Friktionsomrörningssvetsning: billig svetsning av stålplåt och andra material med hög smältpunkt

Publicerad:

2025-06-11

Honda har utvecklat en teknik för att sammanfoga stål och aluminiumlegeringar med friktionsomrörningssvetsning i serieproduktion. Tohokuuniversitetet i Japan och Hitachi har utvecklat verktyg av koboltlegering som kan svetsa metaller med hög smältpunkt såsom stål och titan. Användningen av friktionsomrörningssvetsning (FSW: Friction Stir Welding), som tidigare i serieproduktion begränsades till metaller med låg smältpunkt såsom aluminium-, koppar- och magnesiumlegeringar, börjar nu utvidgas till stål och andra metaller med högre smältpunkt*1.

*1 Vid normalt atmosfärstryck är aluminiums smältpunkt 660℃, koppars 1083℃ och magnesiums 651℃. För järn är den hela 1539℃ och för titan 1727℃.

Friktionsvärme gör metallen mjuk och trögflytande

Friktionsomrörningssvetsning är en teknik där ett roterande cylindriskt verktyg med en utskjutande tapp pressas mot svetsstället ovanifrån på två stumfogade eller överlappande plåtar av grundmaterial. Verktyget roterar och trycks ned samtidigt och sammanfogar plåtarna.

Friktionsvärmen mellan den roterande tappen och plåten gör metallen runt tappen mjuk och trögflytande, så att tappen kan tränga in i plåten. Den uppmjukade metallen runt tappen blandas då genom plastisk strömning och förenar de båda metallplåtarna, eller så bildas metallbindningar vid plåtarnas kontaktyta som sammanfogar dem.

Tidigare saknades omrörningsverktyg som tålde höga temperaturer

Friktionsomrörningssvetsning har följande fyra fördelar: (1) svetsningen kräver inte att grundmaterialet smälts, eftersom den sker i fast fas. Därför uppstår få deformationer och svetsfel, vilket höjer produktkvaliteten och sänker kostnaden; (2) lägre energiförbrukning än smältsvetsning; (3) ingen skyddsgas behövs; (4) låg ljudnivå och ingen dammbildning. Tekniken är dessutom mycket effektiv för svetsning av olika material och har därför väckt stort intresse i branschen. Genom att välja lämpligt material för varje del hoppas man bland annat kunna minska vikten*2. Som nämndes i inledningen var dock tidigare material som kunde friktionsomrörningssvetsas i serieproduktion begränsade till metaller med låg smältpunkt.

*2 Jämfört med smältsvetsning, där grundmaterialet smälts i flytande fas, sker friktionsomrörningssvetsning vid lägre temperatur och värmetillförseln kan lättare styras genom svetsparametrarna. Därmed kan bildningen av intermetalliska föreningar, som är en huvudorsak till minskad svetsstyrka, lätt begränsas. Ett tunnare skikt av intermetalliska föreningar kan öka svetsförbandets hållfasthet. Även vid friktionsomrörningssvetsning kan alltför kraftig omrörning bilda stora mängder intermetalliska föreningar.

Att friktionsomrörningssvetsning tidigare begränsades till metaller med låg smältpunkt berodde på bristen på billiga värmetåliga verktyg för serieproduktion. För aluminiumlegeringar används vanligen verktyg av stålmaterial såsom verktygsstål. Vid svetsning av metaller med hög smältpunkt, såsom stål och titanlegeringar, mjuknar även verktyget vid de temperaturer som krävs för att mjuka upp metallen. Det orsakar så kraftigt verktygsslitage att verktyget inte kan användas. Verktyg av andra material såsom keramik och volfram-reniumlegeringar har utvecklats men är mycket dyra och olämpliga för serieproduktion.

En ny stålyta kan blottläggas utan omrörning

Hondas teknik för att sammanfoga stål och aluminiumlegeringar genom friktionsomrörning används på överlappande grundmaterial av stål och aluminiumlegering. Det främsta kännetecknet är att endast aluminiumlegeringen rörs om medan stålet lämnas orört (den nedre bilden i figur 1). Detta förhindrar att verktygets temperatur blir för hög.

