Wrijvingslassen
Principe
Wrijvingslassen is een mechanisch lasproces waarbij de nodige warmte voor het lassen gegeneerd wordt door het tegen elkaar wrijven of roteren van de te verbinden oppervlakken onder een axiale druk.
Het principe van het wrijvingslassen is in zijn meest eenvoudige vorm voorgesteld in figuur 1. Stel dat twee assen of pijpen stompgelast moeten worden, dan wordt één deel geklemd terwijl het andere er tegenaan geroteerd wordt met constante snelheid door een aandrijfmotor. Als de beide delen onder druk met elkaar in contact gebracht worden veroorzaken de wrijvingskrachten een weerstandskoppel. De mechanische energie die hieruit resulteert wordt in het contactvlak omgezet in warmte. De gegenereerde warmte verhoogt de temperatuur in relatief korte tijd tot de lastemperatuur (smeedtemperatuur). Vervolgens wordt het roterend deel losgekoppeld van de aandrijving, afgeremd tot stilstand, en wordt een axiale smeedkracht uitgeoefend om de lasverbinding tussen beide delen te realiseren. Tijdens de opwarmfase en de lasfase wordt onder invloed van de axiale drukkracht een hoeveelheid plastisch materiaal naar buiten gestuwd zodat de voor het wrijvingslassen karakteristieke lasbraam (zie figuur 2) wordt gevormd.
Figuur 1: Principe van het wrijvingslasproces
Varianten van het wrijvingslasproces
De meest gebruikte variant van het proces is het rotationeel wrijvingslasproces. Het kan gebruikt worden voor het verbinden van rotatiesymmetrische werkstukken, zoals buizen en staven (figuur 2), maar eveneens voor sommige meer complexe geometrieën, zoals getoond in de figuur 3.
 Figuur 2: Wrijvingsgelaste staven |
 Figuur 3: Wrijvingsgelaste zeskantige staven |
Naast het rotationele wrijvingslasproces bestaan er nog een aantal andere varianten. Orbitaal wrijvingslassen kan gebruikt worden om stukken met een niet-rotationeel symmetrische doorsnede te lassen (zie figuur 4). Beide werkstukken worden in contact gebracht onder druk en één deel voert een kleine cirkelvormige beweging uit t.o.v. het andere. Dit geeft een uniforme tangentiale snelheid over het hele oppervlak. Als de beweging stopt worden beide delen vlug met elkaar terug in lijn gebracht en wordt de smeedkracht aangebracht om de las te vormen. Bij het lineair wrijvingslassen (figuur 5) wordt de nodige warmte opgewekt door een heen en weer gaande beweging van de te lassen stukken. Met dit proces kunnen eveneens niet rotationeel symmetrische stukken gelast worden.
|
|
 Figuur 5: Lineair wrijvingslassen |
Het wrijvingsproces kan ook gebruikt worden voor het aanbrengen van oplaslagen (cladding - zie figuur 6) of voor het uitvoeren van herstellingen met behulp van het “friction stitch” lasproces (figuur 8).
 Figuur 6: Oplassen met het wrijvingslasproces |
 Figuur 7: Destructieve beproeving van een opgelaste laag door middel van het wrijvingslasproces |
 Figuur 8: Herstellassen m.b.v. het friction stitch lasproces |
Voordelen van wrijvingslassen
- Hoog kwalitatieve verbindingen, met een gunstige metallurgische structuur, vermits het materiaal niet tot smelten gebracht wordt.
- Geen speciale voorbereiding van de werkstuken.
- Weinig vervormingen na het lassen, te wijten aan de korte lastijden en de lage maximale temperaturen.
- Mogelijkheid om stukken met sterk verschillende secties te verbinden, mits het nemen van bepaalde voorzorgsmaatregelen.
- Het lasproces is veel sneller dan de conventionele lasprocessen.
- Economisch :het wrijvingslassen laat toe interessante besparingen te realiseren op de kostprijs van gelaste stukken (tijdsbesparing, materiaalbesparing).
- Ongelijksoortige materialen die met andere processen niet gelast kunnen worden, kunnen wél gelast worden met het wrijvingslasproces, zoals aluminium of koper aan staal
- Zeer goede reproduceerbaarheid en mogelijkheden tot automatisering.
- Milieubewust : geen beschermgassen, lasrook of straling.
- Minder lawaai : de lassen moeten niet geslepen of afgebikt worden.
- Geen nood aan gecertificeerde lassers.
