Reibrührpunktschweissen mit wiederaufgefülltem Endloch

Entwicklung von Parametern beim Reibrührpunktschweißen mit wiederaufgefülltem Endloch (Refill FSSW) in Aluminiumlegierungen des Fahrzeugbaus

TWI-Grundlagenforschungsprojekt P31030

 

Überblick

Das Reibrührpunktschweißen mit wiederaufgefülltem Endloch (englisch Refill Friction Stir Spot Welding, Refill FSSW) hat mehrere Vorteile gegenüber anderen gängigen punktförmigen Schweiß-, Füge- oder Befestigungsverfahren. Als Pressschweißprozess, der unterhalb des Schmelzpunkts der Werkstücke arbeitet, erzeugt Refill FSSW minimale Eigenspannungen und minimalen Verzug, wobei die beim Schmelzschweißen üblichen Defekte, wie Porosität und Erstarrungsrisse, vollständig vermieden werden. Refill FSSW arbeitet außerdem ohne Zusatzwerkstoffe, da der Schweißnaht kein Material zugeführt wird. Das bündige Oberflächenfinish (Abb. 1D) ist insbesondere für Anwendungen, bei denen auf Aerodynamik und Ästhetik Wert gelegt wird, äußerst attraktiv.

Die derzeitige industrielle Forschung konzentriert sich auf den Nachweis der Verbindungseigenschaften und die weitere Verkürzung der Zykluszeit, um mehr Anwender in der Serienproduktion mit hohen Stückzahlen zu gewinnen, die oft selbst auf kleinste Zykluszeitverkürzungen größeren Wert legen als auf Qualitätsverbesserung und Gewichtsreduzierung.

Dieser Bericht bietet dem Leser eine unparteiische Zusammenstellung von Kerndaten über die Leistung und die Eigenschaften von Refill-FSSW-Schweißungen in verschiedenen Aluminiumlegierungen des Transportsektors.

Ziele

  • Bestimmung der „Schweißeignung“ von gängigen Aluminiumlegierungen für den Transportsektor (AA2024-T3, AA5754-H24, AA7075-T6)

  • Benchmark-Vergleich (Widerstandspunktschweißen und Nieten) von Leistung und Eigenschaften

  • Verstehen des Einflusses von Dichtmasse in der Luft- und Raumfahrtindustrie auf den Prozess und die Leistung
Abbildung 1. A) Refill-FSSW-Kopf an TWIs Knickarmroboter B) Schema des Refill-FSSW-Prozesses C) Zusammenbau des Refill-FSSW-Werkzeugs zum Nachfüllen D) Nahezu bündiges Oberflächenfinish beim Refill-FSSW-Verfahren
Abbildung 1. A) Refill-FSSW-Kopf an TWIs Knickarmroboter B) Schema des Refill-FSSW-Prozesses C) Zusammenbau des Refill-FSSW-Werkzeugs zum Nachfüllen D) Nahezu bündiges Oberflächenfinish beim Refill-FSSW-Verfahren

Vorgehensweise

  • Vollfaktorieller Versuchsplan mit variierenden Schlüsselparametern zur Bestimmung der „Schweißeignung“ der Legierung
  • Das Ranking berücksichtigte
    • i) die Querschnittsintegrität und
    • ii) die statischen mechanischen Eigenschaften, die von zentralem Interesse waren
  • Auswahl der besten Proben für
    • i) Ermüdungsversuche und
    • ii) Versuche zur Grenzflächenversiegelung
  • Untersuchung der Bruchflächen und Versagensarten mittels Elektronenmikroskopie

 

Schlussfolgerungen

 

  • Alle hergestellten Verbindungen übertrafen die Benchmark-Festigkeit
  • Die besten Prozessparameter erreichten statische Festigkeiten von ~95% eines vergleichbaren Aluminiumnietes
  • Die Verwendung von Dichtmasse zwischen den Bauteilen führte zu einer 50%igen Erhöhung der statischen Festigkeit (im Vergleich zu keiner Dichtmasse)
  • Die durchschnittlichen Überlappungs-Scherwerte ergaben eine geringe Streuung und konsistente Versagensarten
Avatar Dr Pedro Santos IEng - DE Pedro Santos – Senior-Projektleiter

Nach seinem Schulabschluss in MINT-Fächern wie Mathematik, Biologie, Physik und Chemie erwarb Pedro seinen MSc-Abschluss in Maschinenbau an der NOVA School of Science and Technology in Portugal. Im Rahmen seines Industriepraktikums bei The Welding Institute (TWI Ltd) konzentrierte sich seine MSc-Arbeit auf die Optimierung der Prozessparameter des Reibrührschweißens und die Industrialisierung zur Herstellung Tailor Welded Blanks für Leichtbauanwendungen im Transportwesen, ein von Innovate UK (LightBlank) gefördertes Projekt.

Seine Doktorarbeit, die von den Industriemitgliedern des TWI im Rahmen des Grundlagenforschungsprogramms und der Coventry University mitfinanziert wurde, konzentrierte sich auf die Entwicklung des Refill Friction Stir Spot Welding (Refill FSSW) als Prozess für Leichtbauanwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Pedro arbeitet derzeit als Senior-Projektleiter in der Abteilung für Reib- und Pressschweißprozesse des TWI, wo er Kundenbeziehungen und die Durchführung von Projekten mit Reibschweißtechnologien, vorwiegend für die Luft- und Raumfahrtbranche, verwaltet.

Aufgrund seiner Erfahrung in technischen Projekten ist Pedro Santos Mitglied des Engineering Council und von The Welding Institute. Als aktiver MINT-Botschafter präsentiert und unterstützt er häufig Workshops zu ingenieurwissenschaftlichen Themen für Schüler von der ersten Klasse bis zu Oberstufe.

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