Go to top

Principes van het wrijvingsroerlasproces

Wrijvingsroerlassen is in 1991 uitgevonden door medewerkers van The Welding Institute (TWI) als een verbindingsmethode in de vaste toestand en werd aanvankelijk alleen toegepast op aluminiumlegeringen.

A.J. Schornagel

Het basisconcept is opmerkelijk eenvoudig. Een roterend gereedschap met een speciaal ontworpen pen en schouder wordt ingebracht in de tegen elkaar liggende kanten van met elkaar te verbinden platen en wordt vervolgens over de verbindingslijn voortbewogen (afbeelding 1). Deze afbeelding toont de procesdefinities voor gereedschap en werkstuk.


Afbeelding 1. Schematische voorstelling van wrijvingsroerlassen.


Het gereedschap vervult drie primaire functies;
- verhitten van het werkstuk;
- beweging van metaal om de verbinding tot stand te brengen;
- opsluiten van heet metaal onder de schouder van het gereedschap.
Verhitting in het werkstuk wordt opgewekt door zowel wrijving tussen de roterende pen en schouder als door hevige plastische vervorming van het werkstuk. De plaatselijke verhitting maakt het metaal rondom de pen zacht en in combinatie met de rotatie en translatie van het lasgereedschap, leidt dit tot beweging van metaal vanaf de voorkant van de pen naar de achterkant ervan, waardoor het gat weer wordt opgevuld dat in het kielzog van het gereedschap is ontstaan bij de voortgaande beweging. De schouder van het gereedschap beperkt de vloei van het metaal tot ter hoogte van de schouderpositie, dat wil zeggen niet veel dieper dan het oppervlak van het werkstuk.

Ontwerp van de schouders
 

Gereedschap-schouders zijn ontworpen om aan het metaaloppervlak en de zones daar vlak onder warmte op te wekken door wrijving en metaalvervorming. De schouder produceert het merendeel van de vervormings- en wrijvingswarmte in dunne plaat, terwijl de pen het merendeel van de warmteopwekking voor zijn rekening neemt in dikke werkstukken. De schouder levert ook de neerwaartse smeedwerking die nodig is voor de consolidatie van de las.

Concave schouder
 

Het eerste schouderontwerp was een concave schouder en is momenteel het meest gebruikte schouderontwerp voor wrijvingsroeren. Concave schouders leveren kwaliteits wrijvingsroerlassen en het simpele model laat zich makkelijk verspanen. De schouderconcaviteit wordt verkregen via een kleine hoek tussen de schouderrand en de pen, die ligt tussen 6 en 10°. Tijdens het indrukken van het gereedschap wordt metaal dat wordt verplaatst door de pen aangevoerd in de holte in de schouder. Dit metaal dient als start voor een reservoir voor de smeedwerking van de schouder. Voortgaande beweging van het gereedschap dwingt nieuw metaal de holte binnen, die het daar aanwezige metaal in de stroom van de pen duwt. Correcte werking van dit schouderontwerp vereist scheefzetten van het gereedschap onder een hoek van 2 tot 4° ten opzichte van de loodlijn van het werkstuk, weg van de voortgangsrichting. Dit is nodig om het metaalreservoir in stand te houden en om de nakomende rand van de schouder een smedende drukkracht op de las uit te laten oefenen. Het merendeel van de wrijvingsroerlassen die zijn geproduceerd met een concave schouder zijn recht, niet rechte lassen zijn alleen mogelijk als de lasmachine in staat is om de helling van het gereedschap rondom bochten kan handhaven.

Convexe schouder
 

De schouder kan ook convex zijn. Vroege pogingen met een convexe schouder liepen op niets uit, omdat de convexe vorm metaal weg van de pen duwde. Convexe schouders voor dikwandiger metaal zijn alleen gerealiseerd met toevoeging van een rol. Deze rol verplaatst metaal vanaf de buitenomtrek van de schouder inwaarts naar de pen. Het voordeel van de convexe vorm is dat de buitenrand van het gereedschap niet met het werkstuk in aanraking hoeft te komen, zodat de schouder op elke plaats langs het convexe oppervlak met het werkstuk in aanraking kan worden gebracht.

