Wrijvingsroerlassen: Een metaalverbindingsproces in vaste toestand

 In dit stuk wordt uitgelegd hoe het werkt, waarom het te verkiezen is boven smeltlassen, wat de belangrijkste toepassingsgebieden zijn, zoals auto- en luchtvaartindustrie, een korte update van de moderne ontwikkelingen op het gebied van FSW, en verschillende spin-off processen zoals wrijvingsroerpuntlassen. Het doel is om alle essentiële informatie over dit belangrijke metaalverbindingsproces te behandelen.

Wrijvingsroerlassen: Een metaalverbindingsproces in vaste toestand

Inhoudsopgave

Inleiding

Principes van wrijvingsroerlassen

Voordelen van wrijvingsroerlassen

Gereedschapontwerp en procesparameters

Toepassingen van wrijvingsroerlassen

Uitdagingen en nieuwste ontwikkelingen bij het verbinden van metaal

Innovatieve afgeleiden van wrijvingsroerlassen

Toekomstige ontwikkelingen in wrijvingsroerlassen

Conclusie

FAQs

Wrijvingsroerlassen (FSW) is een nieuw verbindingsproces in vaste toestand dat in 1991 werd uitgevonden aan The Welding Institute in het Verenigd Koninkrijk. Sinds de uitvinding heeft het een grote verandering teweeggebracht in een groot aantal sectoren van de metaalverwerkende industrie die gebruik maken van andere metaalverbindingstechnieken dan smeltlasprocessen. Bij FSW wordt een niet-verbruikbaar roterend gereedschap gebruikt om wrijvingswarmte onder het smeltpunt van de te verbinden materialen op te wekken. Dit verwarmt en verzacht de metalen, waardoor ze aan elkaar gesmeed kunnen worden en er foutloze verbindingen van hoge kwaliteit ontstaan.

Door de afwezigheid van problemen zoals stollingsscheuren en porositeit produceert FSW sterkere, consistentere lassen dan fusiealternatieven. Het is niet alleen beperkt tot aluminiumlegeringen voor de ruimtevaart, maar wordt ook gebruikt in de automobielindustrie, scheepvaart, spoorwegen, enz. Dit zijn de basisprincipes van dit artikel, waaronder de principes van wrijvingsroerlassen, de voordelen van wrijvingsroerlassen, de toepassing van wrijvingsroerlassen en nieuwe ontwikkelingen op het gebied van wrijvingsroerlassen. Het toepassingsgebied omvat alle aspecten van dit belangrijke metaalverbindingsproces.

Werkingsprincipe

FSW is een nieuw proces voor het verbinden van materialen met minder warmte-inbreng en zonder het basismateriaal te smelten. Tijdens dit proces wordt een elektrisch verwarmde niet-condusieve elektrode met een cilindrisch gevormde stift en een cilindrische schouder op twee aangrenzende oppervlakken van de aangrenzende delen geplaatst en van het uiteinde naar het uiteinde van de werkverbinding bewogen.

Warmte opwekken door wrijving

Terwijl de pen van het FSW-gereedschap roteert en door het materiaal beweegt, wordt er wrijvingswarmte gegenereerd tussen de schouder- en penoppervlakken die in contact komen met de werkstukken. Deze warmte zorgt ervoor dat de materialen van de stotende werkstukken zacht worden zonder hun smeltpunt te bereiken. De pen mengt vervolgens de zacht geworden materialen mechanisch door de oorspronkelijke bindingsstructuur te verbreken en ze aan elkaar te smeden.

Een uniforme las vormen

Achter de pen koelt het materiaal af en herkristalliseert het snel, wat resulteert in een verbinding in vaste toestand tussen de twee oorspronkelijke stukken. Dit resulteert in een uniforme lasklomp zonder smelt- of stollingsgerelateerde defecten, zoals gebruikelijk bij smeltlassen.

Voordelen ten opzichte van conventioneel lassen

Uitstekende mechanische eigenschappen

De afwezigheid van smelt- en stolfouten geeft FSW-lassen uitstekende mechanische eigenschappen die gelijkwaardig of superieur zijn aan het basismateriaal in ongelaste toestand.

Verbeterde veiligheid

Vergeleken met fusielasprocessen zoals gasbooglassen, zijn er bij FSW geen dampen, spatten of ultraviolette straling. Dit maakt het een veiliger lasproces.

Geen vulmiddel nodig

Aangezien FSW een proces in vaste toestand is, is er geen vulmateriaal nodig zoals draad of vloeimiddel, wat het proces vereenvoudigt.

Eenvoudige automatisering

De geautomatiseerde sequentiële aard van FSW leent zich zeer goed voor robotachtige en geautomatiseerde implementaties in grote productieseries in verschillende industrieën.

Werkt in alle posities

In tegenstelling tot sommige smeltlasprocessen kan FSW met gelijke doeltreffendheid worden uitgevoerd op materialen in vlakke, horizontale, verticale of bovenhoofdse posities.

Goed lasuiterlijk

Wrijvingsroerlassen zien er doorgaans vlak en gelijkmatig uit met minimale vervorming in vergelijking met smeltlassen.

