Rührreibschweissen birgt kostengünstiges Potenzial kostengünstiges Potenzial

Um weitere Leichtbaupotenziale auszuschöpfen und Masse einzusparen, müssen konsequent alternative Werkstoffe mit kleinerem Verhältnis von Dichte zu Festigkeit eingesetzt werden. Zum Verbinden dieser Werkstoffe müssen allerdings häufig neue Fügetechnologien entwickelt werden. Ein erfolgversprechendes Verfahren hierfür ist das Rührreibschweissen. Die Verbreitung des Verfahrens soll besonders bei kleinen und mittleren Unternehmen unterstützt werden, indem die Potenziale kostengünstiger Anlagen aufgezeigt werden.

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Die grossen Industriezweige (Luft- und Raumfahrt, Verkehrswesen und Schiffbau) messen dem Leichtbau wegen der stetig steigenden Kosten für Rohstoffe immer mehr Bedeutung bei. Speziell im Verkehrswesen kann durch einen effizienten Einsatz von Werkstoffen die Fahrzeugmasse und somit auch die spätere Schadstoffemission reduziert werden. Dieses Ziel wird sowohl durch eine kontinuierliche Verbesserung der Konstruktionen als auch durch den Einsatz neuer und alternativer Werkstoffe (zum Beispiel dem Übergang zu Werkstoffen mit einem kleineren Verhältnis von Dichte zu Festigkeit) erreicht. Die gestiegene Nachfrage hat nicht nur den Bedarf an derartigen Werkstoffen, sondern auch an den notwendigen Fügetechnologien erhöht, weil die bewährten Schmelzschweissverfahren immer öfter zu Problemen führen. Durch die enge Zusammenarbeit von Grossunternehmen und Zulieferern bei der Entwicklung neuer Technologien gewinnen die globalen Trends auch für viele kleine und mittlere Unternehmen (im Folgenden KMU genannt) immer mehr an Bedeutung.

Ohne Zusatzwerkstoffe, ohne Schutzgase

Ein Verfahren, das von dem angesprochenen Leichtbautrend profitiert, ist das Rühr-reibschweissen (englisch: Friction Stir Welding - FSW). Es wurde von «The Welding Institute» (TWI) in Grossbritannien 1991 zum Patent angemeldet (Schutzrecht WO9310935), das Patent wurde 1992 erteilt. Es handelt sich um eine Variante des Reibschweissens, bei dem ein verschleissfestes, rotierendes Werkzeug eingesetzt wird und bei dem die zu fügenden Partner vorwiegend im Stumpf- oder Überlappstoss verbunden werden. Die Reibwärme entsteht vorwiegend auf Grund des Kontakts zwischen Werkzeugschulter und Werkstoffoberfläche. Der in vier Phasen eingeteilte Prozessablauf ist in Bild 1 dargestellt.

Zuerst taucht der mit dem rotierenden Werkzeug fest verbundene Stift so tief ein, bis die Schulter die Werkstückoberfläche berührt. Während der anschliessenden Verweilphase wird solange Energie in Form von Reibwärme in das Bauteil eingebracht, bis eine für den Prozess ausreichende Plastifizierung des Werkstoffs stattfindet. Erst danach setzt die Vorschubbewegung des Werkzeugs ein, bei der der Stift den erweichten Werkstoff verrührt. Am Ende wird das Werkzeug aus der Schweissnaht herausgezogen und der Negativabdruck, auch Endkrater genannt, verbleibt im Bauteil (Bild 2). Ein charakteristischer FSW-Querschliff ist in Bild 3 zu sehen. Bei den in Bild 2 und Bild 3 gezeigten Nähten wurden zwei je drei Millimeter dicke Aluminium-Druckgussplatten (Al Si9Mn) im Überlappstoss miteinander verschweisst. Bei dem FSW-Werkzeug, das mit einem stechenden Anstellwinkel von zwei Grad eingesetzt wird, besitzt die Schulter einen Durchmesser von 13 Millimeter, der Stift einen von fünf Millimeter und die Einschweisstiefe beträgt 5,1 Millimeter.