Optimierung von Qualität, Kosten und Nachhaltigkeit beim Rührreibschweißen nach ISO, AWS und ASME

Fachtagung Rührreibschweißen, SLV Berlin-Brandenburg, 28.-29. Mai 2024

Ausstellungstische von Stirweld und AluStir bei der Fachtagung Rührreibschweißen in der SLV Berlin-Brandenburg

© AluStir

Qualität, Kosten und Nachhaltigkeit beim FSW

Vortrag von Stephan Kallee, stephan.kallee@alustir.com, Tel. +49 6024 6360123, Mobil: +49 1520 7788943 bei der Fachtagung Rührreibschweißen, SLV Berlin-Brandenburg, 28.-29. Mai 2024

FSW-Werkzeuge

Die Profilierung erzeugt den Materialfluss

Die Helix auf dem Schweißstift fördert das plastifizierte Material nach unten
Die Spirale auf der Schulter schiebt es nach innen

Das konische Triflat-Werkzeug

Die meisten FSW-Werkzeuge werden aus dem Warmarbeitsstahl 1.2344 hergestellt
Stifte werden zunehmend aus Hartmetall geschliffen

Die Werkzeugausführung hängt vom Werkstoff und der Dicke der Werkstücke ab

Der Schweißstift ist nur etwas kürzer als die Blechdicke oder die gewünschte Einschweißtiefe
Der Schulterdurchmesser ist oft 3 mal größer als der Stiftdurchmesser

Die Standzeit des Werkzeugs beträgt etwa 1000 m bei 5 mm dicken Aluminium-Strangpressprofilen

Standzeit bei Alu-Guss oft nur 650 m
Hoher Verschleiß bei Kupfer, Titan oder Stahl

Fotos und Zeichnungen

D. Burford, S. Jurak, P. Gimenez Britos, E. Boldsaikhan, W. Arbegast, N. Balasubramanian, B. Gattu and R. Mishra et al
Elizabeth Hoyos, Jeroen De Backer, Jonathan Martin et al, CC BY 4.0
Martina Sigl, Roman Hartl und Michael Zaeh et al
TWI: Häufig gestellte Fragen - Wie und aus welchem Material werden FSW-Werkzeuge gemacht?
TWI: Recent Developments in FSW of Thick Section Aluminium Alloys, March 2007

Stoßgestaltung

Ausführung der Schweißverbindungen (ISO 25239-2)

Stumpfstoß, Überlappstoß, T-Stoß und Eckstoß
Mehrlagige Verbindungen (Blechstapel)
Unterschiedliche Blechdicken (Tailor Welded Blanks)

Kehlstoß

Auflagefläche für die Schulter beim Strangpressprofil
Spezialwerkzeuge mit stehender Schulter
Bisher nur selten angewandte Verfahrensvariante

Überlappstoß erfordert besonderes Know-How

Gefahr der „inneren Verformung“, wenn zu viel Material in das untere Blech gefördert wird
Spezialwerkzeuge optimieren den Materialfluss und verrühren Verbindungsreste (Oxid-Schichten)
Umgangssprachlich „Hooking & Thinning“ und „Lazy S“

Zeichnungen

CQRDA: Friction Stir Welding Principes and Applications

Stehende Schulter

Kehlnaht-Schweißen mit stationärer Schulter im Oasis-Projekt, 1:09 min

© TWI Ltd, 18. Mai 2020

Eigenschaften des Rührreibschweißens mit stehender Schlter (SS-FSW)

Förderschnecke zwischen Pin und Schulter
Materialauslass-Bohrung unterhalb der Spindel-Lager
Flache Schulter oder für Kehlnähte keilförmige Schulter

Hauptvorteile

Sehr schön aussehende, Wulst-freie Nahtoberfläche
Geringe Kräfte, sehr gut für das Roboterschweißen
Einzigartig gut für Kehlnähte geeignet

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Vergleichsweise langsame Schweißgeschwindigkeiten
Verklemmen von Material zwischen Stift und Schulter
Hohlräume durch Materialverlust

Kühlkanäle

CoreFlow™ – Materialbearbeitung unter der Oberfläche
Friction Stir Channeling
Extrudieren von Drähten

Weblinks

TWI’s Corner Stationery Shoulder FSW - OASIS Project
John A. Baumann: Production of Energy Efficient Preform Structures, 2012

Spannvorrichtungen

Abdichten eines Elektronikgehäuses durch Rührreibschweißen (FSW), 1:07 min

© Stirtec, 7. November 2022

Beim Spannen ist eine feste Unterlage erforderlich

Teile dürfen durch das FSW-Werkzeug nicht auseinandergedrückt oder nach oben gehoben werden
Verformung der heißen Werkstücke vermeiden

Fortschrittliches und automatisches Spannen

Die Vorrichtungen eventuell beim Schweißen öffnen
Für Bleche sind Vakuumspannvorrichtungen ideal

Heftschweißen und lokales Spannen

Für Kleinserienfertigung ist Heftschweißen vorteilhaft
Oft wird eine gefederte Anpressrolle eingesetzt

