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Forschungsaktivitaten in der Verfahrens- und Werkzeugentwicklung

Stephan W Kallee und Wayne M Thomas

Paper presented at FSW Technology Days at AMAG, Ranshofen, Austria, 24-25 October 2005

Zusammenfassung

Reibrührschweißen ist, seit es am TWI im Jahr 1991 erfunden worden ist, in systematischen Laborstudien kontinuierlich weiterentwickelt worden. Die Schweißungen werden unterhalb des Schmelzpunktes in der festen Phaseausgeführt, und die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und der geringe Verzug werden der geringen Wärmeeinbringung zugeschrieben.

Einführung

Das Grundlagenforschungsprogramm am TWI besteht aus einer Reihe von anwendungsnahen Forschungsprojekten, die TWIs streng vertrauliche Auftragsforschung untermauern. Industrielle Mitglieder haben bereits Zugriff auf 25 Berichte desGrundlagenforschungsprogramms zum Thema Reibrührschweißen. Das Programm hat ein Budget von mehreren Millionen Euro pro Jahr und zielt darauf ab, der Industrie produktionsrelevante Kenntnisse bereitzustellen.

Konstruktion der Whorl TM and MX Triflute TM Werkzeuge

Beim Herstellen der Reibrührschweißwerkzeuge kann - anstatt eines in die Werkzeugschulter eingesetzten zylindrischen Stiftes - auch ein Zapfen verwendet werden, z. B. ein Kegelstumpf (möglicherweise mit unrundemQuerschnitt), eine konische Spirale oder mehrere Knethaken. In einer Studie mit schneckenförmigen Whorl TM Werkzeugen wurden die in Bildern 1 und 2 gezeigten Gestaltungsprinzipien untersucht. Die Kegelstumpf-Zapfen haben einen spiraligen Grat, der das plastifizierte Werkstückmaterial abwärts pumpt. Einige Zapfen haben auch seitliche Abflachungenoder hinterschnittene Nuten, um den Materialfluß zu verbessern.

Unter dem Warenzeichen MX Triflute TM bekanntgewordene, geriefte Multi-Helix Werkzeuge haben eine ungerade Anzahl von Nuten mit relativ großem Steigungswinkel und ein überlagertes grobes Gewinde auf der Oberfläche der Grate ( Bild 3). Diese Profilierung reduziert das Werkzeugvolumen und verbessert daher den Materialfluß und die Verteilung von oberflächlichen Werkstück-Oxidhäuten.

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Bild 1. Grundvarianten von TWIs neuen schneckenförmigen Whorl TM Werkzeugen für das Fügen dicker Platten. Diese profilierten Werkzeuge erzeugen einen guten Materialfluß

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Bild 2. Whorl TM Werkzeug für 75 mm dickes AlMgSi1

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Bild 3. Prototyp eines MX Triflute TM Werkzeugs mit drei profilierten Graten

Entwicklung von Verfahrensvarianten

Bereits in der ersten Patentanmeldung wurden Verfahrensvarianten des Reibrührschweißverfahrens beschrieben, z. B. das Werkzeug wie in einer Stichsäge auf- und abzubewegen, statt das verschleißfeste Werkzeug zudrehen. Diese Varianten wurden seitdem in Laborversuchen untersucht, und zeigen gewisse Vorteile bezüglich der erzielten Gefügestrukturen und Festigkeitswerte.

Bei der Skew-stir TM Variante des Reibrührschweißens wird das FSW Werkzeug mit einer leichten Orbitalbewegung bewegt, um den Materialfluß um den Stift zu verbessern. Diese Skew-stir TM Variante unterscheidet sich vom konventionellen Reibrührschweißen dadurch, daß die Achse des Werkzeugs etwas gegen die Achse der Maschinespindel geneigt wird. Die Oberfläche der Schulterwird in einer Drehmaschine so bearbeitet, daß sie senkrecht zur Maschinenspindel steht und in der gleichen Ebene wie die Werkstückoberfläche liegt. Durch das Einfügen von Packstücken kann der Versatz derOrbitalbewegung verändert werden ( Bild 4). Beim Skew-stir TM Werkzeug wird nur der äußere Teil des profilierten Stiftes zum Kneten des plastifizierten Werkstoffes verwendet. Daher kann der Stift in der Nähe der Spindelachse abgearbeitet werden, um denMaterialfluß zu verbessern ( Bild 5). Es muß noch erforscht werden, wie die Stiftlebensdauer und die Lagerlebensdauer der Spindellager von der Orbitalbewegung abhängen, bevor die Skew-stir TM Variante in der industriellen Fertigung eingesetzt werden kann.

