Friktionssvetsning

Den friktionssvetsning (EN ISO 4063: Process 42) är en svetsprocess från gruppen av trycksvetsning . Två delar förflyttas relativt varandra under tryck, delarna berör varandra vid kontaktytorna. Den resulterande friktionen gör att materialet värms upp och mjukgörs. I slutet av gnuggprocessen är det av avgörande betydelse att placera delarna korrekt i förhållande till varandra och att utöva högt tryck. Fördelarna med denna process är att den så kallade värmepåverkade zonen är betydligt mindre än vid andra svetsprocesser och att det inte finns någon smältbildning i fogningszonen. Resultatet är en mycket finkornig struktur med mycket goda hållfasthetsegenskaper hos anslutningspunkten. En mängd olika material, såsom aluminium och stål, kan svetsas ihop. Anslutning av metalliska material som inte bildar legeringar med varandra är också möjligt i många fall.

Rotationsfriktionssvetsning

Svänghjul friktionssvetsning

Den roterande friktion är en trycksvetsningsprocess. Minst en del som ska förenas i fogningszonen måste ha en rotationssymmetrisk form. Energiförsörjningen kommer uteslutande genom en relativ rörelse av de delar som ska sammanfogas under tryck. En del som ska förenas står still och den andra delen ställs i rotation. Det används ofta för att svetsa kontakter av olika materialkvalitet till rör (borrstänger). Formade delar förenas ofta med rör- eller stångmaterial. Exempel på detta är drivaxlar och kolvstänger för stötdämpare eller hydraulcylindrar.

Processen har använts i Tyskland sedan 1970-talet. Den mest varierande materialkombinationen är den stora fördelen med denna process. Miljoner avgasventiler för förbränningsmotorer är svetsade ( högtemperaturstål till härdbart stål) med cykeltider på mindre än tio sekunder.

De maskiner som används liknar svarvar . De innehåller en roterande spindel och en icke-roterande motsvarighet som kläms fast på en axiellt justerbar glid och pressas på den roterande delen. Beroende på dimensionerna kan de axiella krafterna sträcka sig från några 100 N till över 10 000 kN (ungefär motsvarande viktkraften på 1000 ton). De respektive maskinerna är sedan storleken på ett skrivbord eller ett lok. Positionerad friktionssvetsning är en (tillval) speciell applikation och kräver en speciell styrning och en speciell drivmotor. Användningar för detta är kardanaxlar, släpaxlar, kamaxlar och axelstabilisatorer.

Friktionssvetsning beskrivs först i en patentansökan från James Bevington i Chicago 1891.

Glidande friktionssvetsning Vanligtvis svetsas delarna mot varandra på framsidan. Glidande friktionssvetsning representerar en nyare variant. Här gnuggas delarna i varandra med en radiell överlappning. Fördelarna med denna variant är en koncentrisk effekt och en mer fördelaktig fiberorientering. Nackdelen är att de processmoment som uppstår är betydligt högre, vilket i sin tur påverkar valet av spännanordningar och maskiner.

Forskning och tillämpning av rotationsfriktionssvetsning

Ryssland

Den industriella tillämpningen av friktionssvetsning började i samband med en patentansökan från Al Khudikow. En vetenskaplig studie av Vladim I. Vill i Ryssland 1970 förklarade de bakomliggande verkningsmekanismerna och är fortfarande ett standardarbete om detta ämne som ofta citeras runt om i världen. 1961 var mer än 30 friktionssvetsmaskiner redan i industriell användning i Ryssland.

Tyskland

I DDR inleddes utvecklingen av friktionssvetsning 1967 vid Karl-Marx-Stadts tekniska universitet i det nuvarande Chemnitz , som startade forskning inom friktionssvetsning på uppdrag av ZIS Halle 1967 . Forskningsämnen inkluderade:

  • Konstruktiva och tekniska arbetsdokument för friktionssvetsning
  • Kvalitetssäkring vid friktionssvetsning
  • Processkontroll vid friktionssvetsning
  • Beräkning av friktionssvetsanslutningar
  • Påverkan av fel på friktionssvetsade anslutningars bärförmåga

Från 1968 skedde den industriella användningen i DDR först i verktygsindustrin för borrämnen (materialkombination höghastighetsstål / C60). Från omkring 1970 i andra branscher, såsom turbinkonstruktion, varvsindustrin, koppling och motorkonstruktion, järnvägsvagnkonstruktion, kardanaxelproduktion, jordbruksmaskinkonstruktion, motorcykelproduktion och mycket mer. ramen för teknikkammaren. Medlemmar i denna arbetsgrupp var företrädare för de företag som använde friktionssvetsning. Två gånger om året skedde ett livligt utbyte av erfarenheter vid motsvarande möten.

