Friktionssvetsning (FSW) är en fastfassvetsteknik som bildar svetssömmen genom att manuellt röra om metallen för att skapa friktionsvärme och mata ett roterande verktyg längs foglinjen mellan två arbetsstycken. Denna omrörning eller blandning ger upphov till processens namn. Konventionellt FRW genererar friktionsvärme från själva delarna, medan FSW genererar den från ett separat slitstarkt verktyg.
Hur friktionssvetsning fungerar
I FSW är det roterande verktyget stegformat; det har en mindre sond som sträcker sig under dess cylindriska axel. Axeln skapar mycket friktionsvärme när den gnuggar mot de två delarnas ovansida under svetsning. Samtidigt genererar sonden – som är avsedd att underlätta mekanisk blandning – mer värme genom att röra om metallen längs fogen. Istället för att smälta metallen mjukar denna friktions- och blandningsprocess upp den till ett mycket formbart tillstånd.
Den roterande sondens främre yta trycker den mjukgjorda metallen in i utrymmet bakom den och runt sig själv när verktyget rör sig längs fogen. Metallen smides till en sömlös svets genom denna process. För att säkerställa att den mjukgjorda metallen flyter korrekt runt sonden är axeln avgörande för att hålla materialet ihop.
Fina, likaxliga omkristalliserade korn bildas genom intensiv plastisk deformation vid höga temperaturer under FSW-processen. Svetsar som produceras med denna finjusterade mikrostruktur har exceptionella mekaniska egenskaper. Svetsarens robusthet förstärks av den invecklade materialrörelsen runt stiftet som möjliggörs av den speciella verktygsgeometrin och kombinationen av translation och rotation.
Verktygsgeometri och design
Verktygsgeometri är avgörande för utvecklingen av friktionssvetsningsprocessen (FSW). Ett FSW-verktygs design, som består av en stift och en skuldra, är avgörande för svetshastigheten och materialflödet. Verktygets huvudsakliga syften är att underlätta materialflödet och att ge lokal uppvärmning, vilket illustreras i figur nedan.
Värme produceras under den första nedsänkningen genom friktion mellan stiftet och arbetsstycket samt materialdeformation. Friktion mellan axeln och arbetsstycket producerar majoriteten av värmekomponenten. Andra konstruktionselement är mindre viktiga för uppvärmningseffektiviteten än stiftets och axelns relativa storlekar. Dessutom hjälper axeln till med lokal uppvärmning genom att innesluta det uppvärmda materialet.
Verktygets förmåga att flytta och röra om materialet är dess andra viktiga roll. Verktygets design påverkar både processbelastningarna och svetsfogens mikrostruktur och egenskapers enhetlighet. Gängade cylindriska stift och en konkav skuldra används vanligtvis för den här typen av jobb.
Verktygsgeometrin har utvecklats för att införliva sofistikerade funktioner som förbättrar materialflöde, blandning och lägre processbelastningar i takt med att vår förståelse av materialflöde har ökat. Till exempel utvecklade TWI Whorl- och MX Triflute-verktygen, som visas i figur nedan, med stift utformade som stympade former. Jämfört med cylindriska stift med samma rotdiameter flyttar dessa konstruktioner mycket mindre material; ungefär 60 % respektive 70 % mindre. Fördelarna med dessa verktyg inkluderar minskad svetseffekt, enklare flöde av plasticerat material och högre värmeutveckling tack vare det förbättrade gränssnittet mellan material och stift. De har svetsat aluminiumplattor upp till 50 mm tjocka i ett svetspassage med framgång, och de har gjort ännu tjockare svetsar i efterföljande svetspassager.
Traditionella cylindriska gängstift för överlappsvetsning resulterar ofta i en överdriven uttunning av den övre plåten, vilket minskar böjningsegenskaperna. När utmattning är det största problemet i en applikation är svetsgränssnittets bredd och skårvinkeln avgörande. För att förbättra kvaliteten på överlappsvetsning har nyare stiftgeometrier som A-skevhet och utvidgade-trifuteformade formningar skapats. Dessa konstruktioner förbättrar smides- och blandningsaktiviteterna vid svetsgränssnittet, utökar svetszonen och ökar förhållandet mellan svept volym och statisk volym. De ger avsevärt utökade svetsområden, en minskning av den övre plattans uttunning med mer än en faktor fyra och en förbättring av svetshastigheten på över 100 % jämfört med traditionella stift, allt med en 20 % minskning av axialkraften.