Bobbin-Tool, Punkt- und Steppnahtschweißen

FSW-Werkzeuge mit Stift zwischen zwei Schultern
Beim Punktschweißen nimmt die Zange alle Kräfte auf
Steppnahtschweißen mit MPAs proprietärer Zange

Weblinks

Werkstoffe

Stahl

Spezialwerkzeuge aus kubischem Bornitrid
Bisher nur sehr wenige industrielle Anwendungen

Titan

Auflagefläche für die Schulter beim Strangpressprofil
Spezialwerkzeuge mit stehender Schulter

Kupfer

Bis 50 mm Wandstärke für Atommüllbehälter
Temperatur-Regelung erforderlich (kleines Fenster)

Thermoplastische Kunststoffe

Wie bei der Stichsäge: Hoch und runter statt Drehen
Der Schmelzpunkt wird überschritten

Mischverbindungen mit Off-Set

Werkzeug läuft im weichen Material kratzt am härteren
Dickenunterschied, damit die Schulter geschmiert wird

Phasen des FSW

Thermo-Managagement: Wasser/Glykol durchströmte Kühlplatten, die mit dem Rührreibschweißen hergestellt werden

© Stirweld, 29. September 2021

Sechs bis neun Phasen beim Rührreibschweißen

(Annähern vor Bauteilberührung)
Eintauchen
Verweilen
Beschleunigen
Schweißen
Abbremsen
(In Sonderfällen: Verweilen am Ende)
Herausziehen
(Hochziehen nach Verlassen des Bauteils)

Vor und Nachbearbeitung

Fräsen von Gussteilen, um kleinen Spalt zu erhalten
Abblasen oder Waschen
Einlegen des Deckels
Heftschweißungen
FSW
Fräsen oder Bürsten zur Entfernung des Wulstes
Sehr selten: Warmauslagern zur Festigkeitssteigerung

Foto und Zeichnungen

Kopfwechsler

Automatischer FSW-Kopfwechsler für CNC für die Kombination von Fräsen und Schweißen

© Stirweld, 20. November 2023

Stirwelds Kraftentkoppelter FSW-Kopf

Kostengünstige Aufrüstung einer CNC-Fräsmaschine zur kraftgeregelten FSW-Maschine
Mechanische Kraftregelung zum Ausgleich von Höhentoleranzen und Wärmeausdehnung
Schutz des Spindellagers der CNC-Fräsmaschine vor den hohen Anpresskräften und Vibrationen
Messung der Anpresskraft für die Qualitätssicherung
Kühlung der Spindel durch Kühlwasser und Druckluft
Optional: Temperaturmessung im FSW-Werkzeug
Kostengünstig im Vergleich zu einer Spezialmaschine

Automatischer Kopfwechsler von Stirweld

Wenn die CNC-Fräsmaschine einen automatischen Werkzeugwechsler hat, besteht Zugriff auf alle Fräser
Der Kopf wird auf einem nachgiebig gelagerten Ständer auf dem Tisch abgestellt
Für CNC-Fräsen ohne Werkzeugwechsler gibt es ein Milling-Add-On, zum Bürsten o. Fräsen nach dem FSW

Weblinks

Regelgrößen

Was ist die Regelgröße?

Weg
Kraft
Temperatur
Drehmoment
und deren erste und zweite Ableitung (Geschwindigkeit)
…oder eine Kombination dieser Regelgrößen

Welche Regelgrößen werden gemessen?

Drehzahl
Schweißgeschwindigkeit
Anpresskraft (z-Kraft)
Optional: Vorschubkraft (meist x-Kraft
Optional: Seitliche Kraft (meist y-Kraft)
Optional: Drehmoment und/oder Motorstrom
Optional: Temperatur im FSW-Werkzeug
Optional: Einstechwinkel

Foto

Roquecorona, CC BY-SA 4.0

Portal, CNC-Maschine oder Roboterzelle

Komplettlösungen

Planung, Spezifikation
Schlüsselfertige An-lagen, Inbetriebnahme
Schulung, Ramp-Up

FSW-Systemintegration

Aufrüstung von beste-henden CNC-Maschinen
Neue, gebrauchte und parallelimportierte Roboter

Spezialanwendungen

FSW von Stahl
Einziehbarer Stift
Schweißgeschwindigkeit >3 m/min

Fotos

Kostenrechnung

FSW-Kostenrechung: 90 s Zykluszeit bei 1m langer Schweißnaht

Umfang _unten = 2 π r = π d

= 3.14 ⋅ 100 mm

= 314 mm

Umfang _oben = 2 π r = π d

= 3.14 ⋅ 200 mm

= 628 mm

Länge = U _unten+ U _oben + 2 ⋅ ⁓29 mm = 1 m

Schweißgeschwindigkeit = 1 m/min

Schweißzeit = Länge/Geschwindigkeit = 1 m / 1 m/min = 1 min

Zykluszeit = t _Schweißen+ 2 ⋅ t _Eintauchen + t _Spannen

Zykluszeit = 60 s + 2 ⋅ 3 s + 24 s

Zykluszeit = 90 s

Foto

www.seisanzai-japan.com/article/p2946/

Kostenrechnung

FSW-Kostenrechung: 0,87 pro Bauteil bei 1 m langer Schweißnaht in der Massenfertigung des Automobilbaus

