Miedź charakteryzuje się wysoką przewodnością elektryczną i termiczną, a także doskonałą odpornością chemiczną. Dlatego obecnie jest trzecim najczęściej używanym surowcem na świecie. Pełni istotną rolę zwłaszcza w technice grzewczej i chłodniczej, a także w aplikacjach elektrycznych i elektronicznych. W 2014 r. niemal 60% przerabianej miedzi wykorzystywano do produkcji kabli i zastosowań elektrycznych, a kolejne 15% w budownictwie.

Powrót impulsu magnetycznego
Zwłaszcza szybki rozwój sektora elektronicznego w ostatnich latach zwiększa zapotrzebowanie na miedź oraz jej cenę. Kolejną wadą stosowania miedzi jest – obok wysokich kosztów – także duża gęstość, która powoduje, że elementy są ciężkie, a tym samym zaprzeczają aktualnemu trendowi związanemu z dążeniem do tworzenia lekkich konstrukcji. Dlatego ze względów ekonomicznych i ekologicznych, a w niektórych branżach (np. w motoryzacji) również w związku z przepisami ustawowymi dotyczącymi redukcji emisji należy dążyć do jak najszerszego zastępowania miedzi alternatywnym materiałem.

Szczególne znaczenie ma przy tym aluminium, którego przewodność elektryczna i termiczna sięga ok. 60% wartości właściwej dla miedzi, podczas gdy koszt na jednostkę wagową wynosi zaledwie ok. 40% kosztu, a gęstość – 30% gęstości miedzi.

Proporcje te skłoniły naukowców i środowisko przemysłowe do zainicjowania wspólnego projektu „Joining of copper to aluminium by electromagnetic fields – JOIN‘EM”. Konsorcjum złożone z 14 przedstawicieli świata przemysłu i nauki z Portugalii, Austrii, Francji, Belgii, Woch i Hiszpanii pod egidą Instytutu Fraunhofera ds. Obrabiarek i Obróbki Plastycznej prowadzi wspólne badania mające na celu zastąpienie elementów, które obecnie produkowane są całkowicie z miedzi, hybrydowymi komponentami z aluminium i miedzi. Będą się one składać w znacznej części z odpowiednich stopów aluminium, natomiast miedź znajdzie się tylko w strefach, w których jest niezbędna.

W ten sposób można znacznie obniżyć koszty i tworzyć lekkie konstrukcje. Wymaga to jednak zastosowania odpowiedniej technologii do ekonomicznej produkcji wysokiej jakości połączeń mieszanych z aluminium i miedzi. Można w tym charakterze wykorzystać zgrzewanie impulsem magnetycznym polegające na tzw. obróbce elektromagnetycznej. Metoda ta zaproponowana została po raz pierwszy w 1970 r., ale w tamtych czasach nie znalazła szerszego zastosowania w przemyśle. Jednak w związku z postępem prac rozwojowych nad konstrukcjami lekkimi od 2000 r. zainteresowanie nią ponownie wzrosło, znajdując odzwierciedlenie w intensywnych badaniach nad możliwościami jej wykorzystania w branży przemysłowej.

Blachy w centrum zainteresowania
Typowy układ do zgrzewania impulsem magnetycznym na przykładzie łączenia rur przedstawiono na ilustracji 2, zaś do łączenia półwyrobów z blachy – na ilustracji 3. Oba składają się z generatora prądu udarowego (reprezentowanego przez zastępczy elektryczny schemat połączeń o pojemności C, indukcyjności wewnętrznej Li i oporności wewnętrznej Ri), geometrycznie dopasowanej do danego zadania cewki narzędziowej (nazywanej też induktorem), obrabianego elementu połączenia (tzw. flyer) i statycznego elementu połączenia (tzw. target).

W celu przeprowadzenia procesu łączenia końce obu elementów połączenia (flyer i target) umieszcza się na zakładkę w zdefiniowanym odstępie. Kondensator generatora prądu udarowego zostaje naładowany, a potem rozładowany przez cewkę narzędziową, tak że płynie tłumiony, sinusoidalny prąd, który indukuje odpowiednie pole magnetyczne i prąd w obrabianym elemencie połączenia skierowany w przeciwną stronę niż prąd cewki. W rezultacie w elemencie tym powstają siły Lorenza, które – gdy osiągną naprężenie na granicy plastyczności materiału – powodują deformację plastyczną w kierunku przeciwnym do cewki narzędziowej. Efekt ten nazywany jest obróbką elektromagnetyczną. Gdy początkowy dystans między elementami flyer i target zostanie pokonany, dochodzi do kolizji obu elementów. Jeśli warunki zderzenia leżą w zakresie okna procesowego uzależnionego od łączonej kombinacji materiałów, dochodzi do zespolenia nierozłącznego bezpośredniego.