Flared-Triflute-verktyg
Dessa utvecklingar belyser vikten av verktygsgeometri inom vätskesimulering. Särskilt A-skev- och utsvängda-trifut-stift höjer svetskvaliteten genom att minska skårvinkeln vid svetsgränssnittet, ändra flödesvägen och förbättra blandningsförloppet.
Svetsparametrar vid friktionssvetsning
Två faktorer är särskilt viktiga vid friktionssvetsning (FSW): verktygets förflyttningshastighet (v, mm/min) och verktygets rotationshastighet (ω, rpm). För att avsluta svetsprocessen överför verktygets förflyttning det material som har omrörts längs foglinjen efter att dess rotation har omrörts och blandat materialet runt den roterande stiftet.
Intensiv materialomrörning och blandning produceras av högre verktygsrotationshastigheter på grund av högre temperaturer som produceras av större friktionsuppvärmning. Det är därför anmärkningsvärt att friktionsinteraktionen mellan verktygsytan och arbetsstycket styr uppvärmningsprocessen. Det förväntas därför inte nödvändigtvis att uppvärmningen kommer att öka linjärt med verktygets rotationshastighet, eftersom friktionskoefficienten vid gränssnittet kan variera.
En annan viktig variabel är vinkeln med vilken verktyget eller spindeln lutar i förhållande till arbetsstyckets yta. Den gängade stiften hjälper verktygsaxeln att flytta det omrörda materialet effektivt när den är vinklad på lämpligt sätt i riktning mot det efterföljande materialet. För släta verktygsaxelringar och sunda svetsar är stiftets insättningsdjup – ibland kallat måldjupet – i arbetsstyckena också avgörande.
För effektiv materialförflyttning från stiftets framsida till baksida garanterar ett idealiskt insticksdjup korrekt kontakt mellan verktygsaxeln och arbetsstyckets ursprungliga yta. Svetsfogen kan utveckla ytspår eller inre kanaler om insticksdjupet är för grunt. Om det å andra sidan är för djupt kan det bli mycket flamma, vilket skulle göra att svetsfogen blir märkbart konkav och de svetsade plattorna blir lokalt tunna ut.
Nya utvecklingar, inklusive "skrollade" verktygsaxelringar, möjliggör FSW utan verktygslutning, vilket är mycket användbart för fogar med kurvor.
För vissa FSW-processer kan förvärmning eller kylning också vara avgörande. Det är möjligt att friktion och omrörning ensamma inte kommer att orsaka att material med höga smältpunkter, som stål och titan, eller hög konduktivitet, som koppar, mjuknar och plasticerar runt det roterande verktyget i den utsträckning som krävs. Förvärmning eller att lägga till fler externa värmekällor kan förbättra materialflödet och förlänga processfönstret under sådana omständigheter. Däremot kan kylning vara fördelaktigt för material med lägre smältpunkter, såsom magnesium och aluminium, för att förhindra att stelnande utfällningar löses upp och betydande tillväxt av omkristalliserade korn i och runt omrörningszonen.
Gemensamma mönster
Stumfogar och överlappsfogar är de mest praktiska fogkonstruktionerna för friktionssvetsning (FSW). På grund av deras mångsidighet och användarvänlighet är dessa konstruktioner oumbärliga.
För en enkel fyrkantig stumfog kläms två identiskt stora plattor eller ark fast på en stödplatta. Detta förhindrar att ytorna på de angränsande skarvarna separeras under svetsningen. Betydande krafter appliceras när det roterande verktyget dyker ner i foglinjen; därför är det mycket viktigt att vara särskilt noga med att hålla plattorna i linje. Den starka svetsen produceras när verktygets axel rör sig längs foglinjen efter att ha kommit i kontakt med plattans yta. Stumfogar är ett vanligt alternativ för många svetsapplikationer på grund av deras enkelhet.
