Wrijvingsroeren (Friction Stir Welding) uitgelegd: proces, voordelen en toepassingen

Wat is wrijvingsroeren?

Wrijvingsroeren (FSW) is een vastestof-verbindingsproces dat wrijvingswarmte gebruikt gegenereerd door een draaiende tool om twee tegenoverliggende werkstukken te verbinden zonder het werkstukmateriaal te smelten. Warmte wordt gegenereerd door wrijving tussen de draaiende tool en het werkstukmateriaal, wat leidt tot een verzacht gebied nabij de FSW-tool.

Terwijl de tool langs de verbindingslijn wordt bewogen, mengt het de twee metalen stukken mechanisch, en smeedt het het hete en verzachte metaal door de mechanische druk, die door de tool wordt toegepast, vergelijkbaar met het samenvoegen van klei of deeg.

Het wordt primair gebruikt op gewalst of geëxtrudeerd aluminium en met name voor structuren die zeer hoge letselsterkte nodig hebben. FSW is in staat om aluminiumlegeringen, koperlegeringen, titaniumlegeringen, zachte staal, roestvrij staal, en magnesiumlegeringen te verbinden.

Meer recent is het met succes gebruikt in het lassen van polymeren. Daarnaast is het verbinden van ongelijke metalen, zoals aluminium tot magnesiumlegeringen, recent bereikt door FSW. De toepassing van FSW is te vinden in moderne scheepsbouw, treinen, en luchtvaarttoepassingen.

Werkingsprincipe

De voortgang van de tool door de verbinding, ook de letselzone en het door de toolschouder beïnvloede gebied tonend.

De FSW wordt uitgevoerd met een draaiende cilinder-vormige tool die een geporfileerde pin heeft met een diameter kleiner dan de diameter van de schouder. Tijdens het lassen wordt de tool in een stootlas tussen twee geklemde werkstukken gevoed tot de pin in het werkstuk doordringt en de schouder het oppervlak van de werkstukken aanraakt.

De pin is iets korter dan de vereiste letseldiepte, met de toolschouder die bovenop het werkoppervlak rijdt. Na een korte wachttijd (dwell time) wordt de tool voorwaarts bewogen langs de verbindingslijn met de vooraf ingestelde letselsnelheid.

Wrijvingswarmte wordt gegenereerd tussen de slijtvaste tool en de werkstukken. Deze warmte, samen met die gegenereerd door het mechanische mengproces en de adiabatische warmte binnen het materiaal, zorgt ervoor dat de geroerde materialen verzachten zonder te smelten.

Als de tool voorwaarts bewogen wordt, forceert een speciaal profiel op de pin het geplasticiseerde materiaal van het voorste gezicht naar de achterkant, waar de hoge krachten helpen bij een gesmeedde consolidatie van de letsel.

Dit proces van de tool die langs de letsellijnen beweegt in een geplasticiseerde tubulaire schacht van metaal resulteert in severe vastestof-vervorming met dynamische herkristallisatie van het basismateriaal.

Het proces van wrijvingsroeren

Wrijvingsroeren gebruikt een speciaal ontworpen tool die met hoge snelheid roteert over de naden die samengevoegd moeten worden. Als de tool over het metaal roteert, ontstaat warmte ertussen. Deze warmte zorgt ervoor dat de metalen plastisch worden en in elkaar vloeien. Wrijvingsroeren is in staat om twee typen verbindingen te lassen:

• Overlapverbindingen (Lap Joints)
• Stootverbindingen (Butt joints)

De tool die gebruikt wordt voor wrijvingsroeren heeft twee delen. Een cilinder-vormig deel genaamd schouder roteert op de naad, en een geporfileerde pin steekt uit de schouder.

De pin wordt eerst in de naad geboord. Dan roteert de schouder bovenop het werkstuk voor een bepaalde tijd tot een optimale temperatuur bereikt en geabsorbeerd is in de materialen.

