Kouddruklassen: Soorten, voor- en nadelen, apparatuur

Kouddruklassen, ook wel koudlassen of solid-state welding genoemd, is een innovatieve verbindingstechniek die metaalverbindingen met hoge sterkte creëert zonder warmte toe te passen. Dit proces is gebaseerd op het principe van plastische vervorming om een verbinding op atomair niveau tussen twee metalen oppervlakken te realiseren bij kamertemperatuur.

Tijdens kouddruklassen wordt een aanzienlijke drukkracht uitgeoefend op de metaalinterfaces, die meestal de vloeigrens van de materialen overschrijdt. Deze intense druk veroorzaakt plaatselijke plastische vervorming, die twee kritieke functies heeft:

1. Verstoring van oppervlakteoxiden: De plastische stroom perst met geweld oppervlakteverontreinigingen en oxidelagen uit het grensvlak, waardoor schone metaaloppervlakken in wording worden blootgelegd.
2. Atomaire diffusie: De extreme druk brengt de schone metaaloppervlakken in intiem contact, waardoor atomaire diffusie over het grensvlak en de vorming van metaalbindingen mogelijk worden.

Dit proces biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele smeltlasmethoden:

1. Afwezigheid van de warmte-beïnvloede zone (HAZ): Doordat er geen warmte wordt toegevoerd, behoudt koudlassen de oorspronkelijke microstructuur en mechanische eigenschappen van de basismetalen.
2. Geen verweking of verbrossing: Het proces vermijdt thermisch geïnduceerde fenomenen zoals korrelgroei, fasetransformaties of de vorming van brosse intermetallische verbindingen.
3. Minimale restspanningen: Het proces op kamertemperatuur vermindert thermische spanningen en vervorming aanzienlijk.

Kouddruklassen is bijzonder effectief voor het verbinden van zeer taaie metalen en legeringen, zoals:

• Aluminium en aluminiumlegeringen
• Koper en koperlegeringen
• Zilver
• Goud
• Sommige soorten roestvrij staal

De techniek vindt toepassingen in verschillende industrieën, waaronder elektrische en elektronische productie, ruimtevaart en juwelenproductie. Het is echter belangrijk op te merken dat het proces beperkingen heeft, zoals de noodzaak voor extreem schone oppervlakken en de ongeschiktheid voor het verbinden van ongelijke metalen met sterk verschillende mechanische eigenschappen.

Principe van koudlassen

Kouddruklassen, ook wel bekend als vaststoflassen, is een verbindingsproces dat berust op de toepassing van hoge druk bij kamertemperatuur om een metallurgische verbinding tussen twee werkstukken tot stand te brengen. Het principe achter deze techniek is gebaseerd op plastische vervorming en atomaire diffusie.

Tijdens het proces wordt er een aanzienlijke druk uitgeoefend op de werkstukken, waardoor er een aanzienlijke plaatselijke plastische vervorming optreedt op het grensvlak. Deze vervorming dient meerdere cruciale functies:

1. Verstoring van de oxidelaag: De toegepaste kracht breekt de van nature voorkomende oxidelagen op de metaaloppervlakken af, die meestal de hechting belemmeren.
2. Uitzetting van het oppervlak: Als de materialen vervormen, komen verse, niet-verontreinigde metalen oppervlakken bloot te liggen en komen ze in nauw contact met elkaar.
3. Atoominteractie: Door de nabijheid van schone metaaloppervlakken kunnen interatomaire krachten een rol spelen, wat de vorming van metaalbindingen over het grensvlak vergemakkelijkt.

