ESAB Videncenter.

Hvad er friction stir welding af aluminium?

Q – Jeg har hørt om en svejseproces, der hedder Friction Stir Welding. Den er tilsyneladende ret ny, og det er en særlig god proces til svejsning af aluminium. Kan du give mig nogle oplysninger om denne proces og de typer anvendelser, som den bruges til?

A – Friction Stir Welding (FSW)-processen blev opfundet i 1991 og er udviklet på og patenteret af The Welding Institute (TWI) i Cambridge i Det Forenede Kongerige. De første specialbyggede og kommercielt tilgængelige maskiner til friction stir welding blev fremstillet af ESAB Welding and Cutting Products på deres udstyrsfabrik i Laxa, Sverige. Udviklingen af denne proces var en væsentlig ændring i forhold til de konventionelle processer med roterende bevægelse og lineær frem- og tilbagegående friktionssvejsning. Den gav en stor fleksibilitet inden for gruppen af friktionssvejseprocesser.

Den konventionelle roterende friktionssvejsningsproces kræver, at mindst en af de dele, der sammenføjes, skal rotere, og har den praktiske begrænsning, at man kun kan sammenføje regelmæssigt formede komponenter, fortrinsvis med cirkulært tværsnit og begrænset i deres længde. Korte rør eller runde stænger med samme diameter er et godt eksempel.

Den lineære frem- og tilbagegående proces kræver også bevægelse af de dele, der samles. Denne proces anvender en retlinet frem- og tilbagebevægelse mellem de to dele til at generere friktionen. Regelmæssighed af de dele, der sammenføjes, er ikke så nødvendig med denne proces; dog er det vigtigt, at delen bevæger sig under svejsningen.

Den indlysende begrænsning ved begge disse processer er begrænsningen i forbindelse med forbindelsesdesign og komponentgeometri. Mindst en af de dele, der sammenføjes, skal have en symmetriakse og skal kunne drejes eller flyttes om denne akse.

Friction stir welding (FSW) er i stand til at fremstille enten stød- eller overlapforbindelser i en bred vifte af materialetykkelser og længder. Under FSW genereres varme ved at gnide et ikke-forbrugeligt værktøj på det substrat, der skal sammenføjes, og ved den deformation, der opstår ved at føre et værktøj gennem det materiale, der skal sammenføjes. Det roterende værktøj skaber volumetrisk opvarmning, så der skabes en kontinuerlig samling, efterhånden som værktøjet føres fremad. FSW er ligesom andre typer af friktionssvejsning i vid udstrækning faststofsvejsning af natur. Som følge heraf er friction stir welds ikke modtagelige for størkningsrelaterede defekter, som kan være til hinder for andre fusionssvejsningsprocesser. FSW-processen er skematiseret i fig. 1. De dele, der skal sammenføjes, er normalt anbragt i en stumpprofil. Det roterende værktøj bringes derefter i kontakt med arbejdsstykkerne. Værktøjet har to grundlæggende komponenter: sonden, som stikker ud fra værktøjets underside, og skulderen, som har en relativt stor diameter. Længden af sonden er typisk designet til at passe nøje til tykkelsen af arbejdsemnerne. Svejsning påbegyndes ved først at stikke den roterende sonde ind i arbejdsemnerne, indtil skulderen er i tæt kontakt med komponentens øverste overflade. Der opstår gnidningsvarme, når den roterende skulder gnider mod den øverste overflade under en påført kraft. Når tilstrækkelig varme er genereret og ledt ind i arbejdsstykket, drives det roterende værktøj fremad. Materialet blødgøres af skulderens varmepåvirkning og transporteres af sonden hen over bondelinjen, hvilket letter sammenføjningen.

En begrænsning ved FSW-processen er værktøjets mekaniske stabilitet ved driftstemperatur. Under FSW er værktøjet ikke blot ansvarligt for at opvarme substratmaterialet til smedetemperaturer, men også for at levere den mekaniske virkning af smedning. Derfor skal værktøjsmaterialet være i stand til at modstå høje smedebelastninger og temperaturer i kontakt med det deformerende substratmateriale uden hverken overdreven slitage eller deformation. Som følge heraf har hovedparten af FSW-applikationerne omfattet materialer med lav smedetemperatur. Af disse materialer har aluminium været den vigtigste klasse af materialer. En række af stort set alle klasser af aluminiumslegeringer er med succes blevet friction stir welded. Disse omfatter 1xxx-, 2xxx-, 3xxx-, 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- og 7xxx-legeringer samt de nyere Al-Li-legeringer. Hvert legeringssystem er metallurgisk forskelligt. Desuden kan forskellige legeringer inden for en given klasse have forskellige smedeegenskaber. Som følge heraf kan behandlingen af hver enkelt legering variere. Der kan dog opnås højintegritetsforbindelser i alle klasser.

Somme anvendelser:

På grund af de potentielle fordele i forhold til lysbuesvejsning i nogle anvendelser, der er forbundet med denne proces, har FSW fået interesse fra mange områder af industrien, der arbejder med aluminium. Fordelene omfatter evnen til at fremstille lange svejsninger i aluminium uden smeltning af grundmaterialet. Dette giver vigtige metallurgiske fordele i forhold til konventionel lysbuesvejsning. Der sker ikke smeltning af grundmaterialet ved FSW, og dette eliminerer muligheden for størkningsspaltning, som ofte er et problem ved lysbuesvejsning af visse aluminiumslegeringer. Andre fordele kan omfatte: lav forvrængning i forbindelse med lavere opvarmning under svejseprocessen; eliminering af porøsitetsproblemer, som er en udfordring ved lysbuesvejsning af aluminium; minimal kantforberedelse, da stumpsamlinger typisk udføres med en firkantet forberedelse; og fravær af svejseforbrugsstoffer såsom beskyttelsesgas eller fyldmateriale.

Friction stir welding-processen anvendes og/eller evalueres til brug inden for luft- og rumfart, militære køretøjer, fly, biler, skibsbygning, jernbaner og rullende materiel og højst sandsynligt også andre.