sadowski Jarosław Sęk Instytucje partnerskie w zadaniu Politechnika Częstochowska Politechnika Lubelska Politechnika Rzeszowska Instytut Maszyn Przepływowych PAN (Gdańsk)

2. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych ściskanie Md=3 Nm rozciąganie MR=0 - 4 Nm WYBRANE WYNIKI – Politechnika Rzeszowska (R.Śliwa, J.Czaja) Opracowanie wyników badania modelu połączenia metodą światła odbitego Development of test results the model of connection using the reflected light Model CAD badanego węzła w przyrządzie. CAD model of join sample in device Obraz izochrom badanego węzła pod obciążeniem roboczym 4 Nm – węzeł ściskany - podkładka „twarda ” (z lewej), - podkładka „miękka” (z prawej) Isochromatics under working load 4 Nm – connection compressed - "hard" washer (left), - "soft" washer (right) Schemat obciążenia testowanego połączenia Scheme of load of tested conection

3. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyznaczanie elastooptycznej stałej odkształceniowej K (Kε) Determination of the photoelastic constant of deformation transformations K (Kε) Zestaw do wyznaczania stałej Kε Device for determination of deformation factor Kε Przykładowy rozkład izochrom w badanej próbce powłoki optycznie czynnej. Distribution of isochromatics in the sample of optically active layer (example) Wartości rzędu izochromy w zależności od przemieszczenia trzpienia Rows of isochromatics depend of pin displacement K’ – elastooptyczna stała odkształceniowa odczytana z wykresu (dokument TN-701-1, fig. 5), t’A – standardowa grubość kleju odblaskowego (t’A=0,075mm), tA– rzeczywista grubość kleju odblaskowego, tB– grubość belki pomiarowej (tB=6.35mm), tC - grubość powłoki optycznie czynnej (tC=2.9 mm). Kε = 0.0964

4. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wnioski Conclusions Przeprowadzone badania elastooptyczne węzła lotniczego przedstawiają rozkład naprężeń w połączeniu tulei głównej oraz wpływ rodzaju zastosowanej podkładki i kierunku oraz wielkości zastosowanego obciążenia na wielkość naprężeń. Wyznaczona stała elastooptyczna oraz przeprowadzona analiza pozwoli na określenie wielkości naprężeń. Dla pełnego zobrazowania rozkładu naprężeń w badanym połączeniu w kolejnym etapie badań wskazane jest zastosowanie specjalistycznego oprogramowania do analizy obrazów, pozwalającego na dokładne wyznaczenie granic poszczególnych obszarów. The study of the photoelastic tests represents stress distribution in the main tube conection and the influence of the type of the washer and the direction and value of load to be applied to the amount of stress. Designated photoelastic constant, and the analysis will determine the size of the stress. For a full picture of stress distribution in the studied conection in the next stage of research it is advisable to use specialized software to analyze images, allowing for precise determination of the limits of individual areas.

5. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych WYBRANE WYNIKI – Politechnika Rzeszowska (T.Balawender) Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość złącza klinczowego Sposoby zniszczenia złącza klinczowego otrzymane w próbie ścinania (strzałkami zaznaczono kierunki działania sił obciążających złącze): a) złącze blach miedzianych (M1E), b) złącze blach mosiężnych (M63), c) złącze blach stalowych (stal niskowęglowa), d) złącze blach miedź - aluminium, e) złącze blach aluminiowych (A1), f) złącze blach stal – aluminium

6. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość złącza klinczowego Pmax = 3,6 kN 22%

7. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość złącza klinczowego Pmax = 4,1 kN 39%

8. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Parametry geometryczne złączy zakładkowych stal - miedź Parametry mechaniczne złączy stal – miedź otrzymane w testach “pull” i „peel” (uśrednione wartości dla pojedynczego złącza zakładkowego)

9. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość złącza klinczowego • Podsumowanie: • Zmniejszenie tarcia na powierzchni styku łączonych blach jest korzystne dla uformowania złącza klinczowego; powoduje polepszenie parametrów geometrycznych złącza klinczowego, tj. zwiększenie grubości ścianki bocznej w ‘szyjce’ przetłoczenia i zwiększenie ‘zamka’ przetłoczenia. • Zastosowanie środków zmniejszających tarcie pomiędzy łączonymi blachami powoduje zmniejszenie adhezji blach w gnieździe przetłoczenia i dlatego obniża wytrzymałość złącza i absorpcję energii podczas jego zniszczenia. • Zastosowanie kleju jako środka rozdzielającego powierzchnie łączonych blach może być korzystne dla złącza klinczowego; na etapie przetłaczania klej pełni rolę smaru, a po utwardzeniu działa jako dodatkowe spoiwo, które powoduje wzrost wytrzymałości złącza.

10. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych WYBRANE WYNIKI – Politechnika Lubelska (T.Sadowski, M.Kneć) Określenie rozkładów odkształceń w połączeniu hybrydowym: zgrzewano klejowym dodatkowo wzmocnionym kątownikiem Rys. 1 Kształt, wymiary i sposób obciążania próbki Rys. 3 Widok próbki po zerwaniu Strona bez kątownika (tył) Rys. 2 Widok próbki po zerwaniu Strona z kątownikiem (przód)

11. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Rys. 5. Widok odkształceń głównych w chwili maksymalnego obciążenia próbki hybrydowej (na wykresie kolor czerwony) Wyniki dla obu stron próbki zebrane za pomocą dwóch czujników DIC, wyzwol. jednocześnie Rys. 4 Wykresy siła – przemieszczenie dla próbek zgrzewanych, oraz hybrydowych: zgrzewano-klejonych

12. Główne wnioski Wnioski Conclusions • Najbardziej wytężonym przekrojem jest przekrój kątownika w miejscu przylegania do blachy. • Użycie kleju zwiększa nośność złącza ponad dwukrotnie. • W celu obserwacji odkształceń złożonej budowy (3D) próbki niezbędne jest wykorzystanie przynajmniej dwóch systemów DIC (zalecane są nawet trzy systemy).

13. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych WYBRANE WYNIKI – Politechnika Lubelska (T.Sadowski, P.Golewski) Określenie wpływu docisku wywołanego przez łączniki na wytrzymałość połączeń zakładkowych, dwunakładkowych, hybrydowych poddanych jednoosiowemu rozciąganiu F Połączenia zakładkowe F Wzrost nośności połączenia o 5,8% przy sprężeniu siłą 500N i o 20,4% przy sprężeniu siłą 1500N Wzrost nośności połączenia o 7,5% przy sprężeniu siła 500N i o 14,2% przy sprężeniu siłą 1500N

14. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych F Połączenia dwunakładkowe F Wzrost nośności połączenia o 4% przy sprężeniu siła 500N i o 12,18% przy sprężeniu siłą 1500N Wzrost nośności połączenia o 2,8% przy sprężeniu siła 500N i o 2,4% przy sprężeniu siłą 1500N

15. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wnioski Conclusions • Sprężanie połączeń obu typów daje lepsze efekty dla połączeń czysto mechanicznych niż dla połączeń z warstewką kleju. • 2. Sprężanie połączeń hybrydowych zakładkowych podnosi nośność połączenia o 7,5% dla siły sprężającej 500N oraz o 14,2% dla siły 1500N. • 3. Sprężanie połączeń hybrydowych dwunakładkowych nie przynosi większych korzyści, wzrost nośności jest na poziomie 2% – 3%. • 4. Korzystniejsze jest stosowanie złącz dwunakladkowych niż zakładkowych, gdzie nie występuje dodatkowe zginanie, ich wytrzymałość może być większa od około 10 do 30% w zależności o rodzaju połączenia.

16. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych WYBRANE WYNIKI – Politechnika Rzeszowska (R.Perłowski, J.Sęp, W.Zielecki, B.Ciechcińska) Przygotowanie powierzchni stopu Ti6Al4V do klejenia z wykorzystaniem wiązki lasera. Analiza korelacyjna pomiędzy nośnością połączeń a parametrami geometrycznymi powierzchni Rys.1. Nośność statyczna zakładkowych połączeń klejowych dla różnych wariantów obróbki wiązką lasera 1. Największy wpływ na wytrzymałość połączeń mają parametry charakteryzujące rozwinięcie powierzchni - dla profilu, parametr Rku (współczynnik nachylenia profilu - 0,49) dla powierzchni jego odpowiednik Sku (kurtoza powierzchni -0,46), Str (wydłużenie struktury powierzchni -0,44) oraz Sdq (średnie kwadratowe nachylenie nierówności powierzchni 0,35). Znaczącym również jest Vmc (objętość rdzenia materiału powierzchni 0,55). 2. W wyniku oddziaływania wiązki lasera na powierzchni utworzyły się regularne wgłębienia sprzyjające mechanicznemu kotwiczeniu kleju w złączu. Korzystniejsze jest ukształtowanie licznych i drobnych wgłębień zamiast nielicznych ( z dużym odstępem) głębokich wgłębień.

17. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wytrzymałość statyczna na ścinanie połączeń poddanych działaniu różnych środowisk Stal kwasoodporna X6Cr17, klej metakrylowy AGOMET F300 Próbki – pojedyncza zakładka - 25 x 100 x 1 [mm] – z pięciokrotnym powtórzeniem każdego wariantu 1. Oddziaływanie środowiska zewnętrznego (płynów eksploatacyjnych) ma istotny wpływ na statyczną wytrzymałość połączeń klejowych. 2. Największy spadek wytrzymałości (~60 %) zanotowano dla próbek starzonych w paliwie lotniczym.

18. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Analiza technologii wykonywania połączeń klejowo-zgrzewanych Badania prowadzone są we współpracy z PZL Mielec i dotyczą doskonalenia technologii wykonywania połączeń klejowo nitowych struktur cienkościennych wzmacnianych podłużnicami wykonanych ze stopu aluminium 2024. Przeprowadzone dotychczas badania wstępne obejmowały swoim zakresem: - badania struktury stereometrycznej powierzchni blach ze stopu 2024 w stanie dostawy i po alodynowaniu, - badania energii powierzchniowej w/w powierzchni, - badania wytrzymałościowe zakładkowych złączy klejowych wykonanych z zastosowaniem wybranych klejów oraz wariantów przygotowania powierzchni i warunków utwardzania. 1. Badania struktury geometrycznej powierzchni wykazały, że powierzchnie stopu aluminium 2024 ukonstytuowane w procesie walcowania (stan dostawy) posiadają strukturę płasko wierzchołkową niekorzystną dla procesu klejenia. Natomiast alodynowanie powoduje rozwinięcie powierzchni oraz ukonstytuowanie warstwy tlenkowej pożądanej w procesie klejenia stopów aluminium. 2. Pomiary energii powierzchniowej nie wykazały istotnych różnic energetycznych powierzchni walcowanej (51,3 mJ/m) i alodynowanej (53,8 mJ/m). 3. Zamienników kleju Epodur 619 należy poszukiwać wśród kompozycji epoksydowych dwuskładnikowych utwardzanych termicznie (Epidian 57 + PAC, Epidian 6 + PAC, Loctite 9483). 4. Uzyskane wyniki badań wytrzymałościowych wykazały, że największą wytrzymałość i najmniejszy rozrzut wyników posiadały złącza klejowe, których powierzchnie łączonych elementów były alodynowane. Stąd należałoby rozważyć możliwość wykonania tej obróbki przed operacją zgrzewania elektrooporowego.

19. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Zgrzewanie tarciowe – aluminium 6061 T6 WYBRANE WYNIKI – Politechnika Częstochowska (J.Adamus, P.Lacki, K.Wojsyk, K.Kudła) Rys. 2. Spoina od strony działania narzędzia, pow. 100x Rys. 1. Zgrzewanie tarciowe – pole temperatury Rys. 3. Makrostruktura spoiny Rys. 4. Pustka w spoinie, pow. 100x

20. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Spawanie wiązką elektronów – płyty ze stali 18-8 Rys. 1. Spawanie płyt ze stali 18-8, model PLS-MES Rys. 2. Nadlew i ugięcie - porównanie Rys. 3.Naprężenia zredukowane – przekrój poprzeczny Rys. 4. Naprężenia poprzeczne na powierzchni

21. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Spawanie blach tytanowych Grade 2 i 5 Rys. 2. Stopnie utleniania, Ti Gr 5 Rys. 1. Spawanie EBW tytanu Grade 2 i 5, naprężenia Rys. 3. Przemieszczenie w kierunku Z po spawaniu Rys. 4. Wyniki scratch testu

22. Główne wnioski • W ramach analizy numerycznej procesu FSW przeprowadzone badania pozwoliły na określenie wpływu istotnych parametrów procesu na rozkład pola temperatury w zgrzewanym elemencie. • Analiza numeryczna MES procesu spawania wiązką elektronów EBW umożliwiła optymalizację parametrów procesu. • Na podstawie symulacji numerycznej procesu spawania blach tytanowych określono deformację spawanych blach.

23. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Ocena jakości złączy zgrzewanych przy pomocy żywicy termoplastycznej PEEK WYBRANE WYNIKI – IMP Gdańsk (P.Doerffer, B.Puchowski) Kompozyt epoxydowo węglowy Temperatura wymagana do wykonania prawidłowego złącza przy pomocy PEEK prowadzi do destrukcji żywic epoxydowych. Znaczna deformacja kompozytu epoxydowego pod wpływem temperatury oraz ciśnienia w rejonie złącza.

24. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Brak możliwości wykonania złącza o dużej powtarzalności pod względem wytrzymałości Zbyt duża ilość uszkodzonych połączeń ze względu na temperaturę oraz ciśnienie

25. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Połączenie kompozytu epoxydowego przy pomocy żywic i klejów termoutwardzalnych Siatka grzewcza oraz pomiar temperatury w rejonie złącza

26. Połączenie kompozytu epoxydowego przy pomocy żywic i klejów termoutwardzalnych Umieszczenie złącza w próżni 0,95 bara Brak powietrza w rejonie złacza. Wygrzewanie z ciągłym pomiarem temperatury

27. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Referaty • 1. Piotr Lacki: Symulacja numeryczna procesu spawania blach tytanowych typu TWB spawanych metodą TIG, XIX Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna KONTECH, Poznań-Opalenica, 2012 • 2. Krzysztof Kudła, Kwiryn Wojsyk, Ekonomiczne stosowanie spoin pachwinowych w konstrukcjach spawanych, XVIII. Naukowo-Techniczna Krajowa Konferencja Spawalnicza. Postęp, innowacje i wymagania jakościowe procesów spajania., Międzyzdroje, 2012 • 3. Zielecki W., Kubit A: Badania statyczne wytrzymałości na oddzieranie połączeń • klejowych,., „MODUŁOWE TECHNOLOGIE I KONSTRUKCJE W BUDOWIE • MASZYN – MTK-2012”, 22-25 maja 2012 • 4. Ciecinska B.: Ekologia w klejeniu: analiza alternatywnych sposobów wykonania • połączeń klejowych , „MODUŁOWE TECHNOLOGIE I KONSTRUKCJE W • BUDOWIE MASZYN – MTK-2012”, 22-25 maja 2012 • 5. Ciecinska B., PerłowskiR.Swobodna energia powierzchniowa wybranych • materiałów lotniczych po obróbce laserowej, „MODUŁOWE TECHNOLOGIE • I KONSTRUKCJE W BUDOWIE MASZYN – MTK-2012”, 22-25 maja 2012 • Publikacje • Piotr Lacki, Konrad Adamus, Paweł Wieczorek,Theoretical and experimental analysis of thermo-mechanical phenomena during electron beam welding process,Computers & Structures, status: w recenzji • T. Balawender, T. Sadowski, P. Golewski, Numerical analysis and experiments of the clinch-bonded joint subjected to uniaxial tension, Computational Materials Science, Available online 24 March 2012

28. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Prace mgr, dr, hab. • Prace inżynierskie obronione: • 1. Krystian Gertner: Własności złączy zgrzewanych metodą FSW. • Promotor: dr inż. Kwiryn Wojsyk • 2. Rafał Czerniak: Technologiczne metody podwyższania właściwości mechanicznych spoin i zgrzein. • Promotor: dr inż. Kwiryn Wojsyk. • 3. Mateusz Cyran: Analiza wpływu parametrów zgrzewania na wytrzymałość • zakładkowych złączy ze stali AMS 5510 • Promotor: dr hab. inż. Władysław Zielecki, 19.06.2012

29. Dane do wskaźników realizacji celów projektu • Prace mgr, dr, hab. - planowane na 2012 r. • doktorskie • JanuszCzaja, „Analiza cech mechanicznych i materiałowych elementów połączeń śrubowych silnie obciążonych ” , promotor dr hab. inż. Romana Ewa Śliwa, Prof. PRz • Marcin Kneć, „Badania eksperymentalne oraz modelowanie teoretyczne rozwoju pęknięć w połączeniach klejonych” , promotor prof. dr hab. inż. T.Sadowski • Konrad Adamus, Teoretyczno doświadczalna analiza procesu spawania wiązką elektronów, promotor dr hab. inż.Piotr Lacki • habilitacyjne • Kwiryn Wojsyk: „Energia liniowa spawania i możliwości jej obliczania” • (w trakcie realizacji) • Tadeusz Balawender: (w trakcie realizacji) • Zgłoszenia patentowe dokonane w I półroczu 2012 r. • brak

30. Stan współpracy z przedsiębiorstwami Doliny Lotniczej • WSK Świdnik - współpraca dotyczy zagadnienia klejenia okładzin hamulcowych do klocków hamulcowych hamulca bębnowego wirnika nośnego śmigłowca Mi-2 • PZL Mielec - współpraca dotyczy: • - zagadnienia zgrzewania tarciowego z przemieszaniem, • - połączenia hybrydowe zgrzewano- klejone, i nitowo- • klejone • - doskonalenie technologii wykonywania połączeń klejowo- • nitowych struktur cienkościennych wzmacnianych • podłużnicami wykonanych ze stopu aluminium 2024. • P&W Kalisz - współpraca dotyczy badania możliwości zastąpienia technologii lutowania spawaniem w aparatach kierujących. • WSK Rzeszów - współpraca dotyczy optymalizacji procesu spawania wiązką elektronów

31. Główne wnioski Połączenia hybrydowe i klejone elementów konstrukcji lotniczych • wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że metodologia wykonania • złączy hybrydowych – utwardzanie kleju po klinczowaniu - jest bardziej • efektywna ze względu na wytrzymałość złącza niż metodologia – • utwardzanie kleju przed klinczowaniem • sprężanie połączeń za pomocą nitów daje lepsze efekty dla połączeń • czysto mechanicznych niż dla połączeń z warstewką kleju. • w wyniku oddziaływania wiązki lasera na powierzchni utworzyły się • regularne wgłębienia sprzyjające mechanicznemu kotwiczeniu kleju w • złączu Połączenia elementów konstrukcji lotniczych metodą FSW i EBW • w ramach analizy numerycznej procesu FSW przeprowadzone badania pozwoliły na określenie wpływu istotnych parametrów procesu na rozkład pola temperatury w zgrzewanym elemencie. • analiza numeryczna MES procesu spawania wiązką elektronów EBW umożliwiła optymalizację parametrów procesu. • na podstawie symulacji numerycznej procesu spawania blach tytanowych określono deformację spawanych blach.