Durch die Reibung zwischen den Oberflächen entsteht Wärme, die eine Plastifizierung des Grenzflächenmaterials bewirkt. Durch die Druckkraft wird das plastifizierte Material von der Grenzfläche verdrängt, wodurch die ursprüngliche Oberflächenoxidschicht und andere Verunreinigungen entfernt und metallurgische und/oder oberflächenverriegelnde Verbindungsmechanismen gefördert werden. Dieser Verformungsprozess bildet einen Gratkragen und bewirkt eine Verkürzung der Werkstücke in Richtung der Druckkraft. Sobald die erforderliche Verkürzung (burn-off distance) erreicht ist, wird die Rotationsbewegung gestoppt und die Schmiedekraft für eine gewisse Zeit beibehalten oder erhöht, um die Schweißnaht zu verfestigen. Es gibt zwei primäre Mechanismen, um die kinetische Energie auf die Schweißnaht zu übertragen:
- Reibschweißen mit Direktantrieb: das rotierende Teil wird kontinuierlich durch den Spindelmotor des Geräts angetrieben (Abbildung 1).
- Schwungradreibschweißen: das rotierende Teil ist mit einem Schwungrad verbunden, das vom Antriebsmotor abgekoppelt wird, sobald die gewünschte Drehzahl erreicht ist. Die Werkstücke greifen dann ein und das Schwungrad liefert die Energie an die Schnittstelle. Während dieser Annäherung sinkt die Drehgeschwindigkeit allmählich bis zum Stillstand ab (siehe Abbildung 2).
Abbildung 1. Schema des Reibschweißen mit Direktantrieb
Abbildung 2. Schema des Schwungradreibschweißens
Anwendungen
Rotationsreibschweißen ist im gesamten Fertigungssektor weit verbreitet und wird für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, darunter:
Turbinenwellen
- Automobilteile, einschließlich Stahl-LKW-Achsen und -Gehäuse
- Armaturen aus Monel-Stahl für die Schifffahrt
- Kolbenstangen
- Elektrische Verbindungen aus Kupfer-Aluminium
- Schneidewerkzeuge
- Rohrverbindungsstücke, die unterschiedliche Metalle miteinander verbinden (z. B. Aluminium-Titan und Aluminium-Edelstahl)
Abbildung 3. Anwendungen des Rotationsreibschweißens: (a) Turbinenwelle und (b) Tellerventil
Mikrogefüge
Rotationsreibschweißungen ähneln sich insofern, als sie mehrere unterschiedliche Zonen aufweisen: eine Schweißnahtmittelzone (weld centre zone, WCZ), eine thermomechanisch beeinflusste Zone (thermo-mechanically affected zone, TMAZ) und eine Wärmeeinflusszone (WEZ). Die Ausdehnung und die mikrostrukturelle Zusammensetzung dieser Zonen hängen von dem verwendeten Material und den Verarbeitungsbedingungen ab. Der Schweißbereich ist von einer Wulst umgeben. Ein typisches Beispiel für eine Schweißnaht ist in Abbildung 6 dargestellt.
Abbildung 4. Makroskopischer Schnitt einer Rotationsreibungsschweißung aus einer Titanlegierung
Mechanische Eigenschaften
Bei optimalen Verarbeitungsbedingungen können mit dem Reibschweißen Verbindungen hergestellt werden, die in ihrer Festigkeit dem Grundwerkstoff überlegen oder ähnlich sind. Dies gilt für viele artgleiche Verbindungen und Werkstoffkombinationen.
Vorteile
Das Rotationsreibschweißen bietet viele Vorteile gegenüber konkurrierenden Fertigungsverfahren, zum Beispiel:
- Die Schweißnaht verbleibt im festen Zustand, wodurch viele der mit dem Schmelzen und Erstarren beim Schmelzschweißen verbundenen Defekte, wie Poren und Erstarrungsrisse, vermieden werden. Auch der Verzug des geschweißten Bauteils ist geringer.
- Das Verfahren hat niedrigere Spitzentemperaturen als das Schmelzschweißen, wodurch die Bildung intermetallischer Verbindungen verringert wird und eine Reihe unterschiedlicher Werkstoffe gefügt werden können.
- Das Verfahren erfordert keinen Zusatzwerkstoff, kein Flussmittel und kein Schutzgas.
- Das Verfahren lässt sich leicht automatisieren, so dass es in hohem Maße wiederholbar ist und nicht vom menschlichen Einfluss abhängt, was zu einer sehr niedrigen Fehlerquote führt.
- Bei der Herstellung von Vorformen sind der Materialverbrauch und die Herstellungskosten im Vergleich zu subtraktiven Verfahren (z. B. Bearbeitung von Blöcken und Schmiedeteilen) geringer.
Zusammenfassung
Das Rotationsreibschweißen bietet der Industrie viele Vorteile für eine breite Palette von Anwendungen. TWI Ltd. hat im Laufe vieler Jahre der Forschung und Entwicklung ein umfangreiches Wissen über das Rotationsreibschweißen und seine Varianten entwickelt. Wenn Sie mehr über das Verfahren erfahren möchten, nehmen Sie bitte Kontakt mit uns auf.