(a) fyrkantig stum, (b) kantstum, (c) T-stum
En annan typisk konfiguration är en överlappande koppling, vilket är en stödplatta som är fastklämd över två överlappande plattor eller ark. Det roterande verktyget förbinder de två plattorna genom att sticka vertikalt genom den övre plattan och in i den nedre plattan och sedan röra sig i rätt riktning. Tillämpningar där överlappande material behöver sammanfogas säkert drar stor nytta av denna teknik.
FSW tillåter en rad alternativa fogkonstruktioner, inklusive kälfogar, utöver de grundläggande stum- och överlappsfogarna. Dessa kombinationer, som kombinerar aspekter av stum- och överlappsfogar, är gjorda för att uppfylla specifika tekniska krav. Till exempel används kälfogar (se figur nedan) när vissa strukturella kriterier måste beaktas under svetsprocessen.
filéfog
Fördelar med FSW
För tillämpningar där säkerhet och strukturell integritet är av största vikt, erbjuder friktionssvetsning (FSW) en mängd fördelar, inklusive skapandet av otroligt hållbara svetssömmar som kan motstå förhöjda mekaniska tryck. Denna process garanterar utmärkt dimensionsstabilitet med minimal distorsion och producerar förbindningar som är medie- och trycktäta med liten distorsion. FSW producerar en snygg, sprickfri mikrostruktur och bibehåller legeringens egenskaper eftersom den producerar mycket lite värme.
När det gäller miljön är FSW exceptionellt vänligt eftersom det inte kräver förbrukningsmaterial som trådar och gaser och inte kräver ytrengöring, slipavfall eller skyddsgas. Det använder betydligt mindre material och väger mindre eftersom dess energiförbrukning bara är 2.5 procent av lasersvetsning. Inom fordons-, marin- och lättviktsflygindustrin leder denna effektivitet till lägre bränsleförbrukning.
FSW ger också en starkare och jämnare svetsfog än andra svetstekniker och minskar antalet fasta delar som behöver bytas ut under design- och tillverkningsprocessen. Detta uppnås genom att arbetsstycket roteras något utan att använda externa krafter.
Utmaningar och begränsningar
Det finns flera nackdelar med friktionssvetsningsmetoden (FSW). En stor nackdel är att när verktyget dras ut lämnar det ett utgångshål som kan vara besvärligt för vissa tillämpningar.
Delarna som svetsas måste också klämmas fast ordentligt, vilket komplicerar operationen.
Tillämpningar som är beroende av traditionell utrustning kan inte använda FSW på grund av den höga initiala investeringen och kravet på specialutrustning. Dessutom kräver FSW en betydande mängd stilleståndstid mellan svetsar och är långsammare än andra svetstekniker.
Tillämpningar av Friction Stir Welding (FSW)
Många olika industrier använder friktionssvetsning (FSW), främst för att kombinera aluminiumlegeringar av alla kvaliteter som har gjutits, valsats eller extruderats. Beroende på legeringens kvalitet och maskinens kapacitet kan denna teknik svetsa stumfogar av aluminiumlegeringar med tjocklekar från 0.3 mm till 75 mm i ett enda svetspass. FSW är användbart för att kombinera legeringar som magnesium, titan, koppar, nickel och stål utöver aluminium. Det kan också användas för att sammanfoga plast och metallmatriskompositer (MMC). Det kan till och med kombinera material som inte är kompatibla, som stål och aluminium.
Inom flygindustrin är FSW perfekt för att producera tunna legeringar, bränsletankar och flygplanskroppar på grund av dess höga svetskvalitet och geometriska korrekthet. Det används inom bilindustrin för lättviktskonstruktioner, vilket förbättrar bränsleeffektiviteten. FSW används inom varvs- och järnvägsindustrin för att konstruera tunga tankar, passagerarvagnar och järnvägsvagnar. FSW används också inom elektronik, såsom batteribrickor för elbilar, vilket visar dess anpassningsförmåga till en rad olika användningsområden.
Referensprojekt
Groover, MP, 2010. Grunderna i modern tillverkning: Material, processer och system. 4:e uppl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
