Friction Stir Welding (FSW)

Schweißen unterhalb des Schmelzpunkts


Das Rührreibschweißen, gelegentlich auch Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW), arbeitet unterhalb des Schmelzpunkts der zu verschweißenden Werkstücke. Dadurch kommt es bei Aluminium zu extrem hoher Festigkeit und geringem Verzug. Das Verfahren wird daher in allen Bereichen des Leichtbaus eingesetzt, z.B. im Schiffbau, Schienenfahrzeugbau, Automobilbau und der Luft- und Raumfahrt.

 

In enger Zusammenarbeit mit Stirtec bieten wir schlüsselfertige Lösungen mit kraftgeregelten FSW-Maschinen, die sich beim Rührreibschweißen mit bis zu 25 kN und beim Hochgeschwindigkeitsfräsen bei bis zu 15.000 U/min eingesetzt werden können. Mit diesen Maschinen können die Werkstücke vor und nach dem Schweißen bearbeitet werden, was in vielen Fällen zu enormen Kosteneinsparungen führt.  

    


Werkstoffe

Die meisten Metalle können mit FSW verschweißt werden, u.a.

Das Verschweißen von Aluminium und Kupfer ist bereits Stand der Technik, und auch bei Stahl werden sehr vielversprechende Ergebnisse erzielt.

    

Herstellungsarten

Die zu verschweißenden Bauteile können wie folgt hergestellt werden:

  • Strangpressprofile
  • Gussteile
  • Gewalzte Bleche

Im Fahrzeugbau werden oft große Paneele aus Strangpressprofilen zusammengesetzt. Aluguss wird zunehmend für Batteriewannen für die E-Mobilität eingesetzt. 

    

Mischverbindungen

Auch Mischverbindungen sind möglich, selbst bei sehr unterschiedlichen Schmelztemperaturen:

  • Aluminium-Kupfer
  • Aluminium-Stahl
  • Kupfer-Stahl

Für das Verschweißen von unterschiedlichen Metallen ist besonderes Know-How erforderlich: Das sich drehende Werkzeug muss anders als gewöhnlich positioniert werden.

    


Reibrührschweißwerkzeuge

Die werkstückspezifische Dimen­sionie­rung und Werkzeugprofilierung des verschleißfesten FSW-Werkzeugs sind von größter Wichtigkeit beim Rührreib­schweißen. Meist werden Gewinde eingesetzt, die das plastifizierte Material nach unten fördern. Sie erinnern an eine archimedische Schraube oder einen Erdbohrer, der sich falsch herum dreht. 

      

Eines der ersten FSW-Werkzeuge mit einer planaren Schulter ist heute noch in der Sammlung des Londoner Science Museum erhalten. Es handelt sich dabei um ein linksgängiges metrisches Gewinde, da die englischen Fräsmaschinen sich normalerweise, von oben betrachtet, im Uhrzeigersinn drehen.
   

Eines der ersten Rührreib­schweiß­werk­zeuge des TWI von 1991 im  Londoner Science Museum

Eines der ersten Rührreib­schweiß­werk­zeuge des TWI von 1991 im  Londoner Science Museum, 45 mm lang

© Science MuseumCC BY-NC-SA 4.0

   


Das Gewinde wird verwendet, um Material von der Schulter bis zum Boden des Stiftes zu transportieren. Wenn sich das Werkzeugs wie bei den meisten älteren Fräsmaschinen im Uhrzeigersinn dreht, wird ein Linksgewinde benötigt.

 

Die Vielseitigkeit des zylindrischen Stiftdesigns besteht darin, dass die Stiftlänge und der Stiftdurchmesser leicht an die Bedürfnisse des Benutzers angepasst werden können. Die Verwendung eines Radius am Gewindegrund erhöht die Werkzeugstandzeit, weil Spannungskonzentrationen am Gewindegrund beseitigt werden.[1]

   

Eines der ersten Rührreib­schweiß­werk­zeuge des TWI von 1991 im  Londoner Science Museum

Eines der ersten Rührreib­schweiß­werk­zeuge des TWI von 1991 im  Londoner Science Museum, 70 mm lang

© Science MuseumCC BY-NC-SA 4.0

   


Konkave Schulter mit zylindrischem Gewindestift mit metrischem Gewinde und rundem Boden