Toepassingen
Het wrijvingslasproces kan gebruikt worden voor tal van toepassingen. Zo wordt het bijvoorbeeld gebruikt in de lucht- en ruimtevaart voor het lassen van haakbouten (figuur 9), voor het vervaardigen van lichtgewicht zuigerstangen (figuur 10) of voor onderdelen van versnellingsbakken (figuur 11).
 Figuur 9: Productie van haakbouten |
 Figuur 10: Lassen van zuigerstangen |
 Figuur 11: Lassen van tandwielen van een versnellingsbak |
|
Wrijvingslassen wordt ook gebruikt in de petrochemie, bijvoorbeeld voor het lassen van flenzen aan de behuizing van hydraulische ventielen (figuur 12) of voor het lassen van boorpijpen. De wrijvingslassen zijn sterk genoeg om te weerstaan aan de hoge koppels tijdens het boren.
 Figuur 12: Bevestiging van een flens aan een hydraulisch ventiel |
 Figuur 13: Lassen van een gesmede zuigerstang aan een connector met schroefdraad |
Met het wrijvingslasproces is het eveneens mogelijk om materialen te verbinden, die met de conventionele processen niet te verbinden zijn. Voorbeelden hiervan zijn aluminium aan staal (figuur 14) of titanium aan koper. Deze mogelijkheid laat toe om kosten te besparen, door een oordeelkundig ontwerp van dergelijke onderdelen. Een voorbeeld hiervan is het ontwerp van een klep van een verbrandingsmotor (figuur 16). De schotels in een warmtebestendig materiaal worden gelast aan de klepsteel vervaardigd uit een slijtvast materiaal. Andere voorbeelden van bimetaalverbindingen worden getoond in de figuur 17.
 Figuur 14: Verbinding van aluminium aan staal |
|
 Figuur 16: Verbinding van de klepsteel aan de schotel |
 Figuur 17: Voorbeelden van bimetallische verbindingen: aluminium/koper elektrische connectoren en titanium/koper tapeinden |
Wrijvingslassen wordt ook veel gebruikt bij de productie van onderdelen voor trucks en landbouwvoertuigen (figuren 18 en 19). Een aanzienlijke kostenbesparing kan gerealiseerd worden door het vervangen van volledig gesmede stukken door kleinere smeedstukken gelast aan staven of buizen.
 Figuur 18: Zuiger van een dieselmotor |
 Figuur 19: Kettingwiel gelast aan een staaf |
Wrijvingslassen wordt gebruikt voor de productie van onderdelen in de automobielindustrie, zoals stabilisatoren, kleppen, aandrijfstangen, stuurkolommen, waterpompen, ....
 Figuur 20: Onderdeel van een turbo |
 Figuur 21: Onderdeel van een versnellingsbak |
 Figuur 22: Onderdeel van een schokdemper : buis gelast aan een gestampt stuk |
|
Onderzoek
Het Belgisch Instituut voor Lastechniek beschikt over een jarenlange ervaring inzake wrijvingslastechnologie. In het verleden werd het klassieke rotationele wrijvingslasproces uitvoerig onderzocht en momenteel loopt een onderzoeksproject voor de ontwikkeling van een innovatief lasproces voor het verbinden van pijpleidingen. Hiervoor werd een nieuwe variant van het wrijvingslasproces ontwikkeld, namelijk het wrijvingslassen met een roterende tussenschijf (figuur 24). Het BIL beschikt eveneens over een wrijvingslasmachine met een aandrijfvermogen van 160 kW.
Figuur 24: Wrijvingslassen van pijpen met roterende tussenschijf
Contractonderzoek op maat
Voor vertrouwelijk onderzoek dat aan de specifieke behoeften van een bepaald bedrijf moet voldoen kan het BIL contract-onderzoek uitvoeren in opdracht van de industrie. Innovatieve projecten worden door de overheid gesubsidieerd.
Wegens de almaar toenemende concurrentie in de sector zijn we overtuigd van de noodzaak van het vervangen van arbeidsintensieve lasprocessen door geautomatiseerde innovatieve lasprocessen. Wrijvingslassen leent zich uitstekend tot dit doel :
- Het is een automatisch proces, waarbij de kwaliteit onafhankelijk is van de operator, wat zeer belangrijk is wegens het verstrengen van de kwaliteitseisen, die praktisch moeilijk haalbaar zijn met manuele lasprocessen.
- Er is een tekort aan geschoolde lassers. Deze trend zal zich internationaal doorzetten. Automatisering is daarom de enige oplossing.
- De almaar strenger wordende eisen inzake milieu.
- De noodzaak om sneller en efficiënter te werken met een kostenvermindering als gevolg.
dr. ir. Koen Faes
