ESAB Tietokeskus.

Mitä on alumiinin kitkan sekoitushitsaus?

K – Olen kuullut hitsausprosessista nimeltä kitkan sekoitushitsaus. Ilmeisesti se on melko uusi ja se on erityisen hyvä prosessi alumiinin hitsaamiseen. Voitteko antaa minulle tietoja tästä prosessista ja siitä, minkälaisissa sovelluksissa sitä käytetään?

A – Vuonna 1991 keksitty kitkan sekoitushitsausprosessi (FSW) kehitettiin The Welding Institutessa (TWI) Cambridgessa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, ja se on patentoitu. ESAB Welding and Cutting Products valmisti ensimmäiset tarkoitusta varten rakennetut ja kaupallisesti saatavilla olevat kitkasekoitushitsauskoneet Laxassa, Ruotsissa sijaitsevassa laitetehtaassaan. Tämän prosessin kehittäminen oli merkittävä muutos perinteisiin pyöriviin ja lineaarisiin edestakaisiin kitkahitsausprosesseihin verrattuna. Se tarjosi paljon joustavuutta kitkahitsausprosessiryhmässä.

Tavanomainen pyörivä kitkahitsausprosessi edellyttää, että ainakin yhtä liitettävistä osista pyöritetään, ja sen käytännön rajoituksena on, että sillä voidaan liittää toisiinsa säännöllisen muotoisia, mieluiten poikkileikkaukseltaan pyöreitä ja pituudeltaan rajallisia osia. Lyhyet putket tai halkaisijaltaan samanlaiset pyöreät tangot ovat hyvä esimerkki.

Myös lineaarinen edestakainen prosessi edellyttää liitettävien osien liikettä. Tässä prosessissa käytetään suoraviivaista edestakaista liikettä kahden osan välillä kitkan tuottamiseksi. Liitettävien osien säännönmukaisuus ei ole yhtä välttämätöntä tässä prosessissa, mutta osan liike hitsauksen aikana on kuitenkin välttämätöntä.

Kummankin prosessin ilmeinen rajoitus on liitoksen suunnittelua ja komponenttien geometriaa koskeva rajoitus. Ainakin yhdellä liitettävistä osista on oltava symmetria-akseli, ja sitä on voitava kääntää tai liikuttaa kyseisen akselin ympäri.

Kitkasekoitushitsauksella (FSW) voidaan valmistaa joko päittäis- tai läppiliitoksia monenlaisten materiaalien paksuuksien ja pituuksien osalta. FSW:n aikana lämpöä tuotetaan hankaamalla kulumatonta työkalua liitettäväksi tarkoitettua alustaa ja muodonmuutoksella, joka syntyy kuljettamalla työkalu liitettävän materiaalin läpi. Pyörivä työkalu aiheuttaa tilavuuslämmityksen, joten työkalun edetessä syntyy jatkuva liitos. FSW, kuten muutkin kitkahitsaustyypit, on luonteeltaan suurelta osin kiinteässä tilassa. Tämän vuoksi kitkasekoitushitsit eivät ole alttiita jähmettymiseen liittyville vioille, jotka voivat haitata muita sulahitsausprosesseja. FSW-prosessi on esitetty kaaviona kuvassa 1. Liitettävät osat on tavallisesti sijoitettu päittäishitsaukseen. Pyörivä työkalu tuodaan sitten kosketuksiin työkappaleiden kanssa. Työkalussa on kaksi perusosaa: anturi, joka työntyy ulos työkalun alapinnasta, ja olake, jonka halkaisija on suhteellisen suuri. Anturin pituus on yleensä suunniteltu siten, että se vastaa tarkasti työkappaleiden paksuutta. Hitsaus aloitetaan upottamalla pyörivä anturi ensin työkappaleiden sisään, kunnes olake on tiiviissä kosketuksessa osan yläpinnan kanssa. Kitkalämpöä syntyy, kun pyörivä olake hankaa yläpintaa kohdistetun voiman vaikutuksesta. Kun riittävästi lämpöä on tuotettu ja johdettu työkappaleeseen, pyörivä työkalu työnnetään eteenpäin. Materiaali pehmenee olkapään lämmitystoiminnan vaikutuksesta, ja anturi kuljettaa sitä liimausrajan yli, mikä helpottaa liitosta.

Yksi FSW-prosessin rajoituksista on työkalun mekaaninen vakaus käyttölämpötilassa. FSW:n aikana työkalu on vastuussa paitsi substraattimateriaalin lämmittämisestä taontalämpötilaan, myös taonnan mekaanisesta vaikutuksesta. Sen vuoksi työkalun materiaalin on kestettävä korkeita taontakuormia ja lämpötiloja kosketuksessa muokkautuvan substraattimateriaalin kanssa ilman liiallista kulumista tai muodonmuutosta. Tämän seurauksena suurin osa FSW-sovelluksista on koskenut matalan taontalämpötilan materiaaleja. Näistä materiaaleista tärkein on ollut alumiini. Käytännöllisesti katsoen kaikkia alumiiniseosluokkia on onnistuttu hitsaamaan kitkaseosta hitsaamalla. Näihin kuuluvat 1xxx-, 2xxx-, 3xxx-, 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- ja 7xxx-seokset sekä uudemmat Al-Li-seokset. Jokainen seosjärjestelmä on metallurgisesti erilainen. Lisäksi tietyn luokan eri seoksilla voi olla erilaiset taontaominaisuudet. Tämän seurauksena kunkin seoksen käsittely voi vaihdella. Kaikissa luokissa voidaan kuitenkin saada korkealuokkaisia liitoksia.

Joitakin sovelluksia:

Koska valokaarihitsaukseen nähden on mahdollista saada etuja joissakin prosesseihin liittyvissä sovelluksissa, FSW on herättänyt kiinnostusta monilla alumiinin kanssa työskentelevillä teollisuudenaloilla. Etuihin kuuluu kyky tuottaa pitkiä hitsejä alumiiniin ilman perusaineen sulamista. Tämä tarjoaa merkittäviä metallurgisia etuja verrattuna perinteiseen kaarihitsaukseen. Perusmateriaalin sulamista ei tapahdu FSW-hitsauksessa, ja tämä poistaa jähmettymishalkeilun mahdollisuuden, joka on usein ongelma valokaarihitsauksessa joissakin alumiiniseoksissa. Muita etuja voivat olla: vähäinen vääristyminen, joka liittyy vähäisempään lämmitykseen hitsausprosessin aikana; huokoisuusongelmien poistaminen, jotka ovat haasteellisia alumiinin kaarihitsauksessa; reunojen valmistelu on mahdollisimman vähäistä, koska päittäisliitokset tehdään tyypillisesti neliskulmaisella valmistelutekniikalla; ja hitsauslisäaineiden, kuten suojakaasun tai lisäaineen, puuttuminen.

Kitkasekoitushitsausprosessia käytetään ja/tai arvioidaan käytettäväksi ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, sotilasajoneuvoissa, lentokoneissa, autoteollisuudessa, laivanrakennuksessa, rautateiden liikkuvan kaluston teollisuudessa ja todennäköisesti myös muilla aloilla.