I DDR fanns ingen maskintillverkare, därför utvecklades och byggdes maskiner i olika branscher, t.ex. B. i verktygsindustrin friktionssvetsmaskinerna RSA 20 och RSA 39 och i jordbruksmaskinerna RSM 50, som arbetar med en vertikal spindel. SR 100 utvecklades i samarbete med 10 företag och monterades av en tillverkare av verktygsmaskiner. I rådet för ömsesidigt ekonomiskt stöd fanns särskilt samarbete om teknisk utveckling inom friktionssvetsning mellan VNIIESO Leningrad (Sovjetunionen), IS Gliwice (Polen), VUZ Bratislava (Tjeckoslovakien), MTI Budapest (Ungern), ISIM Timișoara ( ro ) (Rumänien) och TU Karl-Marx-Stadt. 1985 fanns det cirka 45 friktionssvetsmaskiner i industriell användning i DDR, förutom de nämnda självtillverkade maskinerna fanns det också några maskiner från Polen och Frankrike.

Friktionssvetsprocessen i Tyskland undersöks nu och utvecklas vidare i följande institutioner: Forschungszentrum Jülich , Institutet för verktygsmaskiner och industriell ledning vid Tekniska universitetet i München (iwb) och Magdeburg-Stendal University of Applied Sciences . I Tyskland har den tyska föreningen för svetsteknik och SLV München tagit hand om standardisering och erfarenhetsutbyte på detta område sedan 1983 .

De viktigaste tyska friktionssvetsmaskintillverkarna är: H&B ​​Omega, Harms & Wende, GS-Steuerungstechnik och Kuka . Rotationsfriktionssvetsning används främst av biltillverkare och deras leverantörer, inklusive Daimler och IFA . Processen används bland annat för Liebherr hydrauliska grävmaskiner och MTU Aero Engines . Inom olje- och gasindustrin använder UGS Mittenwalde processen för svetsning av rörledningar. I Tyskland finns det flera företag som är specialiserade på friktionssvetsning och betjänar olika industrisektorer: AluStir, ITM Zschaler, LimFox GmbH, Raiser och Schnabel.

Storbritannien

I Storbritannien utvecklade The Welding Institute parametrar för industriell tillämpning av roterande friktionssvetsning samt många processvarianter. De viktigaste brittiska tillverkarna av friktionssvetsmaskiner är: Blacks Equipment, British Federal, MTI och Thompson.

Förenta staterna

Edison Welding Institute driver avsevärt utvecklingen av processen. Företaget Caterpillar , Rockwell International och American Manufacturing and Foundry utvecklade de första friktionssvetsmaskinerna. Idag anses MTI vara den ledande maskintillverkaren.

Orbital friktionssvetsning

Orbital friktionssvetsning enligt ISO 15620 är en friktionssvetsningsprocess. Till skillnad från relaterad rotationsfriktionssvetsning behöver inte delarna här vara rotationssymmetriska. Energiförsörjningen förs in under tryck med hjälp av en cirkulär oscillerande rörelse av delarna som ska förenas - liknar en orbitalslipmaskin. Axlarnas inriktning förblir densamma. Vid multi-orbital friktionssvetsning vibrerar båda komponenterna, i motsats till orbital friktionssvetsning, vilket därför kallas för "single orbital friction svetsning".

Friktionsrörsvetsning

Princip för friktionsrörsvetsning:
1 Sänk ner det roterande verktyget 2 Böj för att generera värme 3 Process 4 Stoppa rörelsen 5 Dra ut verktyget 6 Inspektera den färdiga svetssömmen

Den friktionsomrörningssvetsning (engelska: friction stir welding , FSW, 4063 EN ISO: Process 43) i många fall också, Friction Stir Welding kallas, grundades 1991 av Wayne Thomas uppfanns av TWI ( The Welding Institute ) i Storbritannien patentskyddad . Vid friktionsrörsvetsning alstras friktionsenergin inte av den relativa rörelsen för de två delarna som ska förenas, utan av ett slitstarkt roterande verktyg.