Voor koud stuikdruklassen omvat de procedure gewoonlijk de volgende stappen:

1. Voorbereiding: De werkstukken worden grondig gereinigd en nauwkeurig gepositioneerd in een speciale opspanning, met een vooraf bepaalde lengte die voorbij het opspanpunt uitsteekt.
2. Opspannen: De beweegbare opspanning schuift op en oefent druk uit om gecontroleerde plastische vervorming te veroorzaken. De grootte van deze oprichtkracht wordt zorgvuldig gekalibreerd op basis van de materiaaleigenschappen en de doorsnede van de werkstukken.
3. Extrusie: De initiële vervorming zorgt ervoor dat er wat oppervlaktemateriaal en onzuiverheden uit het verbindingsvlak worden geëxtrudeerd, wat de oppervlaktereinheid verder verbetert.
4. Binding: Voortdurende druk bevordert atomaire diffusie en uitlijning van de kristalstructuur over het grensvlak, wat resulteert in een binding in vaste toestand.
5. Herhaling: Afhankelijk van de materiaaleigenschappen kan dit opruwproces 1-3 keer herhaald worden om een optimale hechtsterkte te garanderen.

Belangrijke factoren die van invloed zijn op het succes van kouddruklassen zijn onder andere:

1. Toegepaste druk: Voldoende kracht is essentieel om de nodige plastische vervorming teweeg te brengen en atomaire binding te bevorderen. Bij het lassen in een beperkte vormholte kan een nog hogere druk nodig zijn.
2. Plasticiteit van het materiaal: De materialen van het werkstuk moeten bij lage temperatuur voldoende plastisch zijn om de vereiste vervorming te ondergaan zonder te breken.
3. Thermische effecten: Hoewel geclassificeerd als een "koud" proces, genereert de plastische vervorming plaatselijke verwarming die kan helpen bij atomaire diffusie en binding.
4. Tijd: De duur van de drukuitoefening beïnvloedt de mate van atomaire diffusie en bindingsvorming.
5. Oppervlaktegesteldheid: Reinheid en oppervlakteruwheid spelen een cruciale rol bij het maken van lasnaden van hoge kwaliteit.

Het is belangrijk op te merken dat kouddruklassen het meest effectief is voor materialen met een hoge ductiliteit bij kamertemperatuur. Sterk geharde of van nature harde materialen kunnen een uitdaging vormen en vereisen mogelijk een aangepaste aanpak of alternatieve verbindingsmethoden.

In industriële toepassingen wordt kouddruklassen gebruikt voor het verbinden van gelijksoortige en ongelijksoortige metalen, vooral in de elektrische en elektronische industrie waar warmte-beïnvloede zones ongewenst zijn. Het proces biedt voordelen zoals geen warmte-beïnvloede zone, geen toevoegmateriaal en de mogelijkheid om ongelijksoortige metalen te verbinden, maar het heeft ook beperkingen wat betreft de geometrie van de verbinding en de geschiktheid van het materiaal.

Type koudlassen

Volgens de configuratie van de verbinding kan kouddruklassen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: overlappend kouddruklassen en stomp kouddruklassen.

(1) Lap kouddruklassen

Bij overlappend kouddruklassen worden de werkstukken in een overlappende configuratie geplaatst en wordt er druk uitgeoefend met een speciaal ontworpen indringlichaam. Het proces is voltooid wanneer het indringlichaam tot de vooraf bepaalde diepte is ingedrukt, waardoor een vaste verbinding ontstaat tussen de overlappende oppervlakken. Deze methode kan verder onderverdeeld worden in twee categorieën:

a) Puntlassen: Maakt gebruik van een zuilvormig indringlichaam om afzonderlijke laspunten te maken.
b) Lassen van overlapnaden: Maakt gebruik van een rolvormig indringlichaam om doorlopende lasnaden te produceren.

Schootnaadlassen kan verder worden ingedeeld in walslassen, moflassen en extrusielassen, afhankelijk van de specifieke techniek en het gebruikte gereedschap.

Kouddruklassen is bijzonder effectief voor het verbinden van dunne materialen zoals folies en platen, waar traditionele fusielasmethoden een uitdaging kunnen vormen of vervorming kunnen veroorzaken.

(2) Kouddruklassen

Bij koud stuiklassen worden de werkstukken in tegengestelde bekken geklemd en iets voorbij het klempunt uitgeschoven. Vervolgens wordt een aanzienlijke stuikdruk uitgeoefend, waardoor radiale plastische vervorming ontstaat in de uitgestrekte delen. Deze vervorming dient twee cruciale doelen:

a) Het extrudeert onzuiverheden uit het oppervlak en vormt een metaalvlek rond de verbinding.
b) Het brengt atomair schone metaaloppervlakken in intiem contact, wat binding in vaste toestand vergemakkelijkt.

