Friktionsomrøringssvejsning: billig svejsning af stålplader og andre materialer med højt smeltepunkt

Udgivet:

2025-06-11

Honda har udviklet en teknologi til friktionsomrøringssvejsning af stål og aluminiumlegeringer til masseproduktion, mens Tohoku University i Japan og Hitachi har udviklet et værktøj af koboltlegering, der kan svejse højtsmeltende metaller som stål og titan. Friktionsomrøringssvejsning (FSW: Friction Stir Welding), som tidligere på masseproduktionsniveau var begrænset til lavtsmeltende metaller som aluminium-, kobber- og magnesiumlegeringer, begynder nu også at blive anvendt til metaller med højere smeltepunkt såsom stål*1.

*1 Ved normalt atmosfærisk tryk er aluminiums smeltepunkt 660℃, kobbers 1083℃ og magnesiums 651℃. Jerns smeltepunkt er derimod hele 1539℃ og titans hele 1727℃.

Friktionsvarmen blødgør metallet til en tyktflydende tilstand

Friktionsomrøringssvejsning er en teknik, hvor et cylindrisk, roterende værktøj med en fremspringende tap på enden presses ned mod svejsestedet ovenfra på to stumpsamlede eller overlappende plader af grundmaterialet og svejser dem sammen, mens det roterer.

Friktionsvarmen mellem den roterende omrøringstap og pladen blødgør metallet omkring tappen til en tyktflydende tilstand, så den roterende tap kan trænge ind i pladen. Det blødgjorte metal omkring tappen blandes ved plastisk strømning, så de to metalplader samles til én, eller der dannes metalliske bindinger ved pladernes kontaktflade, som forener dem.

Tidligere manglede der varmebestandige omrøringsværktøjer

Friktionsomrøringssvejsning har følgende fire fordele: (1) Da grundmaterialet ikke behøver at smelte ved svejsningen, som foregår i fast fase, er deformationer og svejsefejl få, hvilket forbedrer produktkvaliteten og reducerer omkostningerne; (2) den bruger mindre energi end smeltesvejsning; (3) den kræver ingen beskyttelsesgas; (4) den støjer kun lidt og danner ikke støv. Teknikken er desuden meget effektiv til svejsning af forskellige materialer og tiltrækker derfor stor opmærksomhed i branchen. Valg af passende materialer til de enkelte områder forventes blandt andet at muliggøre lavere vægt*2. Som nævnt i indledningen var friktionsomrøringssvejsning på masseproduktionsniveau tidligere begrænset til metaller med lavt smeltepunkt.

*2 Sammenlignet med smeltesvejsning, hvor grundmaterialet smeltes i en flydende fase, sker friktionsomrøringssvejsning ved lavere temperatur, og varmetilførslen kan let styres ved at indstille svejsebetingelserne. Derfor kan dannelsen af intermetalliske forbindelser, som er en væsentlig årsag til reduceret svejsestyrke, let begrænses. Et tyndere lag af intermetalliske forbindelser kan øge styrken i svejsestedet. Ved for kraftig omrøring under friktionsomrøringssvejsning dannes der dog også store mængder intermetalliske forbindelser.

Friktionsomrøringssvejsning var tidligere begrænset til metaller med lavt smeltepunkt, fordi der manglede billige, varmebestandige værktøjer egnet til masseproduktion. Ved friktionsomrøringssvejsning af aluminiumlegeringer bruges normalt værktøjer af stål, eksempelvis værktøjsstål. Ved svejsning af højtsmeltende metaller som stål og titanlegeringer bliver sådanne værktøjer selv bløde ved de temperaturer, der kræves for at blødgøre metallerne. Det medfører så kraftigt slid, at værktøjet bliver ubrugeligt. Der er udviklet værktøjer af andre materialer såsom keramik og wolfram-rhenium-legeringer, men de er meget dyre og derfor uegnede til masseproduktion.

Frisk ståloverflade blotlægges uden omrøring

Hondas teknologi til sammenføjning af stål og aluminiumlegeringer ved friktionsomrøring bruges til overlappende grundmaterialer af stål og aluminiumlegering. Det vigtigste kendetegn er, at kun aluminiumlegeringen omrøres, mens stålet forbliver urørt (nederste billede i figur 1). Det forhindrer, at værktøjets temperatur bliver for høj.

Stål og aluminiumlegeringer kan svejses sammen uden omrøring af stålet, fordi der dannes metalliske bindinger mellem dem. Teknikken omrører altså ikke stålet, men fjerner belægningen og oxidlaget på dets overflade. Dermed blotlægges en frisk ståloverflade, som danner metalliske bindinger med aluminiumlegeringen, hvis reaktivitet øges ved omrøringen. Disse metalliske bindinger samler stål og aluminiumlegering til én enhed*3.