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Bild 4. Grundprinzip der orbitalen Skew-stir TM Bewegung

Siehe auch: Skew-stir TM

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Bild 5. Prototyp eines asymmetrischen Skew-stir TM Werkzeugs

Beim Re-Stir TM Verfahren wird die Drehrichtung des Werkzeuges in kurzen Zeitabständen geändert. Im Bild 6 sind die Nahtoberfläche und Gefügeschliffbilder einer Re-Stir TM Schweißung gezeigt, die mit 10 Umdrehungen pro Intervall durchgeführt wurde, bevor die Drehrichtung geändert wurde. Die Versuche wurden in TWIs Grundlagenforschungsprogramm in einem 6mm dickemAluminiumblech der Legierung AA5083-O durchgeführt. Die Schweißgeschwindigkeit betrug etwa 100mm/min.

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Bild 6. Re-stir TM mit abwechselnder Drehrichtung im und gegen den Uhrzeigersinn. Nahtoberfläche und Schliffbilder einer Re-stir TM Schweißung im Überlappstoß

Siehe auch: Reversal stir welding - Re-stirReversal stir welding - Re-stir TM - Preliminary trials

Bei der Multi-stir Variante werden mehrere Spindeln gleichzeitig eingesetzt ( Bild 7). Zum Beispiel kann das Drehmoment einer handgeführten FSW Maschine ausgeglichen werden, wenn zwei gegenläufige Spindeln eingesetzt werden. Mit nebeneinander angeordneten Spindeln können mehrereStrangpressprofile gleichzeitig im Stumpfstoß verschweißt werden ( Bild 8).

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Bild 7. Multi-stir mit 2 gegenläufigen Spindeln zum Momentausgleich

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Bild 8. Multi-stir Konzept mit mehreren Werkzeugspindeln im gleichzeitigen Einsatz zum Verschweißen von Strangpreßprofilen
Siehe auch: The simultaneous use of two or more friction stir welding tools

Beim Twin-stir TM Konzept zum Schweißen von Überlappstößen werden zwei gegenläufig drehende Werkzeuge nebeneinander oder seitlich versetzt angeordnet, um breite Nähte zu erzeugen ( Bild 9-11). Dabei gibt es verschiede Versatzvarianten in Abhängigkeit von der Drehrichtung und Werkzeuganordnung, die zu verschiedenen Gefügestrukturen führen.

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Bild 9. Twin-Stir TM Konzept mit 2 Spindeln im gleichzeitigen Einsatz 

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Bild 10. Prototyp eines Twin-Stir TM Spindelkopfes und Gefügeschliff einer Schweißnaht 

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Bild 11. Twin-Stir TM Versatz-Varianten

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Siehe auch: The simultaneous use of two or more friction stir welding tools

Grundlagenforschungsprogramm zum Dünnblechschweißen und Reibrührpunktschweißen

Zwei Projekte in TWIs derzeitigem Grundlagenforschungsprogramm beschäftigen sich mit dem Reibrührschweißen: Im ersten Projekt werden Reibschweißprozesse für die Reparatur und handgehalteneReibrührschweißmaschinen für Dünnblechanwendungen entwickelt. Im zweiten Grundlagenforschungsprojekt wird die Abhängigkeit zwischen Spindeldrehzahl, aufgebrachter Kraft und der Materialerweichung durchReibungswärme untersucht. Später soll außerdem die Gefügeumwandlung während der Reibrührmaterialbearbeitung verschiedener Legierungen genauer untersucht werden (Friction Stir Processing, FSP). Es wurdebereits demonstriert, daß sich das feinkörnige FSP-Mikrogefüge von Aluminiumlegierungen besonders gut durch superplastische Formgebung umformen läßt.