 

Er wordt dan een goede las geproduceerd als elk deel van de rol in aanraking komt met het werkstuk, waarbij metaal naar de pen wordt bewogen. Dit schouderontwerp biedt grotere flexibiliteit wat betreft het contactoppervlak tussen schouder en werkstuk, de mate van aangrijping tussen schouder en werkstuk kan worden veranderd zonder dat dit leidt tot teruggang in laskwaliteit. Verder wordt de mismatch-tolerantie verbeterd en wordt het makkelijker om werkstukken met verschillende dikte te verbinden en de mogelijkheid om complexere curven te lassen wordt verbeterd.

Penontwerpen
 

De pen levert wrijvings- en vervormingswarmte aan de verbindingsoppervlakken. De pen is ontworpen om de passende oppervlakken te verstoren, het metaal voor het gereedschap te doen afschuiven en het metaal naar de achterzijde van de pen te verplaatsen. Verder worden de vervormingsdiepte en voortloopsnelheid bepaald door het penontwerp.




Afbeelding 2. Concave schouder met een pen met afgeronde punt.
 

Cilindrische pen met afgeronde punt
 

De pen, zoals wordt vermeld in het originele patent, bestaat uit een cilindrische pen met draad met een ronde punt (afbeelding 2). Dit penontwerp is tot stand gekomen tijdens het door TWI gesponsorde projectnummer 5651 en wordt doorgaans aangeduid als 5651-pen in de wrijvingsroerlas-gemeenschap. Er wordt draad gebruikt om metaal van de schouder naar de onderkant van de pen te transporteren. Een ronde onderkant vermindert de slijtage van de pen en verbetert de kwaliteit van de las direct onder de pen. De beste afronding werd opgegeven als 75% van de pendiameter. Er werd beweerd dat naarmate de afrondingsstraal afnam (tot geheel vlak) de kans op een slechte las toenam, met name direct onder de pen.
 


Afbeelding 3. Pen met vlakke punt.
 



Afbeelding 4. Geometrie voor het vergelijken van oppervlaktesnelheden op het calibratiepunt voor (a) pennen met vlakke punt en (b) pennen met afgeronde punt.



 

Cilindrische pen met vlakke punt
 

In tegenspraak met de bewering dat een vlakke punt slechte lassen geeft, wordt deze vorm momenteel het meest gebruikt (afbeelding 3). De overstap van een afgeronde naar een vlakke punt wordt toegeschreven aan een geometrisch argument. De oppervlaktesnelheid van een roterende cilinder stijgt van nul in het midden van de cilinder tot een maximum waarde aan de rand. De plaatselijke oppervlaktesnelheid gekoppeld met de wrijvingscoëfficiënt tussen pen en metaal dicteert de vervorming tijdens wrijvingsroeren. Op het laagste punt van de vlakke punt dat onder een kleine hellingshoek staat ten opzichte van de rotatieas is de oppervlaktesnelheid het hoogst (afbeelding 4a). In contrast hiermee ligt het laagste punt van een afgeronde pen niet ver van het centrum van de pen en daar heerst een lagere oppervlaktesnelheid (afbeelding 4b). De oppervlaktesnelheden aan de laagste punten van vlakke en afgeronde punten staan ter vergelijking in tabel 1, bij een hellingshoek van 3°, een pendiameter van 5 mm een afrondingsstraal van de afgeronde punt van 3,8 mm. Een grotere afrondingsstraal zal het verschil in snelheid verminderen, terwijl een kleinere het verschil zal vergroten. In dit voorbeeld heeft de vlakke punt een 27,9 maal hogere oppervlaktesnelheid dan de afgeronde punt. De hogere oppervlaktesnelheid aan de penpunt vergroot het vermogen van de pen om metaal ter plaatse van de punt in beweging te brengen.
 



Afbeelding 5. Convexe schouder en afgeknotte-kegelpen.
 