Stückzahl = 1 Bauteil/(90 sec) ⋅ 3600 sec/h ⋅ 14 h/d ⋅ 230 d/y

Stückzahl2026 = (3600 ⋅ 14 ⋅ 230) / 90 Bauteile/Jahr

Stückzahl2026 = 128.800 Bauteile/Jahr

Investition= 174,830 € / 351.000 Bauteile in 5 Jahren

Investition = 0,50 € / Bauteil

Investition = 0,50 €/Bauteil / 1,0 m/Bauteil = 0.50 €/m

Werkzeugverschleiß = 370 € / 1000 m = 0,37 €/m

FSW−Kosten = 0,50 €/m + 0,37 €/m x 1m/Bauteil = 0,87 € / Bauteil

Parameter

Die zulässigen Abweichungen bei den essentiellen Variablen nach AWS D17.3, Tabelle 6.5: "Essential Variable Ranges". Andernfalls benötigt man eine neue WPS

Ermittlung des Parameterfensters

Viel zu kalt (Hohlraum, Abscheren des Stifts)
Zu kalt (unzureichender Materialfluss in Metallographie)
Richtig (hohe Zugfestigkeit)
Zu heiß (Bruchversagen in der Wärmeeinflusszone)
Viel zu heiß (Oberfläche durchdringender Hohlraum)

Die zulässigen Abweichungen bei den essentiellen Variablen nach AWS D17.3, Tabelle 6.5

"Essential Variable Ranges"
Andernfalls benötigt man eine neue WPS

Quellen

Essentielle Variablen

FSW spezifische Aspekte von ASME IX

Qualifikation der Bediener von Schweißeinrichtungen
Qualifikation der Schweißanweisung (WPS)
Essentielle und nicht-essentielle Variablen
Dokumentation, Qualitätsmanagement und Inspektion

ASME Head-quarters in der Park Avenue, New York

Die 2021er Version von ASME IX enthält in "Tabelle QW-267" fünfzehn "Wesentliche Variablen" in den "Schweißvariablen Verfahrensspezifikationen" für das Rührreibschweißen (Seite 65)

Weitere Informationen auf Englisch

www.alustir.com/english/fsw-asme-ix/

ISO 25239 Schulung

Erster Tag

09:00 FSW-Werkzeuge

10:00 Stoßgestaltung

11:00 Werkstoffe

13:00 Parameterwahl

14:00 FSW-Maschinen

15:00 Arbeitssicherheit

Zweiter Tag

09:00 ISO 25239 1-3

10:00 ISO 25239 4-5

11:00 Testmethoden

13:00 Tipps für eine Studie

14:00 Anwendungsfälle

15:00 Prozessvarianten

aiCAMstir-Flussdiagramm: Qualität

aiCAM^stir-Flussdiagramm

Verbundforschungsprojekt zum Einsatz der künstlichen Intelligenz zur Computer-gestützten Fertigung von Rührreibschweißungen
Veröffentlichungen haben sich bisher zu sehr auf die Schweißnahtqualität in Abhängigkeit von den Prozessvariablen konzentriert

aiCAMstir-Flussdiagramm: Qualität und Kosten

Wertsteigerung

Im Automobilbau liegt der Schwerpunkt auf den Kosten

aiCAMstir- und CyberJoin-Flussdiagramm: Qualität, Kosten und Nachhaltigkeit

Umwelteinfluss

Drei Optionen zur Steigerung der Nachhaltigkeit, abhängig von der Phase im Produktionszyklus:

Ramp-Up: Große Parameterfenster
High-Volume: Zykluszeit optimieren
Ramp-Down: Werkzeugverschleiß und Wartung minimieren

Rückblick

Wer hat beim Rührreibschweißen bisher den größten Gewinn gemacht? Wo bietet FSW die größten technologischen Vorteile? Wer sind die Hauptanwender? Wo liegen die Herausforderungen? Wenig Know-how über Werkzeug

Wer hat bisher den größten Gewinn gemacht?

Forschung und Entwicklung an Unis und Instituten
Die Hersteller von Strangpressprofilen
Die Raketenhersteller, Zughersteller und Schiffbauer

Wo bietet FSW die größten technologischen Vorteile?

Hochfeste 2000er und 7000er Legierungen
Mischverbindungen, z.B. Alu-Kupfer
Aluguss, da Laserschweißen bei Poren/Lukern spritzt

Wer sind die Hauptanwender?

Luft- und Raumfahrt, Schienenfahrzeuge, Schiffbau
Hersteller von Kühlkörpern (mehr als 1000 m/Tag)
Trend: eMobility Batteriewannen und Elektronikkühler

Wo liegen die Herausforderungen?

Wenig Know-how über Werkzeuggeometrie u. -material
Unzureichende Spannvorrichtungen
Hohlräume, ungenügende Verschweißung, innere Verformung (voids, kissing bonds und hooking/thinning)

Weitere Anwendungsbeispiele