Het resultaat is een lasverbinding met een hoge integriteit die gevormd wordt zonder de basismaterialen te smelten. Deze techniek wordt voornamelijk gebruikt voor het maken van stuikverbindingen in metalen draden, staven of pijpen en kan zowel gelijksoortige als ongelijksoortige metalen verbinden.

Kouddruklassen biedt verschillende voordelen, waaronder de mogelijkheid om materialen met sterk verschillende smeltpunten te verbinden, minimale warmte-beïnvloede zones en het behoud van de microstructuur van het basismateriaal.

Apparatuur voor koud lassen

Apparatuur voor kouddruklassen bestaat voornamelijk uit kouddruklastangen en kouddruklasmachines, elk ontworpen voor specifieke toepassingen in metaalverbindingsprocessen.

Kouddruk lastangen worden voornamelijk gebruikt voor stomp kouddruklassen en zijn bijzonder geschikt voor installaties in het veld. Deze tangen zijn geschikt voor het lassen van aluminium geleiders met diameters van 1,2 tot 2,3 mm, waardoor ze veel gebruikt worden in kabellasinstallaties. Door hun draagbaarheid en precisie zijn ze ideaal voor werkzaamheden op locatie waar flexibiliteit cruciaal is.

Het kouddruklasproces omvat twee hoofdtechnieken: stomplassen en puntlassen. Hiervan wordt de kouddruk stuiklasmachine het meest gebruikt. Deze geavanceerde apparatuur bestaat uit verschillende belangrijke onderdelen, waaronder een robuust frame, een precisiemachinekop, een geavanceerd toevoermechanisme, een hoogwaardig schaarmechanisme en diverse hulpcomponenten. Dit uitgebreide ontwerp garandeert optimale lasprestaties bij een groot aantal toepassingen.

Bij de productie van communicatie-infrastructuur, stroomkabels en kleine transformatoren worden lasnaden met een grote doorsnede meestal verbonden met behulp van machines voor kouddruklassen. Deze machines kunnen grote werkstukken met hoge precisie verwerken. Een kritische factor in de prestaties van de machine is de structuurgrootte van de kouddruklasmatrijs, die de lasdruk aanzienlijk beïnvloedt. Daarom is het ontwerp van de matrijs van het allergrootste belang voor ingenieurs van machines voor kouddruklassen, waarbij nauwgezette berekeningen en materiaalselectie nodig zijn om optimale resultaten te behalen.

Voor eindgebruikers van machines voor kouddruklassen is het belangrijk op te merken dat de structuurgrootte van de matrijs vooraf wordt bepaald tijdens het fabricageproces van de lasapparatuur. Zodra de machine is geproduceerd, blijft deze parameter vaststaan. Toch kunnen operators het lasproces optimaliseren door de juiste lasdruk te selecteren op basis van de technische specificaties van de machinefabrikant. Dit maakt een fijnafstemming van het lasproces mogelijk voor verschillende materialen en verbindingsconfiguraties binnen de mogelijkheden van de machine.

Om een consistente laskwaliteit en efficiëntie te garanderen, moeten gebruikers de lasdruk regelmatig kalibreren op basis van de materiaaleigenschappen, de geometrie van de verbinding en de specifieke vereisten van elke lastaak. Daarnaast is het onderhoud van de matrijzen en andere kritische onderdelen van de kouddruklasmachine essentieel voor het verlengen van de levensduur van de apparatuur en het behouden van optimale prestaties.