Processflödet är i huvudsak uppdelat i sex steg. I det första steget pressas ett roterande verktyg med hög kraft in i skarvspalten tills verktygsskulan vilar på komponentytan. Under det andra steget förblir det roterande verktyget vid nedsänkningspunkten i några sekunder. På grund av friktionen mellan verktygsskulden och skarvpartnern värms materialet under axeln upp till strax under smältpunkten. Denna temperaturhöjning resulterar i en minskning av hållfastheten, vilket mjukgör materialet och låter sammanfogningszonen blanda sig. När matningsrörelsen börjar, börjar det tredje steget, i vilket det roterande verktyget förflyttas längs foglinjen med högt tryck. Tryckgradienten som skapas av matningsrörelsen mellan verktygets framsida och baksida och dess rotationsrörelse får det mjukgjorda materialet att transporteras runt verktyget, som blandas där och bildar sömmen. I det fjärde steget stoppas rörelsen i slutet av sömmen. I det femte steget dras det roterande verktyget ut ur sammanfogningszonen igen. I det sjätte steget inspekteras den färdiga svetsen visuellt eller undersöks med icke-destruktiva testmetoder .

På grund av den karakteristiska processekvensen för friktionsrörsvetsning är processen särskilt lämplig för aluminiumlegeringar. Problem orsakade av fasövergången under fusionssvetsning av aluminiumlegeringar, såsom het sprickbildning och porbildning, uppstår inte under friktionsrörsvetsning på grund av frånvaron av en vätske- eller ångfas.

Ett roterande, slitstarkt, svagt lutande friktionsrörsvetsverktyg pressas in i fogspalten och flyttas från höger till vänster
Friktionsrörsvetsverktyg som fäster en tank för rymdfärjan

När det gäller processteknik finns det en koppling till smide och strängsprutning, å ena sidan komprimeras materialet med en kraft som är lodrät riktad mot arbetsstyckets yta med införande av värme och å andra sidan pressas det delvis plastmaterialet ner av turbulens på grund av det roterande verktygets geometri. En strängsprutningskanal skapas som sträcker sig till roten av sömmen (även kallat en svets nugget ). Arbetsstyckena som ska sammanfogas står stilla. En speciell utformning av sömmen före svetsning är inte nödvändig.

Verktyget består av en axel som är anordnad vinkelrätt mot svetsstiftet och har en större diameter än svetsstiftet själv. Axeln kan föreställas som ett halvskal som är avsett att isolera den omgivande luften från svetsfogen. Svetsstiftet är ansvarigt för virvlingen av materialet. Lutningen av verktyget mot arbetsstyckets yta är cirka 2 ° till 3 ° i ett genomträngande arrangemang. Verktyget i sig har lite slitage och kan, beroende på applikation, användas i flera kilometer svetsfog.

Fördelar med friktionsrörsvetsning

  • Ytterligare material inte nödvändigt
  • höga uppnåbara sömstyrkor
  • ingen skyddsgas krävs
  • relativt enkelt processflöde
  • ett brett utbud av blandade anslutningar möjliga
  • relativt låga temperaturer (i aluminium ca 550 ° C på svetsfogytan) och därmed liten förvrängning

Processen används också för att förbättra lokala egenskaper och för att stänga porer i gjutstrukturer. Termen FSP ( friktionsrörbearbetning ) används ofta istället för FSW ( friktionsrörsvetsning ).

Utmaning när du använder friktionsrörsvetsning

  • Relativt höga processkrafter, beroende på legering och komponenttjocklek från 1 kN till långt över 20 kN
  • begränsad 3D-kapacitet på grund av den nödvändiga kontakten från axel till komponent
  • Ändhål i slutet av svetsfogen genom verktygets utgång. En lösning för detta hittades med en automatiskt infällbar svetsstift (engelska: retractable pin tool , RPT).