*3 Hvis vand eller lignende trænger ind mellem stål og aluminiumlegering, opstår galvanisk korrosion. Denne teknologi forhindrer det ved at indsætte en siliciumfilm mellem stålet og aluminiumlegeringen.

Honda anvendte teknologien i den forreste hjælperamme på den nye »Accord« til det nordamerikanske marked og opnåede flere fordele (figur 2). Vægten faldt med 25％ i forhold til den tidligere stålramme, og strømforbruget under svejsning blev reduceret med cirka 50％. Teknologien blev desuden brugt til at ændre konstruktionen ved fastgørelsen mellem hjælperamme og hjulophæng. Det øgede fastgørelsesstedets stivhed med 20％ og bidrog til bedre køredynamik.

Udvid anvendelsesområderne med nye materialer

Tohoku University, Hitachi og Hitachi Metals Precision har desuden udviklet et billigere omrøringsværktøj, der tåler høje temperaturer, og dermed udvidet anvendelsesområdet for friktionsomrøringssvejsning (figur 3). Værktøjsmaterialet blev udviklet i fællesskab af Tohoku University og Hitachi, mens teknologien til masseproduktion af materialet og det støbte omrøringsværktøj blev udviklet i fællesskab af Hitachi og Hitachi Metals Precision. Værktøjet kan anvendes til friktionsomrøringssvejsning af metaller med højt smeltepunkt, såsom stål, titanlegeringer og zirkoniumlegeringer, og salgsstart var planlagt til efteråret 2013. Selvom Hitachi Metals Precision oplyste, at »prisen vil blive drøftet senere«, forventedes et prisniveau, der gjorde værktøjet anvendeligt i masseproduktion.

Materialet, som Tohoku University og andre har udviklet til værktøjer til friktionsomrøringssvejsning, er en koboltlegering med fordelte intermetalliske forbindelser, der bevarer høj styrke også ved høje temperaturer. Konkret er Co3（Al，W） fordelt i en koboltbaseret legering. Det afgørende er at opnå en ensartet, fin fordeling af Co3（Al，W） og bringe mængden og korngrænsernes form tæt på den ønskede tilstand. Derfor anvendes en mere hensigtsmæssig sammensætning og varmebehandlingsmetode.

De aktuelt påtænkte materialer til dette omrøringsværktøj er kulstofstål, højstyrkestål, titanlegeringer (Ti-6Al-4V m.fl.), rent titan og kobberlegeringer. Selv om visse materialer på grund af styrke og tykkelse er vanskelige at anvende værktøjet til, er målgruppen overordnet materialer, hvor værktøjets temperatur (samlingstemperaturen) ved friktionsomrøringssvejsning højst er omkring 1000℃.

Forrige side

Det selvreparerende korrosionsbeskyttelsesmiddel Jufudun er færdigudviklet og forlænger levetiden for metaludstyr

FCSE | Forskningsfronten: Sollysdrevne »selvreparerende« korrosionsbeskyttende belægninger

Næste side

Forrige side:

Det selvreparerende korrosionsbeskyttelsesmiddel Jufudun er færdigudviklet og forlænger levetiden for metaludstyr

Næste side:

FCSE | Forskningsfronten: Sollysdrevne »selvreparerende« korrosionsbeskyttende belægninger

Relaterede nyheder

Præsentation af maskinbearbejdning i 2026: Wuhan Kaiming High-Techs professionelle løsninger til reparation af metaloverflader på mekanisk udstyr

2026-08-15

Sådan fungerer maskinbearbejdning i 2026: en grundig og praktisk vidensgennemgang om professionel reparation af metaloverflader på mekanisk udstyr

2026-07-31

Ofte stillede spørgsmål om maskinbearbejdning i 2026: en fuld gennemgang og praktisk guide til håndtering af procesfejl og effektiv optimering

2026-07-16

Vigtige hensyn gennem hele maskinbearbejdningsprocessen i 2026: praktisk guide til lavere omkostninger, bedre kvalitet og færre fejl

2026-07-01

Overblik over maskinbearbejdningens anvendelser i alle brancher i 2026: guide til lavere omkostninger og højere effektivitet med supplerende reparation af metaloverflader

2026-06-16

Seneste nyt fra maskinbearbejdningsbranchen i 2026: Teknologiske opgraderinger, lavere omkostninger og højere effektivitet for fremstillingsvirksomheder

2026-06-01

Del på

Tilbage til listen