Koud Lassen Kenmerk

Voordelen

Koudlassen is een verbindingsproces in vaste toestand dat verschillende duidelijke voordelen biedt:

1. Materiaal- en energie-efficiëntie: Het proces vereist geen extra lastoevoegmaterialen zoals toevoegmateriaal of vloeimiddelen. Het wordt uitgevoerd bij omgevingstemperatuur, waardoor er geen verwarmingsapparatuur nodig is, wat resulteert in lagere operationele kosten, vereenvoudigd gereedschap en aanzienlijke energiebesparingen. Doordat er geen warmte-beïnvloede zone (HAZ) is, blijven de eigenschappen van het basismateriaal behouden.
2. Schone en corrosiebestendige verbindingen: Omdat er geen vloeimiddel wordt gebruikt, is reinigen na het lassen niet nodig en wordt het risico van door vloeimiddel veroorzaakte corrosie tijdens het gebruik geëlimineerd. Dit draagt bij aan een verbeterde integriteit en een lange levensduur van de verbinding.
3. Vereenvoudigde procesbesturing: De lasparameters worden voornamelijk bepaald door de geometrie van de matrijs en de toegepaste druk, waardoor complexe aanpassingen van stroom, spanning of lassnelheid, die typisch zijn voor smeltlasprocessen, overbodig worden.
4. Veelzijdigheid in materiaalverbinding: Koudlassen blinkt uit in het verbinden van ongelijksoortige metalen, ongeacht hun metallurgische compatibiliteit, wat meer ontwerpflexibiliteit en mogelijkheden voor materiaaloptimalisatie biedt.
5. Superieure verbindingseigenschappen: De afwezigheid van een warmte-beïnvloede zone voorkomt verweking of de vorming van brosse intermetallische fasen. Dit resulteert in uitstekende elektrische geleiding en corrosiebestendigheid op het grensvlak van de verbinding. Het proces induceert werkharding, waardoor de sterkte van de verbindingen vaak gelijk is aan of hoger dan die van de basismetalen.
6. Integriteit van de microstructuur: Beperkte atoomdiffusie op het verbindingsoppervlak bevordert interkristallijne binding zonder significante microstructurele veranderingen, waardoor de materiaaleigenschappen behouden blijven.
7. Processtabiliteit en werkomstandigheden: Het koudlasproces is minder gevoelig voor stroomschommelingen en biedt betere werkomstandigheden door de afwezigheid van rook, spatten of intense hitte, zoals bij fusielassen.

Nadelen

Ondanks de voordelen heeft koudlassen een aantal beperkingen:

Apparatuurkosten: Koudlasmachines met hoge capaciteit die de vereiste druk kunnen opwekken, kunnen duur zijn, waardoor ze mogelijk niet op grote schaal kunnen worden gebruikt bij kleinschaligere toepassingen.

Plaatselijke vervorming: De hoge druk die nodig is kan aanzienlijke plaatselijke vervorming veroorzaken, vooral in overlapverbindingen, wat de geometrie van het onderdeel en de oppervlakteafwerking kan beïnvloeden.

Intermetallische vorming in ongelijksoortige metalen: Bij het verbinden van bepaalde ongelijksoortige metalen (bijv. Cu en Al) kan blootstelling aan verhoogde temperaturen na het lassen de vorming van brosse intermetallische verbindingen bevorderen, waardoor de vervormbaarheid van de verbinding en de elektrische geleiding in gevaar komen. Dit beperkt de prestaties van dergelijke verbindingen bij hoge temperaturen.

Beperkingen in grootte en materiaal: Het proces wordt beperkt door de capaciteit van de lasapparatuur, waardoor de dikte van overlapverbindingen en de doorsnede van stuikverbindingen beperkt zijn. Bovendien wordt de hardheid van de te verbinden materialen beperkt door de mechanische eigenschappen van de lasmatrijzen.

Oppervlaktevoorbereiding: Voor succesvol koudlassen is vaak een zorgvuldige voorbereiding van het oppervlak nodig om oxiden en verontreinigingen te verwijderen, wat de verwerkingstijd en complexiteit kan verhogen.

Beperkte verbindingsconfiguraties: Koudlassen is voornamelijk geschikt voor eenvoudige verbindingsgeometrieën, zoals overlap- en stuikverbindingen, waardoor de toepasbaarheid in complexe samenstellingen beperkt is.