Dan beweegt de tool over de naad, wat een continue letsel creëert. Dit is mogelijk door de volumetrische verwarming geproduceerd door de tool en het mengen van de metaaldeeltjes door de geporfileerde pin. Het is van de geporfileerde pin die in de werkruimte gaat waar de naam "Stir" (roeren) vandaan komt, want de pin roert letterlijk de verzachte deeltjes voor het samenvoegen.

Toepassingen van wrijvingsroeren

Het FSW-proces is initieel geoctrooierd door TWI in de meeste geïndustrialiseerde landen en gelicenseerd aan meer dan 183 gebruikers. Wrijvingsroeren en varianten zoals wrijvingspuntlassen en wrijvingsverwerking worden gebruikt voor de volgende industriële toepassingen: scheepsbouw en offshore, luchtvaart, auto-industrie, wisselend materieel voor spoorwegen, algemene fabricage, robotica, en computers.

Wrijvingsroeren vindt toepassing in een brede verscheidenheid aan industrieën die aluminium gebruiken.

Scheepsbouw: FSW werd eerst gebruikt om holle aluminiumpanelen voor vissersboten te lassen. Vandaag is deze letstechniek gangbaar in het lassen van aluminium vriezerpanelen gebruikt in de romp en hull van schepen. Omdat FSW minimale vervorming creëert, houden aluminiumpanelen hun vorm zelfs bij lange letsels.

Luchtvaart: Aluminium brandstoftanks gebruikt in ruimtevaartuigen om cryogene zuurstof op te slaan, gebruiken FSW. De verbindingstechniek last de koppen aan de cilindrische structuur die deze brandstoftanks opbouwen. Boeing gebruikte FSW in de Interstage Module van een Delta II rakette welke een succesvolle lancering had in augustus 1999.

FSW wordt ook gebruikt om lichte aluminiumframes in de vliegtuig-romp te verbinden. Dit is omdat de techniek een veel lichter alternatief biedt dan bouten of nieten.

Spoorwegen: Wrijvingsroeren vindt zijn gebruik op holle profielen en T-stijver extrusies voor de productie van hoge-snelheidstreinen.

Automotive industrie: De auto-industrie is overgeschakeld op aluminium als het optimale materiaal voor auto-chassis. Daarom is het een van de grote adopters van FSW-technologie. Conventionele letselmethoden kunnen geen hoge-tolerantie-onderdelen reproduceren zoals FSW. De snelle letstijden van FSW maken het ook aantrekkelijker dan andere vormen van lassen voor aluminium.

Wrijvingsroeren vs wrijvingslassen – het verschil

Verschillende letstechnieken gebruiken wrijving om warmte te genereren, en onder hen is de meest gangbare wrijvingslassen. In een typische wrijvingslasmethode genereert de warmte tussen de twee werkstukken door één werkstuk te bewegen ten opzichte van een ander aan de naden.

De wrijving tussen de twee oppervlakken zorgt ervoor dat ze smelten en samenvloeien.

Echter, dit legt een beperking op wrijvingslassen wat betreft de werkstuk-opzet, aangezien het in staat moet zijn een werkstuk met hoge snelheid door lineaire reciproke beweging te bewegen.

Wrijvingsroeren overwint deze beperking door de werkstukken vast te zetten en dan de tool langs de naad te bewegen, de letsel in het proces creërend.

Voordelen van wrijvingsroeren

De voordelen van wrijvingsroeren voortkomen uit de unieke letsel waar geen verbruiksmaterialen of schildingstechnieken gebruikt worden. Dit geeft de volgende kenmerken aan de letsel:

• De afgeronde letsel is naadloos en esthetisch
• Het kan anders onlasbare legeringen lassen zoals de Aluminium 2xxx en 7xxx reeks
• Volledig geautomatiseerd proces
• Geen vorm van flux of schildingsmiddel vereist
• Lage piektemperaturen voorkomen krimp en porositeit van scheuren

Nadelen van wrijvingsroeren

• Gecompliceerde of speciale spanvoorzieningen vereist.
• Het creëert een zichtbaar gat in letsplaten.
• Hoge initiële of opstelskosten.
• Het is minder flexibel vergeleken met booglassenproces.
• FSW kan geen vulletsels maken.
• Niet-smeedbaar materiaal kan niet gelast worden.