Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein Pressschweißverfahren, bei dem ein sich drehendes Werkzeug die Bauteile durch Reibwärme und Druck miteinander verbindet.
Ein verschleißfestes Werkzeug mit einem profiliertem Stift in einer Schulter wird gedreht und dort in die Werkstücke eingetaucht, wo sie aneinanderstoßen. Dann verfährt es entlang der Fügelinie, wodurch sich das Material erwärmt und erweicht. Die Schulter dient auch dazu, das plastifizierte Material aufzunehmen, das mechanisch vermischt wird, um eine Schweißung unterhalb des Schmelzpunkts der Werkstücke zu erzeugen.
Anwendungen
Das Verfahren wird hauptsächlich in der Industrie zum Fügen von Aluminiumlegierungen aller Zusammensetzungen und Verarbeitungsarten eingesetzt, d.h. von gegossenen, gewalzten oder stranggepressten Aluminiumbauteilen. Es hat sich gezeigt, dass FSW Stumpfstöße aus Aluminiumlegierungen mit einer Dicke zwischen 0,3 mm und 75 mm in einem einzigen Durchgang schweißen kann, je nach Legierungsgrad und Leistungsfähigkeit der FSW-Maschine.
Andere Materialien, die mit FSW verbunden wurden, sind Magnesium-, Titan-, Kupfer-, Nickel- und Stahllegierungen sowie auch Kunststoffe und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (Metal Matrix Composites, MMCs). Es hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren in der Lage ist, unterschiedliche Kombinationen dieser Materialien einschließlich Aluminium mit Stahl zu verbinden.
FSW wurde für eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, von der Luft- und Raumfahrt über den Schiffbau und den Schienenfahrzeugbau bis hin zur Elektronik, einschließlich der Herstellung von Batteriewannen für Elektrofahrzeuge.
Mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur
Die mechanischen Eigenschaften von rührreibgeschweißten Aluminiumlegierungen sind aufgrund der geringen Wärmeeinbringung nachweislich oft besser als die von Schmelzschweißverfahren, wie z.B. dem Lichtbogenschweißen.
Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften von FSW weist dieses Verfahren typischerweise drei Hauptmikrostrukturbereiche auf; ein Nugget, eine thermomechanisch beeinflusste Zone (Thermo-Mechanically Affected Zone, TMAZ) und eine Wärmeeinflusszone (WEZ).
Während sowohl das Nugget als auch die TMAZ thermomechanisch beeinflusst werden, werden sie hinsichtlich der mikrostrukturellen Eigenschaften getrennt betrachtet. Dies liegt daran, dass das Nugget eine dynamische Rekristallisation erfährt, während die TMAZ keine dynamische Rekristallisation erfährt. Die genaue Zusammensetzung und das Ausmaß der mikrostrukturellen Zusammensetzung in diesen Zonen hängt vom Werkstoff und den Verarbeitungsbedingungen ab. Diese können sich z.B. in Abhängigkeit von Faktoren wie Schweißparametern und der Konstruktion des verwendeten FSW-Werkzeugs ändern.
Was sind die Vorteile des Rührreibschweißens?
Das Rührreibschweißen bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem konventionellen MIG-/MAG-Schweißen. Dazu gehören:
- Als Festkörperschweißverfahren ist FSW ein weitgehend fehlerfreies Fügeverfahren ohne Porosität, ohne Warmrisse und ohne Erstarrungsrisse
- Aufgrund der niedrigeren Temperaturen kommt es zu einer Verringerung von Schrumpfung und Verzug des zu verbindenden Materials
- Zusatzwerkstoffe, Flussmittel oder Schutzgas sind für Aluminiumlegierungen nicht erforderlich
- Umweltfreundlich, da keine Dämpfe, Spritzer oder UV-Strahlung erzeugt werden
- Verwendet Werkzeugmaschinentechnologie, wodurch der Prozess leicht zu automatisieren, hochgradig wiederholbar ist und der Bedarf an qualifizierten Schweißern verringert wird
- Kann in jeder Position arbeiten
- Gute mechanische Eigenschaften, die bei Aluminiumlegierungen typischerweise denjenigen entsprechen oder diese übertreffen, die durch konkurrierende Verfahren erzielt werden
- Energieeffizient
- In der Lage, viele „nicht schweißbare“ Aluminiumlegierungen zu verbinden, wie z.B. die der Serien 2xxx und 7xxx
- Für die meisten Anwendungen ist keine spezielle Kantenvorbereitung erforderlich
Was sind die Nachteile des Rührreibschweißens?
Während das Rührreibschweißen viele Vorteile bietet, gibt es einige Einschränkungen im Zusammenhang mit dem Verfahren. Dazu gehören:
- Am Ende der Schweißnaht verbleibt nach dem Herausziehen des Werkzeugs aus den zu verbindenden Werkstoffen ein Endloch zurück; dies kann jedoch in der Regel bei der Konstruktion des Teils oder durch die Verwendung von An/Ablauf-Laschen berücksichtigt werden
- Die Notwendigkeit erheblicher Anpresskräfte und Verfahrkräfte bedeutet, dass aufwendigere Spannvorrichtungen zum Einspannen der zu verbindenden Teile erforderlich sind als beim Lichtbogenschweißen
- Der Spalt zwischen den zu verbindenden Teilen muss so klein wie möglich sein, wenn kein Füllmaterial verwendet wird
Geschichte
Das Rührreibschweißen wurde 1991 von Wayne Thomas am TWI erfunden und in Europa, den USA, Japan und Australien zum Patent angemeldet. Weitere Arbeiten zur Untersuchung des Verfahrens wurden 1992 am TWI mit dem industriellen Gemeinschaftsprojekt GSP 5651 mit dem Titel „Entwicklung der neuen Rührreibreibtechnik zum Schweißen von Aluminium“ durchgeführt. Die industrielle Produktion mit FSW lief bereits Mitte der 1990er Jahre an, was einer kürzesten Zeiträume ist, in denen ein Schweißverfahren von der Erfindung bis zur breiten Anwendung entwickelt wurde.
Finden Sie auf Englisch mehr über FSW am TWI heraus
Unser Fachwissen
Das TWI hat in vielen Jahren der Forschung und Entwicklung umfangreiche Kenntnisse über das Rührreibschweißverfahren entwickelt. Dies hat zur Schaffung einer Reihe von Varianten und zugehörigen Prozessen geführt, wie z.B. Bobbin-Werkzeuge, stationäre Schultern und AdStir.
Dieser Artikel gehört zu einer Reihe von häufig gestellten Fragen (FAQs). Für weitere Informationen zum Rührreibschweißen oder anderen Themen, senden Sie bitte eine englischsprachige E-Mail an:
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