Gereedschapontwerp en procesparameters

Het belang van gereedschapontwerp

Het ontwerp van het gereedschap speelt een cruciale rol bij het bepalen van de inbranddiepte, de warmteontwikkeling en uiteindelijk de kwaliteit van de las. Geavanceerde gereedschapsontwerpen helpen bij het bereiken van grotere dieptes en dikkere lasnaden.

Variaties in gereedschapsgeometrie

Gereedschapontwerpen kunnen het taster- of penprofiel (profielen variëren van eenvoudige cilindrische vormen tot pennen met schroefdraad of getrapte pennen), de schouderdiameter en eigenschappen variëren om de materiaalstroom te beïnvloeden.

Effecten van procesparameters

Procesparameters zoals rotatie- en verplaatsingssnelheden van het gereedschap, insteekdiepte, enz. hebben een grote invloed op de warmteontwikkeling en materiaalstroom tijdens het lassen. Bij dikkere doorsneden wordt bij lage snelheden de voorkeur gegeven aan het opwekken van minder energie en koppel om diep te kunnen doordringen, terwijl bij dun materiaal een hoge snelheid van toepassing is. Wrijvingsroerlassen is echter een van de veelbelovende verbindingstechnieken in vaste toestand, die verschillende voordelen heeft in vergelijking met andere smeltlasprocessen voor verschillende industrieën... Voortdurende verbeteringen in gereedschapontwerpen en procesparameters verbeteren de mogelijkheden nog verder.

Toepassingen van wrijvingsroerlassen

Metaalmatrixcomposieten

Aluminium matrix composieten verbinden

Het Fsw-proces werd met succes gebruikt voor het lassen van metaalmatrixcomposieten (MMC's) versterkt met harde keramische deeltjes zoals siliciumcarbide (SiC) en boorcarbide (B4C). De methode levert solide verbindingen op in Al matrixversterkingen SiC en B4C deeltjes met mechanische eigenschappen die vergelijkbaar of superieur zijn aan die van de basismetalen.

Verbeterde microstructuur en sterkte

MXY verbindingen die met FSW zijn gemaakt, hebben een fijnere en gelijkmatigere verdeling van de versterkingen in de lasklomp in vergelijking met smeltlastechnieken. Dit vertaalt zich in een hogere verbindingssterkte die die van de basiscomposiet benadert. De afwezigheid van vloei- en ontbindingsdefecten bij FSW voorkomt scheurvorming en porositeitsproblemen die vaak voorkomen bij fusielassen van MMC's.

Auto- en ruimtevaartindustrie

Vliegtuigvleugel en romppanelen

Toonaangevende vliegtuigfabrikanten gebruiken FSW op grote schaal om panelen van aluminiumlegeringen te verbinden voor vleugels, rompen en staartsecties. Embraer gebruikt de techniek om vleugelplaten en rondhouten voor haar E-Jets te maken. Boeing gebruikt FSW op 747-8 panelen voor de productie van meer dan 33 kilometer lasnaden.

Carrosserie- en chassisonderdelen

Structurele auto-onderdelen zoals motorkappen, deuren, achterpanelen, ophangingsverbindingen worden door topfabrikanten met FSW samengevoegd. Mazda gebruikt het proces op meerdere modellen, waaronder de grote vrachtwagen Bongo. Ford gebruikt FSW op aluminium carrosserieën van de F-150 pick-up en Expedition SUV.

Zee en transport

Scheepsbouw en zeeschepen

De Italiaanse scheepsbouwer Fincantieri bouwt bovenbouwen, dekken en schotten van veerboten en cruiseschepen volledig van FSW-verbonden aluminium platen. Dockwise gebruikt friction stir butt welds om pontonbussen van zware transportschepen te verbinden.

Metro en hogesnelheidstreinen

Metro's in steden als Delhi, Mumbai en Sydney hebben FSW-gelaste aluminium panelen en onderstellen. Japanse Shinkansen-kogeltreinen hebben structurele onderdelen en buitenhuid van wrijvingsroergelaste aluminiumlegeringen.

Samengevat maakt wrijvingsroerlassen een efficiënte en foutloze verbinding mogelijk van diverse metalen en legeringen in diverse industrieën, van lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie tot scheepvaart, transport en elektronica. De toepassingen blijven zich uitbreiden naar nieuwe gebieden met voortdurende procesontwikkelingen.

Uitdagingen en nieuwste ontwikkelingen bij het verbinden van metaal

Moeilijk te lassen materialen

Technieken voor wrijvingsroerlassen worden onderzocht om materialen te verbinden die traditioneel als moeilijk lasbaar worden beschouwd.

Staal en titaniumlegeringen verbinden

Veel onderzoek onderzoekt de haalbaarheid van FSW voor het verbinden van hoogsterkte staalsoorten en titaanlegeringen die moeilijk te smelten zijn vanwege scheurvorming. Voorlopige studies tonen aan dat gewenste sterktes kunnen worden verkregen in ongelijksoortige staal-aluminium en titanium-aluminium lassen.