Stål och aluminiumlegeringar kan sammanfogas utan att stålet rörs om eftersom metallbindningar bildas mellan dem. Tekniken rör alltså inte om stålet utan avlägsnar färg- och oxidskikt från dess yta. Därigenom blottläggs en ny stålyta som bildar metallbindningar med aluminiumlegeringen, vars aktivitet har ökat genom omrörningen. Dessa metallbindningar förenar stålet och aluminiumlegeringen*3.

*3 Om exempelvis vatten tränger in mellan stål och aluminiumlegering kan galvanisk korrosion uppstå. I denna teknik förhindras detta genom en kiselfilm mellan stålet och aluminiumlegeringen.

Honda har använt tekniken i den främre hjälpramen på den nya Accord för den nordamerikanska marknaden och uppnått flera effekter (figur 2). Vikten minskade med 25％ jämfört med den tidigare hjälpramen av stål och elförbrukningen vid svetsning minskade med cirka 50％. Tekniken användes även för att ändra konstruktionen vid hjälpramens infästning till hjulupphängningen, vilket ökade infästningens styvhet med 20％ och bidrog till förbättrade köregenskaper.

Utvidga användningsområden genom nya material

Tohokuuniversitetet, Hitachi och bolaget Hitachi Metals Precision har också utvecklat ett relativt billigt omrörningsverktyg som tål hög temperatur och därmed utökar användningsområdet för friktionsomrörningssvetsning (figur 3). Verktygsmaterialet utvecklades gemensamt av Tohokuuniversitetet och Hitachi. Tekniken för massproduktion av detta material och det gjutna omrörningsverktyget utvecklades gemensamt av Hitachi och Hitachi Metals Precision. Verktyget kan användas för friktionsomrörningssvetsning av metaller med hög smältpunkt, såsom stål, titanlegeringar och zirkoniumlegeringar. Försäljningen planerades börja hösten 2013. Även om Hitachi Metals Precision uppgav att ”priset ska diskuteras framöver”, bedömdes det hamna på en nivå som möjliggör användning i massproduktion.

Materialet som Tohoku University och andra har utvecklat för omrörningsverktyg vid friktionsomrörningssvetsning är en koboltlegering med intermetalliska föreningar som behåller hög hållfasthet även vid höga temperaturer. Mer specifikt är Co3(Al, W) fördelat i en koboltbaserad legering. Det avgörande är att få en fin och jämn fördelning av Co3(Al, W) samt önskad mängd och korngränsstruktur. För detta används en lämpligare sammansättning och värmebehandling.

De material som för närvarande avses för detta friktionsomrörningsverktyg är kolstål, höghållfast stål, titanlegeringar (Ti-6Al-4V med flera), rent titan och kopparlegeringar. Vissa material är svåra att bearbeta med verktyget på grund av bland annat hållfasthet och tjocklek. Generellt är svetsobjekten material där verktygstemperaturen (fogningstemperaturen) vid friktionsomrörningssvetsning är högst omkring 1000℃.

Föregående sida

Längre livslängd för metallutrustning: det självläkande korrosionsskyddet Jufudun har utvecklats framgångsrikt

FCSE | Forskningsfronten: solljusdriven ”självläkande” korrosionsskyddsbeläggning

Nästa sida

Föregående sida:

Längre livslängd för metallutrustning: det självläkande korrosionsskyddet Jufudun har utvecklats framgångsrikt

Nästa sida:

FCSE | Forskningsfronten: solljusdriven ”självläkande” korrosionsskyddsbeläggning

Relaterade nyheter

Presentation av maskinbearbetning 2026: Wuhan Kaiming High-Techs professionella lösningar för reparation av metallytor på mekanisk utrustning

2026-08-15

Så fungerar maskinbearbetning 2026: en ingående och praktisk kunskapsgenomgång om professionell reparation av metallytor på mekanisk utrustning

2026-07-31

Vanliga frågor om maskinbearbetning 2026: en fullständig genomgång och praktisk guide till hantering av processfel och effektiv optimering

2026-07-16

Viktigt genom hela maskinbearbetningsprocessen 2026: praktisk guide till lägre kostnader, bättre kvalitet och färre fel

2026-07-01

Översikt över maskinbearbetningens tillämpningar i alla branscher 2026: guide till lägre kostnader och högre effektivitet med kompletterande reparation av metallytor

2026-06-16

Senaste nytt inom maskinbearbetning 2026 – En genomgång av teknisk uppgradering, kostnadsminskning och effektivisering för tillverkningsföretag

2026-06-01

Dela till

Tillbaka till listan