Jetzt startet am TWI gerade ein neues Verbundprojekt, in dem Werkzeuggeometrien, Verfahrensparameter und Toleranzen für das Reibrührpunktschweißen von verschiedenen Leichtmetallen optimiert werden. Die Eignung desReibrühr punkt schweißens, durch Beschichtungen, Klebstoffe und Dichtmittel hindurchzuschweißen wird untersucht. Außerdem werden Daten für die Spezifizierung von Schweißmaschinen und Robotern erfaßt.

Entwicklung und Vorführung von Reibrührschweißmaschinen

MTS in Eden Prairie (Minnesota) hat mehrere hydraulisch angetriebene FSW-Maschinen konstruiert und gebaut. Eine davon ist an der Universität von South Carolina installiert ( Bild 12). Bis zu 16m lange ESAB SuperStir TM Maschinen wurden konstruiert, gefertigt und in Betrieb genommen. ESABs neueste große Portalmaschine wurde bei DanStir in Kopenhagen (Dänemark) in Betrieb genommen (15x3x1m, Bild 13).

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Bild 12. MTS hydraulisch betriebene FSW Maschine an der Universität von South Carolina

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Bild 13. DanStir setzt eine CNC gesteuerte ESAB SuperStir TM Maschine mit 15 x 3 x 1 m Arbeitsvolumen ein

TWI betreibt zur Zeit zwei große Portalschweißaschinen in den Labors in Cambridgeshire und Yorkshire. Die Maschine in Cambridge hat einen Vakuumspanntisch mit Vakuumpumpen der Firma Horst Witte in Bleckede (Deutschland, Bild 14). Die leistungsstärkste Reibrührschweißmaschine der Welt wird Ende 2005 in TWIs neuem Laborgebäude in Rotherham (Großbritannien) installiert. Sie kann bis zu 150kN (15t) Schweißkraftaufbringen und hat 11 CNC gesteuerte Achsen, um dreidimensionale Werkstücke mit mehr als 100mm Dicke zu bearbeiten ( Bild 15).  

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Bild 14. ESAB SuperStir TM Maschine am TWI mit Alufix Vakuumspanntisch der Firma Horst Witte für 8 x 5 m Prototypen

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Bild 15. FSW Portalmaschine von Smart Technology Group für TWI Technology Centre (Yorkshire), um bis zu 150 mm dicke Aluminium Platten, Röhren und Billets zu verschweißen

TWI hat eine überraschende Anzahl von Fügeverfahren für das Verkehrswesen entwickelt. Es blickt auf eine lange Zusammenarbeit mit der Automobil- und Motorsportindustrie zurück. TWI stellt seine weltberühmteSach- und Fachkenntnis ausschließlich seinen industriellen Mitgliedern oder den Partnern in staatlich geförderten Projekten zu Verfügung (Bild 16). Es unterstützt internationale Fahrzeughersteller und Zuliefererwährend der Entwicklung, dem Serienanlauf und bei der industriellen Anwendung von Schweißprozessen. Durch die Maschinenvorführung in TWIs Laboratorien (Bild 17) und durch die Durchführung vonParameteroptimierungsstudien hilft TWI außerdem bei der Spezifikation, der Konstruktion und der Inbetriebnahme von Reibrührschweißmaschinen.

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Bild 16. Vorführung des Neos Tricept 805 Reibrührschweiß-Roboters in der GKSS

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Bild 17. Die ESAB SuperStir TM Portalmaschine am TWI in Cambridge für Prototypen bis 8 x 5 x 1 m

Schlußfolgerungen

  • Die Experimente mit Whorl TM und MX Triflute TM Werkzeugen haben bisher vielversprechende Ergebnisse erzielt, und das einlagige Reibrührschweißen von 1-50 mm dicken Strangpressprofilen, Blechen und Platten industrietauglich gemacht.
  • Verfahrensvarianten mit Skew-stir TM , Re-Stir TM , Twin-stir TM and Multi-stir werden zur Zeit entwickelt und führen zu erfolgversprechenden Gefügestrukturen.

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