ESAB Kunskapscenter.

Vad är friktionssvetsning av aluminium?

F – Jag har hört talas om en svetsprocess som kallas Friction Stir Welding. Tydligen är den ganska ny och det är en särskilt bra process för svetsning av aluminium. Kan du ge mig lite information om denna process och vilka typer av tillämpningar den används för?

A – Friction stir welding (FSW)-processen uppfanns 1991 och utvecklades vid, och är patenterad av, The Welding Institute (TWI) i Cambridge, Storbritannien. De första specialbyggda och kommersiellt tillgängliga maskinerna för friktionssvetsning tillverkades av ESAB Welding and Cutting Products vid deras fabrik för tillverkning av utrustning i Laxa, Sverige. Utvecklingen av denna process innebar en betydande förändring från de konventionella processerna med roterande rörelser och linjära fram- och återgående friktionssvetsning. Den gav en stor flexibilitet inom gruppen friktionssvetsningsprocesser.

Den konventionella roterande friktionssvetsningsprocessen kräver att minst en av de delar som sammanfogas är roterande och har den praktiska begränsningen att sammanfoga regelbundet formade komponenter, företrädesvis cirkulära i tvärsnitt och begränsade i sin längd. Korta rör eller runda stänger med samma diameter är ett bra exempel.

Den linjära fram- och återgående processen kräver också rörelse av de delar som sammanfogas. Denna process använder en rak fram- och återgående rörelse mellan de två delarna för att generera friktionen. Regelbundenhet hos de delar som sammanfogas är inte lika nödvändigt med denna process, men det är viktigt att delen rör sig under svetsningen.

Den uppenbara begränsningen för båda dessa processer är begränsningen av fogkonstruktionen och komponentgeometrin. Minst en av de delar som sammanfogas måste ha en symmetriaxel och kunna roteras eller flyttas runt denna axel.

Friction stir welding (FSW) kan tillverka antingen stöt- eller överlappningsfogar, i ett brett spektrum av materialtjocklekar och längder. Under FSW genereras värme genom att ett icke förbrukningsbart verktyg gnids mot det substrat som är avsett för sammanfogning och genom den deformation som uppstår när ett verktyg passerar genom det material som ska sammanfogas. Det roterande verktyget skapar volymetrisk uppvärmning, så att en kontinuerlig fog skapas när verktyget förs framåt. FSW, liksom andra typer av friktionssvetsar, är till stor del av solid state-karaktär. Friktionsomrörningssvetsar är därför inte mottagliga för defekter relaterade till stelning som kan hindra andra fusionssvetsningsprocesser. FSW-processen visas schematiskt i figur 1. De delar som är avsedda att sammanfogas är vanligen placerade i en stötkonfiguration. Det roterande verktyget förs sedan i kontakt med arbetsstyckena. Verktyget har två grundläggande komponenter: sonden, som sticker ut från verktygets nedre yta, och axeln, som har en relativt stor diameter. Längden på sonden är vanligtvis utformad så att den stämmer väl överens med tjockleken på arbetsstyckena. Svetsningen påbörjas genom att den roterande sonden först förs in i arbetsstyckena tills axeln är i nära kontakt med komponentens ovansida. Friktionsvärme alstras när den roterande axeln gnider mot den övre ytan under en påförd kraft. När tillräcklig värme genereras och leds in i arbetsstycket drivs det roterande verktyget framåt. Materialet mjuknar genom axelns värmande verkan och transporteras av sonden över bindningslinjen, vilket underlättar fogningen.

En begränsning av FSW-processen är verktygets mekaniska stabilitet vid driftstemperatur. Under FSW ansvarar verktyget inte bara för att värma upp substratmaterialet till smidtemperaturer, utan också för den mekaniska effekten av smidet. Därför måste verktygsmaterialet kunna klara höga smidesbelastningar och temperaturer i kontakt med det deformerande substratmaterialet utan överdrivet slitage eller deformation. Som ett resultat av detta har huvuddelen av FSW-tillämpningarna involverat material med låg smidetemperatur. Av dessa har den viktigaste materialklassen varit aluminium. En rad praktiskt taget alla klasser av aluminiumlegeringar har framgångsrikt friktionssvetsats. Dessa omfattar 1xxx-, 2xx-, 3xxx-, 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- och 7xxx-legeringar samt de nyare Al-Li-legeringarna. Varje legeringssystem är metallurgiskt distinkt. Dessutom kan olika legeringar inom en viss klass ha olika smidesegenskaper. Därför kan bearbetningen för varje legering variera. Förband med hög integritet kan dock erhållas i alla klasser.

Vissa tillämpningar:

På grund av de potentiella fördelarna jämfört med bågsvetsning i vissa tillämpningar som är förknippade med denna process, har FSW fått intresse från många industriområden som arbetar med aluminium. Fördelarna omfattar förmågan att producera långa svetslängder i aluminium utan att grundmaterialet smälter. Detta ger viktiga metallurgiska fördelar jämfört med konventionell bågsvetsning. Smältning av grundmaterialet sker inte vid FSW, vilket eliminerar risken för stelningssprickor som ofta är ett problem vid bågsvetsning av vissa aluminiumlegeringar. Andra fördelar kan vara: låg distorsion i samband med lägre uppvärmning under svetsprocessen, eliminering av porositetsproblem som är en utmaning vid bågsvetsning av aluminium, minimal kantberedning, eftersom stumfogar vanligtvis utförs med en fyrkantsberedning, och avsaknad av svetsförbrukningsmaterial, t.ex. skyddsgas eller fyllnadsmaterial.

Friktionsrörsvetsningsprocessen används och/eller utvärderas för användning inom flyg- och rymdindustrin, militära fordon, flygplans-, fordons-, skeppsbyggnads-, järnvägs- och rullande materielindustrier och sannolikt även inom andra branscher.