Afgeknotte kegelpennen Cilindrische pennen bleken afdoende voor aluminium plaat tot een dikte van 12 mm, maar het streven was naar het lassen van dikkere plaat met hogere voortloopsnelheden. Een eenvoudige aanpassing van een cilindrische pen is een afgeknotte kegel (afbeelding 5). Afgeknotte kegelpennen geven in vergelijking met cilindrische pennen een lagere transversale belasting en de hoogste momentbelasting op een afgeknotte kegelpen is aan de basis van de kegel, waar hij het sterkst is.

Warmteopwekking
 

Bij wrijvingsroerlassen wordt warmte opgewekt door een combinatie van wrijving en plastische verspreiding tijdens vervorming van het metaal. Het overheersende mechanisme van warmteopwekking wordt beïnvloed door de lasparameters, warmtegeleidbaarheid van werkstuk, laspen en onderplaat alsmede de vorm van de laspen. Er gelden algemene richtlijnen voor de keuze van de lasparameters die een empirisch verband geven tussen hetere lassen met hogere rotatiesnelheden en lage voortgangssnelheid en tussen koelere lassen met lage rotatiesnelheden en hoge voortgangssnelheid. De temperatuurverdeling rondom de laspen is asymmetrisch met iets hogere temperaturen aan de teruglopende kant bij wrijvingsroerlassen van gelegeerd aluminium. Om oververhitting in de lassen tegen te gaan bij hogere rotatiesnelheden (>15.000 omw/min), zijn er met succes lassen gemaakt met een niet-roterende schouder. Vroeg experimenteel onderzoek heeft aangetoond dat het merendeel van warmteopwekking plaatsvindt aan het grensvlak schouder/werkstuk.

Afbeelding 6. Verdeling van de piektemperatuur in de buurt van een wrijvingsroerlas in 7075-T651. De gebogen lijn rechts geeft de begrenzing aan van de metaalprop.

Afbeelding 7. Afstand tussen banden, gevormd door lasmetaal dat rondom de pen is geveegd en neergeslagen in zijn kielzog, is bij benadering gelijk aan de voortloopsnelheid (v) gedeeld door de rotatiesnelheid W.
 