Metalen verbindingen

FSW wordt ook onderzocht voor het verbinden van ongelijksoortige combinaties zoals aluminium met koper, magnesium en koolstofvezelversterkte kunststoffen. Succesvolle lassen van zirkoniumlegering naar staal tonen de veelzijdigheid van het solid-state proces aan.

Procesoptimalisatiestudies

Verbetering van het gereedschapontwerp

Gereedschapontwerpen met schroefdraad, ontluchting en geavanceerde schouderkenmerken worden bestudeerd om de laspenetratie, warmtestroming en materiaalmenging te verbeteren. Voorgevormde pennen helpen defecten in dikke lasnaden te verminderen.

Parameteroptimalisatie

Onderzoek optimaliseert onderling afhankelijke parameters zoals plungeerkracht, rotatiesnelheid, verplaatsingssnelheid en gereedschapgeometrie. Thermische modellen in combinatie met experimenten bieden inzicht in het voorkomen van defecten.

Evolutie van de microstructuur

Studies onderzoeken factoren die de korrelgrootte en structuur van de roerzone bepalen. Het op maat maken van de koelsnelheid en de gereedschapskenmerken verfijnt de microstructuur en mechanische eigenschappen van moeilijke legeringcombinaties.

Innovatieve derivaten

Wrijvingsroerpuntlassen

Deze ontwikkeling maakt puntlassen van plaatassemblages mogelijk. Het vindt toepassingen in automobielsluitingen en carrosseriepanelen met voordelen ten opzichte van weerstandspotlassen.

Wrijvingsroerbewerking

Deze techniek wijzigt materiaaleigenschappen door zorgvuldig gecontroleerd roeren. Toepassingen zijn onder andere het verbeteren van de eigenschappen van metaalmatrixcomposieten en de fabricage van nanostructuren met gradiënt.

Wrijving Hydro-Pijler Verwerking

Een combinatie van FSW en extrusie vergroot de mogelijkheden voor de productie van buisvormige en holle onderdelen uit materialen zoals aluminium, titanium en roestvrij staal.

Voortdurende vooruitgang breidt de toepassingen van wrijvingsroerlassen uit naar nieuwe grenzen van materialen, ontwerpen en fabricage van grote hoeveelheden in verschillende industrieën.

Conclusie

Concluderend kan worden gesteld dat wrijvingsroerlassen sinds de uitvinding in 1991 een revolutie teweeg heeft gebracht in het verbinden van metalen. Oorspronkelijk ontwikkeld als alternatief voor het smeltlassen van aluminiumlegeringen, is het nu een volwassen technologie die in diverse industrieën wordt gebruikt voor toepassingen die voorheen moeilijk werden geacht met conventionele technieken. De unieke voordelen van wrijvingsroerlassen, zoals uitstekende mechanische eigenschappen, minder defecten, veiligheid, automatiseringsmogelijkheden en de mogelijkheid om een breed scala aan metaallegeringen te verbinden, hebben het tot een favoriete fabricagemethode gemaakt. Voortdurend onderzoek gericht op het begrijpen van het stromingsgedrag van het materiaal, het optimaliseren van de procesparameters en het ontwerpen van geavanceerde gereedschappen vergroot de reikwijdte en productiviteit van wrijvingsroerlassen nog verder. Innovatieve afgeleiden zoals wrijvingsroerpuntlassen en wrijvingsroerbewerking breiden ook het toepassingspotentieel uit naar nieuwe productiedomeinen. Met de voortdurende ontwikkelingsinspanningen zullen wrijvingsroerlassen en de varianten daarop waarschijnlijk de traditionele fabricagebenaderingen blijven verstoren en in de toekomst de fabricage van geavanceerde legeringcombinaties en componentontwerpen in verschillende industrieën mogelijk maken.

FAQs

Wat zijn de belangrijkste voordelen van FSW ten opzichte van smeltlassen?

Het produceert sterkere lassen van hogere kwaliteit zonder defecten zoals poreusheid of barsten. Het is ook veiliger, meer geautomatiseerd, werkt in alle posities en veroorzaakt minder vervorming.

Is FSW beperkt tot het verbinden van vlakke platen?

Nee, de vooruitgang maakt FSW van complexe 3D vormen, buisvormige/holle componenten en ongelijksoortige/multimateriaalcombinaties mogelijk. Puntlasgereedschappen maken paneelassemblage mogelijk.

Welke factoren beïnvloeden de laskwaliteit?

Primaire factoren zijn het ontwerp van het gereedschap (pen/schouderprofiel), rotatie-/schuifsnelheden, insteekdiepte en stiftkracht op maat van het materiaal en de dikte. Warmte, materiaalstroom en verbindingssterkte worden geoptimaliseerd.

Kunnen andere verbindingstechnieken FSW vervangen?

Voor veel toepassingen zijn er geen alternatieven die dezelfde mate van consistentie en mechanische integriteit bieden. Sommige gespecialiseerde bevestigingen kunnen echter werken waar de toegang tot FSW-gereedschap beperkt is.