Istotne jest to, że w następstwie kolizji przy wysokiej prędkości obrabiane elementy łączą się niemal bez podgrzewania i w strefie wpływu ciepła nie występują indukowane przez temperaturę problemy typowe dla innych metod spawalniczych, takie jak wypaczenie lub utrata wytrzymałości. Fazy międzymetaliczne lub zawierające tlenki niemal nie powstają, co również ma pozytywny wpływ na jakość połączenia. Dzięki temu można tworzyć kombinacje materiałowe konwencjonalnie klasyfikowane jako niespawalne. Poza tym nie są potrzebne żadne gazy ochronne, dodatki czy środki pomocnicze. W związku z relatywnie niewielkim uzależnieniem od narzędzi proces łatwo dostosować do specyficznych warunków. Odznacza się on dobrą powtarzalnością i możliwością automatyzacji, porównywalnie krótkimi czasami procesowymi, a także niewielkim wkładem energii.

Projekt JOIN’EM koncentruje się na rozwoju technologii spawania blach. Dzięki szczegółowym numerycznym i eksperymentalnym studiom parametrycznym ma zostać określony wpływ regulowanych wielkości procesowych na ukształtowanie zespolenia i wynikającą z tego jakość połączenia. To zaś będzie stanowić podstawę wytycznych do realizacji procesu.

W ramach badań wykazano, że jeśli proces jest odpowiednio prowadzony, wykonane w ten sposób połączenia są niezwykle mocne. W trakcie prób wytrzymałości na ścinanie spawanych impulsem magnetycznym miedziano-aluminiowych blach hybrydowych próbka wykonana z miedzi uległa zniszczeniu w znacznej odległości od spoiny (ilustracja 4). Dowodzi to, że wytrzymałość spoin łączących jest wyższa niż wytrzymałość na rozciąganie miedzi, której ścianka (o grubości 0,5 mm) jest znacznie cieńsza niż ścianka blachy aluminiowej (o grubości 2 mm), a tym samym jest materiałem słabszym.

Strefę łączenia analizowano pod mikroskopem. Ilustracja 1 ukazuje wycinek spoiny łączącej z falami i spętleniem w strefie grzbietu fali. Podobnie jak w przypadku platerowania wybuchowego również zespolenia zgrzewane impulsem magnetycznym charakteryzują się często (ale nie zawsze) falistym szwem. Zgrzewanie impulsem magnetycznym wymaga jednak stosowania zdecydowanie mniejszych środków bezpieczeństwa, a sam proces można znacznie łatwiej zintegrować z produkcją. Bardzo niewielkie fazy międzymetaliczne są usytuowane tylko lokalnie (na ogół w strefie spętleń) i nie tworzą ciągłej warstwy rozgraniczającej. Także w zakresie przewodności elektrycznej połączenia zgrzewane impulsem magnetycznym odznaczają się dobrymi własnościami. Ilustracja 5 ukazuje ich oporność elektryczną w porównaniu z blachami zaciśniętymi pod zdefiniowanym ciśnieniem kontaktowym w skręconym śrubami urządzeniu. W obu przypadkach wyjściowymi półwyrobami były blacha aluminiowa o grubości 2 mm (EN AW-1050) i blacha miedziana o grubości 1,5 mm (CU-DHP). Mierzono wynikający ze zdefiniowanego, zapamiętanego prądu elektrycznego spadek napięcia na grubości zespolenia, a następnie obliczono oporność zespolenia przy wykorzystaniu prawa Ohma.

Potencjalne kombinacje materiałowe
W przypadku blach zaciskanych okazuje się, że zwłaszcza przy zakładkach o niewielkiej długości, które są interesujące w aspekcie oszczędności materiałów, kosztów i ciężaru, konieczne są duże dociski, by utrzymać oporność elektryczną zespolenia na niskim poziomie. Przy większych zakładkach wystarczają relatywnie niewielkie dociski. Należy przy tym uwzględnić, że docisk wymaga wyraźnie wyższych sił. Badane połączenia przy takim samym półwyrobie wyjściowym wykazują na ogół bardzo małe oporności zespolenia, których nie można osiągnąć przez zaciskanie blach.

Poza połączeniami miedź-aluminium zgrzewanie impulsem magnetycznym umożliwia też stosowanie innych kombinacji. Jedynym ograniczeniem jest to, że aby zagwarantować dobrą skuteczność procesu, przynajmniej jeden element łączony (flyer) musi wykazywać się wysoką przewodnością elektryczną. Wśród potencjalnych kombinacji warto wymienić bardzo interesujące dla konstruktorów samochodów połączenia stali i aluminium, a także aluminium i tytanu [9]. Instytut Fraunhofera IWU wraz z Volkswagen AG udowodnił, że metodą tą można też łączyć aluminium i blachy hybrydowe z metalu i tworzywa sztucznego, tworząc tzw. Litecor (ilustracja 6).