Het controlerende mechanisme van warmteopwekking is het gevolg van of wrijving of plastische verspreiding, afhankelijk van de contactcondities tussen beide elkaar rakende oppervlakken. De vorm van zowel de laspen en de schouder zijn van invloed of beide oppervlakken glijden, kleven, of tussen beiden heen en weer worden geslingerd. Er bestaan aanwijzingen dat de warmte die wordt opgewekt tussen laspen en werkstuk aanzienlijk is en moet worden meegenomen bij het opstellen van de warmteverdeling. Mechanismen van warmteopwerking tussen laspen en werkstuk zijn eveneens het gevolg van wrijving of plastische verspreiding, afhankelijk of er glij- of kleefcondities overheersen aan het grensvlak. De warmtebijdrage als gevolg van vervormingswarmte rondom de laspen wordt geschat op 2 tot 20%. Er worden twee experimentele benaderingen beschreven om inzicht te krijgen in het ontstaan van de temperatuurverdeling tijdens wrijvingsroerlassen. De eerste is een interpretatie van de microstructuur in vergelijking met verouderingskrommen van de onderzochte legering. Met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) is gepoogd om de uitscheidingsvolgorde in de microstructuur van 6061, 6063 en 2195 in verband te brengen met de lastemperatuur van het metaal. Variaties in de precipitatie toestand die zijn gerapporteerd lopen van volledig oplossen van uitscheidingen in de laskern tot onvolledig oplossen, met de mogelijkheid van oververoudering van uitscheidingen. De temperatuurverdeling tijdens wrijvingsroerlassen is voortdurend in beweging en het is daardoor lastig om een exacte temperatuur te verbinden met de uitscheidingsreeks die wordt gevonden met de gestadige verouderingsproeven. Deze microstructuurexperimenten geven echter een benadering van de maximum temperatuur in de las van deze aluminiumlegeringen van 723 tot 753K. Er werden geen aanwijzingen gevonden van lokale smelting bij dit microstructuuronderzoek. Er zijn gedetailleerde temperatuurmetingen uitgevoerd met ingebedde thermokoppels (TK’s) om de vorm van de temperatuursverdeling te vinden. Interpretatie van deze metingen wordt beïnvloed door de gekoppelde warmtegeleidbaarheid van werkstuk, onderplaat en lasgereedschap. De meetgegevens doen vermoeden dat het gebied nabij de pin bijna isotherm is, hetgeen er op wijst dat de maximum temperatuur kan optreden in het schuiven aan het grensvlak van een roterende prop metaal rondom de laspen. Bij dikker metaal wijst het gemeten temperatuurverloop op een grens aan de diepte die wordt beïnvloed door de oppervlakteverwarming van de schouder/werkstuk wisselwerking. Afbeelding 6 geeft een beeld van de piektemperaturen die zijn gemeten rondom de geroerde zone als functie van de afstand van de plaatrand tot de geroerde zone en over de dikte van een 6,35 dikke plaat 7075-T651. De temperatuurverdeling laat zien dat de hoogste temperaturen voorkomen in de nabijheid van de roerzone en bij de bovenoppervlak. Er wordt een temperatuurafname waargenomen over de wanddikte vanaf de schouder tot aan de bodem, naast een temperatuurafname met toenemende afstand tot de afschuifzone. Naarmate de temperatuur van het lasmetaal stijgt, wordt het metaal zachter, het koppel neemt af en er wordt minder warmte afgedragen aan het metaal door middel van mechanische arbeid. Hierdoor ontstaat er een temperatuurregelend mechanisme dat ertoe neigt om de temperatuur te stabiliseren waardoor smelten van het lasmetaal wordt vermeden. Beheersing van de temperatuur kan plaatsvinden door middel van afwisseling van de condities aan het grensvlak tussen kleven en schuiven. Als het metaal afkoelt tot beneden een kritische temperatuur, waar de vervormingsvloeispanning stijgt tot boven de wrijvingsschuifspanning, kan de wisselwerking tussen lasgereedschap en werkstuk veranderen van vervormend in wrijvend. Als er schuiven optreedt tussen lasgereedschap en werkstuk, dan zou de warmte-inbreng kunnen dalen waardoor de temperatuur van het metaal daalt. De scherpe temperatuursgradiënt bij het grensvlak lasgereedschap/werkstuk omvat de door de warmte zachter geworden, plastische zone binnen het gebied dat wordt begrensd door de schouder van het lasgereedschap, aanbeeld en basismetaal. Lasparameters, gekoppeld aan het ontwerp van de laspen en pinmateriaal, beheersen de hoeveelheid verhit metaal, waarvan een gedeelte dan wordt voortbewogen door het mechanisch werkende procesgedeelte. Het door de warmte zachter geworden metaal wordt rondom het gereedschap voortbewogen in de rotatierichting en wordt neergeslagen in ringen in het kielzog van de las. Gezien in het vlak van een wrijvingsroerlas is de afstand tussen de achtergelaten ringen equivalent met de afstand in lengterichting dat het lasgereedschap aflegt gedurende een enkele omwenteling, zoals is te zien op afbeelding 7.


Afbeelding 8. Dwarsdoorsnede van een wrijvingsroerlas met daarin weergegeven de verschillende zones van de las. (HAZ: warmte-beïnvloede zone; TMAZ: thermisch-mechanisch beïnvloede zone).

 

Afbeelding 8 toont een dwarsdoorsnede van een wrijvingsroerlas. De lasprop wordt begrensd door de WBZ en de thermomechanisch beïnvloede zone. De opgewekte warmte bestuurt de grootte van het voortbewogen volume, omdat hetere lassen een grotere prop blijken te vertonen dan koelere. Het uienrok-patroon dat is te zien op afbeelding 8 is niet altijd aanwezig in de las-macrostructuur. Kristallografische textuuropnamen tonen aan dat de uienrokken overeenkomen met ringen van door afschuiving geïnduceerde vezeltextuur in de lasprop. Hoewel het uienrok-patroon behulpzaam is bij de interpretatie van de thermomechanische verwerking van het metaal tijdens het wrijvingsroerlasproces, wordt er geen melding gemaakt van correlatie met de resulterende kwaliteit van de lasprop.

 

Nieuwsbrief

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium en Roestvast Staal branche.

Velden met een * zijn verplicht