TWI: Virtuelles Linearreib-schweiß-Gipfeltreffen

Das virtuelle Gipfeltreffen wurde in Zusammenarbeit von MTI, LIFT und TWI abgehalten. Die in dem oben verlinkten Mitschnitt werden Informationen über den aktuellen Stand des Schweißens unterhalb des Schmelzpunktes und vor allem des Linearreibschweißens (Linear Friction Welding, LFW) präsentiert. Der hier auszugsweise zusammengefasste Mitschnitt bietet auch die Gelegenheit,  einen virtuellen Rundgang durch das LIFT-Labor in Detroit zu machen. und sich die von MTI am LIFT installierte LF35-75, eine der größten Linearreibschweiß­maschinen der Welt, anzuschauen.

• Linearreibschweißverfahren - TWI
• LF35-75 Design - MTI
• Kundenbericht - MTI und Syncrude
• LIFT - Virtuelle Tour
• Fragen und Antworten
• Zusammenfassung

Steve Dodds beginnt seine Präsentation mit einer Kurzvorstellung der Geschichte und Institutsgebäude des TWI sowie einer Auflistung der Vorteile, mit dem TWI zu arbeiten.

Unter dem Slogan "schnell, flexibel und verlässlich" werden das Reibschweißen und Linearreibschweißen wie folgt vorgestellt. Es gibt zwei Arten von Schweißprozessen:

• Schmelzschweißen: Eine geschmolzene Brücke verbindet die beiden Metalle oberhalb des Schmelzpunkts
• Pressschweißen: Durch das Zusammenwirken von Druck, Temperatur und Zeit kommt es unterhalb des Schmelzpunkts zu interatomaren Bindungen

Theoretisch können alle duktilen Metalle kaltpressgeschweißt werden. Dabei sind hohe Drücke erforderlich. Erwärmen verbessert die Duktilität und ermöglicht den Einsatz geringerer Temperaturen.

Linearreibschweißen ermöglicht (neben dem Diffusionsschweißen) die höchsten Schweißnahtfestigkeiten:

• Beim Schweißen in der festen Phase, d.h, ohne die Werkstoffe zu schmelzen, gibt es keine Risse, keine Porosität und keinen Rauch
• Geringer Wärmeeintrag, d.h. keine nennenswerte Wärmeeinflusszone
• Feinkörniges Gefüge wie beim Schmieden
• Alle Oxide und Verunreinigungen auf den Fügeflächen werden in den Wulst gepresst

Verfahrensvorteile:

• Mechanisiert, wiederholgenau, nur von Parametern und nicht von der Handfertigkeit eines Schweißers abhängig
• Keine aufwendige Schweißnahtvorbereitung erforderlich
• Sehr geringe Ausschussrate, d.h. nahezu keine n.i.O.-Teile (Teile die nicht in Ordnung sind)
• Wenig Verzug und geringe Resteigenspannungen
• Umweltfreundlich und sicher - es wird selbst beim Linearreibschweißen von Titan kein Schutzgas benötigt
• Kann die Produktions-Effizienz wesentlich steigern

Anthony McAndrew, der jetzt am TWI arbeitet, hat mit Unterstützung von Boeing an der Cranfield Univerist eine Literaturrecherche zum Linearreibschweißen von Ti-6Al-4V und FEM-Modellierung mit der Finiten Elemente Methode durchgeführt. Zum Entfernen von Verschmutzungen gibt es sechs Veröffentlichungen. Darüber hinaus haben folgende Parametereinstellungen einen vorteilhaften Effekt:

• Erhöhung des Drucks
• • Reduziert die Spitzentemperatur und Wärmeeinflusszone
  • Reduziert den erforderlichen Abbrand, d.h. die Verkürzung der zusammengeschweißten Werkstücke, weil Material in den Wulst gepresst wird.
• Erhöhung der Reibgeschwindigkeit
• • Erhöhung der Verkürzungs-Geschwindigkeit
  • Minimierung der erforderlichen Verkürzung

Das Linearreibschweißen wird in Flugzeugtriebwerken für sicherheitsrelevante Turbinen-Bauteile verwendet, wenn Turbinenschaufeln (Blades) auf Turbinenscheiben (Disks) geschweißt werden, um sogenannte Disks herzustellen:

• Fünfte Generation von militärischen Niederdruckkompressoren (Low Pressure Compressors, LPCs) 
• • Hervorragendes Gewicht-Leistungs-Verhältnis
  • Die Teile haben eine höhere Lebensdauer als das Gesamttriebwerk
• Erste Anwendungen in der zivilen Luftfahrt
• • Betriebseffizienz
  • Umweltschutzauflagen

Ein Vergleich mit anderen Fertigungverfahren zur additiven Fertigung von endkonturnahen Halbfertigteilen zeigt die Sonderstellung, die das Linearreibschweißen bezüglich Dicke der aufgebrachten Schichten in Millimeter  und Auftragsvolumengeschwindigkeit in Kilogramm pro Stunde einnimmt:

Der "Spirit of Stanchion" genannte linearreibgeschweißte Befestigungsträger aus Titan reduzierte den Rohmaterialverbrauch um 66% im Vergleich zur Herstellung aus einer Platte, wodurch sich das reduzierte Buy-to-Fly-Verhältnis von 10,9:1 auf 3,7:1 verbesserte. Dies schlug sich auch in einer Reduzierung der Produktionszeit um 49,9% und einer geschätzten Einsparung von 23,3% bei den Produktionskosten nieder.

Für den großen Rib-Demonstrator für Flugzeugflügel eines Verkehrsflugzeugs verband das TWI mit dem Linearreibschweißen 22 Befestigungslaschen mit einer 2,5 m langen Aluminiumplatte. Es handelt sich dabei um das größte Demonstrator-Bauteil, das bisher am TWI hergestellt wurde. Es ebnet den Weg für eine neue Fräsbearbeitungskosten-sparende und Material-sparende Fertigungstechnik, wobei die Kornorientierung der Belastungsrichtung angepasst werden kann.

Das Linearreibschweißen ist eine sehr anpassungsfähige Technik, wie folgende Anwendungsbeispiele zeigen:

• Nickel-Schrauben für Unterwasseranwendungen mit gleichmäßiger Wärmeerzeugung über die gesamte Querschnittsfläche und dadurch zu kleinerer Korngröße als beim Rotationsreibschweißen, so dass die Spezifikation erfüllt wird.
• Karbonfaserverstärkter Kunststoff
• Scherkraftbestimmung in Steinen für die Erdbebensimulation
• Materialmischverbindungen aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen wie Wolfram und Stahl mit Formschlussverbindung

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen zum Linearreibschweißen zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).