Im Rahmen des Verbund­forschungs­projekts GSP 5651 wurde das Werkzeug verfeinert und weiterentwickelt sowie ingenieurwissenschaftlich erprobt. Das im von Ole T Midling ursprünglich im Namen der Sponsoren des Verbundforschungsprojekts und später im Namen von TWI zum Patent angemeldete Werkzeug hatte eine konkave Schulter und einen zylindrischen Gewindestift mit rundem Boden. Die Profilierung des Werkzeugs gewärleistet den vertikalen und seitlichen Fluss des plastifizierten Materials in der Schweißzone.[1]

     

Die konkave Schulter, die allgemein als Standardschulter bezeichnet wird, war anfangs das gebräuchlichste Schulterdesign für Reibrührschweißwerkzeuge. Konkave Schultern erzeugen hochwertige Reibrührschweißnähte, und die einfache Konstruktion lässt sich leicht bearbeiten. Die Schulterkonkavität wird durch einen kleinen Winkel zwischen der Schulterkante und dem Stift erzeugt, der zwischen 6 und 10° liegt.

    

Während des Eintauchens des Werkzeugs wird das vom Stift verdrängte Material in den Hohlraum innerhalb der Werkzeugschulter eingeführt. Dieses Material dient als Beginn eines Reservoirs für die Stauch- und Schmiedewirkung der Schulter. Durch die Vorwärtsbewegung des Werkzeugs wird neues Material in den Hohlraum unter der Schulter gedrückt und wird dann um den Stift herumgepresst.

    

Für den ordnungsgemäßen Betrieb dieser Schulterkonstruktion ist es erforderlich, das Werkzeug meist um 2,5° von der Normalen des Werkstücks weg aus der Bewegungsrichtung zu neigen. Dies ist notwendig, um den Materialspeicher aufrechtzuerhalten und es der Hinterkante des Schulterwerkzeugs zu ermöglichen, eine Stauch- und  Schmiedekraft auf die Schweißnaht auszuüben.

    

Ein Großteil der Reibrührschweißnähte, die mit einem konkaven Schulterwerkzeug erzeugt werden, sind linear; nichtlineare Schweißnähte sind nur möglich, wenn die Maschinenkonstruktion die Neigung des Werkzeugs um Ecken durch eine mehrachsige FSW-Maschine aufrechterhalten kann.

    
Dieses Stiftdesign wurde erreicht während des von der TWI-Gruppe gesponserten Projekts mit der Nummer 5651 entwickelt und wird von Reibrührschweißern allgemein als das Werkzeug 5651 bezeichnet. 

   

Ein rundes oder kalottenförmig gewölbtes unteres Ende des Stiftwerkzeugs verringert den Werkzeugverschleiß beim Eintauchen und verbessert die Qualität der Schweiß­wurzel direkt unterhalb des Stiftbodens. Der beste Kalottenradius wurde mit 75% des Stiftdurchmessers angegeben. Es wurde darauf hingewiesen, dass sich mit abnehmen­dem Kalottenradius (bis zu einem Werkzeug mit flachem Boden) die Schweißnaht­qualität voraussichtlich verschlechtert, insbesondere direkt unter dem Stift.[2]

   

EuroStir®-Werkzeug

Das EuroStir®-Werkzeug wurde ab dem 1. Dezember 2000 am TWI im Rahmen des Eureka-Projekts Σ! 2430 entwickelt  (Projektbudget  8,5 Mio €).[3][4]

 

Es wurde basierend auf bestehenden MX-Triflute™- und Spiral-Schulter-Konzepten (scroll shoulder) für die industrielle Fertigung von nicht-linearen FSW-Nähten mit CNC-gesteuerten Dreiachsmaschinen (x-y-z) konzipiert, um hohe  Schweiß­geschwindig­keiten auch bei großen Blechdicken zu erreichen und den industriellen Einsatz des FSW-Verfahrens zu beschleunigen.[4]

   

EuroStir®-Werkzeug für hohe Schweiß­geschwindig­keiten beim nicht-linearen, industriellen Rührreibschweißen mit CNC-gesteuerten Dreiachsmaschinen (x-y-z)

EuroStir®-Werkzeug für hohe Schweiß­geschwindig­keiten beim nicht-linearen, industriellen Rührreibschweißen mit CNC-gesteuerten Dreiachsmaschinen (x-y-z) 

Courtesy of TWI Ltd.


Quellennachweise

  1. Rajiv S. Mishra und Murray W. Mahoney: Friction Stir Welding and Processing. ASM International, 2007. S. 15-16.
       
  2. Ole Terje Midling, Edward James Morley und Anders Sandvik (Assignee: The Welding Institute, England): Friction Stir Welding, US Patent Nr: 5,813,592.

  3. Functions, Designs and Materials of Friction Stir Welding Tools.
  4. European industrialisation of friction stir welding.