Med friktionsrörsvetsning kan ark av olika material med en tjocklek på mer än 30 mm förenas. De uppnådda svetsdjupen och svetshastigheterna beror mycket på materialet som ska sammanfogas och minskar vanligtvis med ökande styrka och hårdhet. Processkrafterna ökar kraftigt med ökande styrka och hårdhet hos materialet. Processen används därför huvudsakligen för aluminium. Blandade anslutningar med rostfritt stål, koppar eller magnesium tillverkas också i serie. Det är också möjligt att förena metallskum och blandade aluminium-stålfogar.

FSW används till exempel för att svetsa stora komponenter. Användningsexempel här är flygindustrin, rymdresor, varvsbyggnad, järnvägskonstruktion och bilkonstruktion. Serietillverkning av mindre komponenter sker bland annat inom livsmedelsteknik, inom jordbruksmaskiner eller kylare för instickshybrider (PHEV). För medicinsk teknik är aluminium-stålanslutningar också friktionsvetsade i serie. RIFTEC GmbH i Geesthacht är en viktig tysk leverantör av friktionsrörsvetsning som kontraktstillverkning. Tillverkarna av FSW-maskiner för egen produktion inkluderar bland andra. företagen Grenzebach, Fooke och Stirtec.

Ett annat exempel är bakdörrarna till Mazda RX-8 . Ingen sammanhängande söm är svetsad här, bara punkter. Detta kallas också friction stir spot welding (engelska: friction stir spot welding, FSSW ). Verktyget utför vanligtvis bara en vertikal rörelse här.

Konventionellt används speciella maskiner för FSW som har designats eller konverterats för att uppfylla kraven i denna process. Tricept robotsystem används ibland. Konventionella produktionsverktyg används nu också för FSW för att sänka kostnaderna och öka flexibiliteten. Till exempel har FSW-processen under tiden implementerats på verktygsmaskiner eller vanliga industriella robotar.

En hybridvariant av friktionsrörsvetsning är LAFSW-svetsning ( laserassisterad friktionsrörsvetsning ). I denna variant införs ytterligare termisk energi av en laserstråle som går direkt före det roterande verktyget. Detta är bland annat avsett att minska den vertikala kraften när man sätter in FSW-verktyget i arbetsstycket och att öka svetshastigheten. På grund av lasern leder denna processvariant till ökade investeringar i maskininvesteringar.

litteratur

  • Specialistgrupp för svetsningsteknikutbildning: anslutning till tekniksvetsningsteknik. 6., reviderad. Utgåva. DVS Verlag, Düsseldorf 2004, ISBN 3-87155-786-2 .
  • U. Dilthey, A. Brandenburg: Svetstillverkningsprocesser. Volym 3: Svetskonstruktioner och styrka. 2: a upplagan. Springer Verlag, 2001, ISBN 3-540-62661-1 .
  • K.-J. Matthes, E. Richter: Svetsteknik. Fachbuchverlag Leipzig i Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-40568-2 .

webb-länkar

Commons : Friction Welding  - Samling av bilder, videor och ljudfiler
Wiktionary: Friction welding  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

