ESAB Kenniscentrum.

Wat is wrijvingsroerlassen van aluminium?

V – Ik heb gehoord van een lasproces dat Friction Stir Welding heet. Blijkbaar is het vrij nieuw en is het een bijzonder goed proces voor het lassen van aluminium. Kunt u mij wat informatie geven over dit proces en de soorten toepassingen waarvoor het wordt gebruikt?

A – Het wrijvingsroerlassen (FSW), dat in 1991 is uitgevonden, is ontwikkeld bij en gepatenteerd door The Welding Institute (TWI) in Cambridge, Verenigd Koninkrijk. De eerste speciaal gebouwde en in de handel verkrijgbare wrijvingsroerlasmachines werden geproduceerd door ESAB Welding and Cutting Products in hun fabriek voor apparatuur in Laxa, Zweden. De ontwikkeling van dit proces was een belangrijke verandering ten opzichte van de conventionele wrijvingslasprocessen met roterende bewegingen en lineaire heen en weer gaande bewegingen. Het zorgde voor een grote mate van flexibiliteit binnen de wrijvingslasprocesgroep.

Het conventionele roterende wrijvingslasproces vereist dat ten minste één van de te verbinden onderdelen roteert en heeft de praktische beperking dat regelmatig gevormde onderdelen, bij voorkeur rond van doorsnede en beperkt in lengte, worden verbonden. Korte buizen of ronde staven met dezelfde diameter zijn een goed voorbeeld.

Het lineair-roterende proces vereist ook beweging van de te verbinden delen. Dit proces maakt gebruik van een rechtlijnige heen-en-weer beweging tussen de twee delen om de wrijving op te wekken. De regelmatigheid van de samen te voegen delen is bij dit proces niet zo noodzakelijk; de beweging van het deel tijdens het lassen is echter essentieel.

De voor de hand liggende beperking van deze beide processen is de beperking van het ontwerp van de verbinding en de geometrie van de onderdelen. Ten minste één van de te verbinden delen moet een symmetrie-as hebben en om die as kunnen worden gedraaid of bewogen.

Wrijvingsroerlassen (FSW) is geschikt voor het vervaardigen van stompe of overlapverbindingen, in een breed scala van materiaaldikten en lengten. Bij FSW wordt warmte opgewekt door met een niet-verbruikbaar werktuig over het te verbinden substraat te wrijven en door de vervorming die ontstaat wanneer een werktuig door het te verbinden materiaal wordt gevoerd. Het roterende gereedschap zorgt voor volumetrische verwarming, zodat bij het voortbewegen van het gereedschap een continue verbinding ontstaat. FSW is, net als andere soorten wrijvingslassen, grotendeels in vaste toestand. Als gevolg hiervan zijn wrijvingsroerlassen niet gevoelig voor stollingsgerelateerde defecten die andere smeltlasprocessen kunnen hinderen. Het FSW-proces is schematisch weergegeven in fig. 1. De te verbinden delen worden gewoonlijk in een stompe opstelling geplaatst. Het roterende gereedschap wordt dan in contact gebracht met de werkstukken. Het gereedschap heeft twee basiscomponenten: de taster, die uit het onderste oppervlak van het gereedschap steekt, en de schouder, die een relatief grote diameter heeft. De lengte van de taster is meestal afgestemd op de dikte van de werkstukken. Het lassen wordt begonnen door eerst de roterende sonde in de werkstukken te steken totdat de schouder in nauw contact is met het bovenoppervlak van het werkstuk. De wrijvingswarmte wordt opgewekt wanneer de roterende schouder onder een toegepaste kracht over het bovenoppervlak wrijft. Zodra voldoende warmte is opgewekt en in het werkstuk wordt geleid, wordt het roterende gereedschap naar voren gestuwd. Materiaal wordt zacht door de verwarmende werking van de schouder, en getransporteerd door de sonde over de bindingslijn, waardoor de verbinding wordt vergemakkelijkt.

Een beperking van het FSW-proces is de mechanische stabiliteit van het gereedschap bij bedrijfstemperatuur. Tijdens FSW is het gereedschap niet alleen verantwoordelijk voor het verwarmen van het substraatmateriaal tot smeedtemperaturen, maar ook voor de mechanische werking van het smeden. Daarom moet het materiaal van het gereedschap in staat zijn om hoge smeedbelastingen en temperaturen in contact met het vervormende substraatmateriaal te weerstaan zonder overmatige slijtage of vervorming. Als gevolg hiervan zijn bij het grootste deel van de FSW toepassingen materialen met lage smeedtemperaturen gebruikt. De belangrijkste categorie van deze materialen is aluminium. Een reeks van vrijwel alle klassen van aluminiumlegeringen zijn met succes wrijvingsroerlassen. Deze omvatten de 1xxx, 2xx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx en 7xxx legeringen, evenals de nieuwere Al-Li legeringen. Elk legeringssysteem is metallurgisch verschillend. Bovendien kunnen verschillende legeringen binnen een bepaalde klasse verschillende smeedeigenschappen hebben. Als gevolg daarvan kan de verwerking voor elke legering verschillen. Echter, verbindingen met hoge integriteit kunnen in alle klassen worden verkregen.

Enkele toepassingen:

Omdat er voordelen ten opzichte van booglassen mogelijk zijn in sommige toepassingen die met dit proces zijn geassocieerd, heeft FSW belangstelling gekregen uit vele gebieden van de industrie die met aluminium werken. De voordelen omvatten de mogelijkheid om lange lengten van lassen in aluminium te produceren zonder enig smelten van het basismateriaal. Dit biedt belangrijke metallurgische voordelen in vergelijking met conventioneel booglassen. Het smelten van het basismateriaal komt niet voor bij FSW en dit elimineert de mogelijkheid van stollingsscheuren, wat vaak een probleem is bij het booglassen van sommige aluminiumlegeringen. Andere voordelen kunnen zijn: geringe vervorming als gevolg van de lagere verwarming tijdens het lasproces; eliminatie van porositeitsproblemen die een uitdaging vormen bij het booglassen van aluminium; minimale randvoorbereiding, aangezien stootnaden meestal worden uitgevoerd met een vierkant-stompvoorbereiding; en, de afwezigheid van lastoevoegmaterialen zoals beschermgas of toevoegmateriaal.

Het wrijvingsroerlassen wordt gebruikt en/of geëvalueerd voor gebruik in de ruimtevaart, militaire voertuigen, vliegtuigen, auto’s, scheepsbouw, spoorwegmaterieelindustrie en waarschijnlijk ook in andere sectoren.