Individuella bevis

  1. ↑ Gerd Witt et al .: Pocket book of manufacturing technology. Carl Hanser Verlag, München 2006, ISBN 3-446-22540-4 ( begränsad förhandsgranskning i Googles boksökning).
  2. ↑ James H. Bevington: Snurrrörsläge för att svetsa ändarna på tråd, stavar etc, och sätt att göra rör. US patent nr 463134, 1891.
  3. ↑ AI Chudikov: Friktionssvetsning . Ryskt patent nr RU106270 daterat 16 februari 1956.
  4. ↑ VI Vill: Svarka metallov treniem. UPP Lensovnarkkhoz, Leningrad, 25 juni 1959. Och friktionssvetsning av metaller (översatt från ryska), American Welding Society och Reinhold Publishing, februari 1962.
  5. ^ KJ Matthes och W. Schneider: Svetsteknik - svetsning av metalliska material. 6: e uppdaterade upplagan, Fachbuchverlag Leipzig i Carl Hanser Verlag München, 2016. ISBN 978-3-446-44561-1 , e-bok ISBN 978-3-446-44554-3 .
  6. ↑ a b c Dietmar Schober i samarbete med Alexis Neumann: Friktionssvetsning av metaller: konstruktion, teknik, kvalitetssäkring. DVS referensbokssvetsningsteknik, Volym 107, 1991, ISBN 3-87155-124-4
  7. ↑ Marc Lotz: Öka tillverkningsnoggrannheten vid svänghjulsfriktionssvetsning genom modellbaserade kontrollmetoder Herbert Utz Verlag, 2012.
  8. ↑ a b c DVS - tyska föreningen för svetsning och allierade processer e. V. - Kommittén för teknik: Gemensam kommitté DVS / DIN AG V 11.1 / NA 092-00-24 AA ”Friktionssvetsning”.
  9. ^ Ludwig Appel (GSI mbH, SLV München-filial): Aktuell information om friktionssvetsning. I: 23. Erfarenhetsutbyte om friktionssvetsning. SLV München, 12 mars 2019.
  10. ↑ Blixtspets och friktionssvetsning. Föreläsningar vid specialkonferensen med samma namn i Braunschweig, 8. - 9. Mars 1983. DVS rapporterar volym 77, ISBN 3-87155-382-4 .
  11. ↑ Blixtspets och friktionssvetsning med relaterade processer. Föreläsningar vid den tredje internationella DVS-konferensen i Stuttgart 5–6 april. December 1991. DVS rapporterar volym 139, ISBN 3-87155-444-8 .
  12. ↑ Till Maier (KUKA Deutschland GmbH, Augsburg): KUKA SmartConnect.frictionwelding - Industry 4.0-lösningar från KUKA för friktionssvetsmaskiner. I: 23. Erfarenhetsutbyte om friktionssvetsning. SLV München, 12 mars 2019.
  13. ↑ David Schmicker (IFA Rotorion Powertrain GmbH, Haldensleben): Produktutveckling av kardanaxelkomponenter . I: 23. Erfarenhetsutbyte om friktionssvetsning. SLV München, 12 mars 2019.
  14. Fab Thomas Faber (UGS Geotechnologie-Systeme GmbH, Mittenwalde): Friktionssvetsning av rör för djupborrning. I: 23. Erfarenhetsutbyte om friktionssvetsning. SLV München, 12 mars 2019.
  15. ↑ AluStir: rotationsfriktionssvetsning.
  16. ↑ Bavarian Research Foundation : Orbital friction svetsning - en ny nyckelteknik för sammanfogning av metalliska material
  17. ↑ patent WO9310935 : Förbättringar avseende friktionssvetsning. Registrerad den 27 november 1992 , uppfinnare: WM Thomas, ED Nicholas, JC Needham, MG Murch, CJ Dawes, P. Temple-Smith. ‌
  18. Ött Göttmann et al.: Egenskaper hos friktionsomrörade svetsade ämnen tillverkade av DC04 mjukt stål och aluminium AA6016 .
  19. ↑ James Careless: Friction Stir Welding. Förstå och reparera friktionsrörsvetsar. I: AviationPros.com. 6 juli 2007, nås den 31 januari 2021 .
  20. ^ Friction Stir Welding, National Center for Advanced Manufacturing, Louisiana ( 20 januari 2012 minnesmärke i internetarkivet ).
  21. ↑ J. Przydatek: En skeppsklassificeringsvy av friktionsrörsvetsning. I: Proceedings of 1st Internation Friction Stir Welding Symposium. Thousand Oaks (USA) 14.-16. Juni 1999.
  22. ↑ Fred Delany, Stephan W Kallee, Mike J Russell: Friktionsrörsvetsning av aluminiumfartyg. TWI Ltd, nås 1 maj 2014 .
  23. ^ Stephan W. Kallee, John Davenport, E. Dave Nicholas: Järnvägstillverkare implementerar friktionsrörsvetsning. American Welding Society, arkiverat från originalet ; nås den 29 januari 2008 .
  24. ↑ Rörsvetsning med robotassisterad friktion. (Projektbeskrivning) (Inte längre tillgänglig online.) Institute for Machine Tools and Industrial Management, Technical University of Munich, arkiverat från originalet den 30 juni 2008 ; Hämtad 29 januari 2008 .
  25. ↑ George Völlner: friktionsrörsvetsning med tunga industriella robotar. Herbert Utz Verlag, München 2010, ISBN 978-3-8316-0955-0 . (Som PDF (8,2 MB) online på IWB , TU München)