Rührreibschweissen birgt kostengünstiges Potenzial kostengünstiges Potenzial

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Fastems Sales Agent: Gennaro Teta (omnino technology)

Hervorragende statische und dynamische Festigkeiten

Das Verfahren ist besonders für das Fügen von Aluminium und dessen Legierungen geeignet. Die Nebenzeiten sind deswegen kurz, weil keine oder nur geringe Nahtvorbereitungen nötig sind. Ausserdem wird der Prozess ohne Schweisszusatzwerkstoffe oder Schutzgase betrieben, wodurch weitere Betriebskosten eingespart werden. Der grösste Vorteil des FSW gegenüber Schmelzschweissverfahren ist die Tatsache, dass zu keinem Zeitpunkt des Prozesses die Schmelztemperatur der Werkstoffe erreicht oder überschritten wird. Dadurch resultieren hervorragende statische und dynamische Festigkeiten der Schweissnaht, weil Heissrisse und Porenbildung vermieden werden. Abhängig von der Legierung und gegebenenfalls von dem Wärmebehandlungszustand werden Festigkeiten von 100 Prozent bezogen auf den Grundwerkstoff erreicht. Zusätzlich ergibt sich durch den geringen Wärmeeintrag in das Bauteil auch ein geringer Verzug. Die Kombination dieser Vorteile ermöglicht sowohl das Fügen von Werkstoffen, die als nicht oder schwer schmelzschweissbar gelten, als auch das Herstellen von Mischverbindungen. Das FSW ist nicht nur auf das Fügen von Aluminiumwerkstoffen beschränkt, sondern wurde zum Beispiel auch erfolgreich bei Kunststoff, Messing, Kupfer, Magnesium, Stahl und Titan eingesetzt.

Komplexe 3D-Werkzeugführung

Die besonderen Herausforderungen bei der Anwendung des FSW stellen die hohen Prozesskräfte dar, die von der Anlage aufgebracht werden müssen. Abhängig vom Werkstoff und der Einschweisstiefe sind Bearbeitungskräfte im ein- und zweistelligen Kilonewton-Bereich nötig. Diese stellen hohe Anforderungen an die Anlage, die Bauteilunterlage (zum Beispiel den Gegenhalter auf der Nahtunterseite) und die Spanntechnik (zum Beispiel die Zugänglichkeit). Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Werkzeugschulter prozessbedingt ständig im Kontakt mit der Bauteiloberfläche stehen muss, was eine komplexe Werkzeugführung für 3D-Anwendungen zur Folge hat. Des Weiteren muss berücksichtigt werden, dass der Endkrater eine Schwachstelle im Bauteil darstellen kann.

Drei Anlagentypen

Das FSW kann mit drei unterschiedlichen Anlagentypen durchgeführt werden. Für Anwendungen, bei denen sehr hohe Prozesskräfte auftreten, bieten spezifisch ausgelegte Anlagen mit sehr hohen Steifigkeiten optimale Voraussetzungen beziehungsweise Randbedingungen. Diese Sonderschweissanlagen erfordern allerdings hohe Investitionskosten und besitzen nur eine geringe Flexibilität. Besonders kostenintensiv ist die Anlagentechnik, wenn Nahtkonturen realisiert werden sollen, die von einer geradlinigen oder kreisrunden Geometrie abweichen.

Roboteranwendungen eröffnen neue Anwendungsbereiche

Geringere Investitionskosten als bei Sonderschweissanlagen, aber eine anspruchsvolle Prozessführung sind für das Rührreibschweissen mit einem Sechsachsen-Knickarmroboter notwendig. Durch die Kombination von modifizierten Standardkomponenten sind die Investitionskosten verhältnismässig gering. Eine Roboter-FSW-Anlage besteht aus einem Schwerlastroboter, einer FSW-tauglichen Spindel und einer integrierten Kraftregelung. Wegen des deutlich elastischeren Verhaltens des Roboters ist im Vergleich zu Sonderschweissanlagen die Kraftregelung zwingend erforderlich, um für eine konstante Anpresskraft des Werkzeugs auf die Bauteiloberfläche zu sorgen. Dieser Anlagentyp ist speziell für Anwendungen mit Einschweisstiefen bis zirka acht Millimeter (je nach Legierung) geeignet. In Bild 4 sind Prozesskräfte für einige Kombinationen aus Werkstoff und Einschweisstiefe aufgetragen, welche sich deutlich unterhalb der zulässigen Maximalkraft des Roboters befinden. Zusätzlich ist die Anlage 3D-fähig, und die damit verbundene hohe Flexibilität eröffnet neue Anwendungsbereiche.

Kostengünstige CNC-Anwendungen

Den dritten Anlagentyp für das FSW stellen CNC-Maschinen dar. Hierzu zählen sowohl drei- und vierachsige Fräsmaschinen als auch fünfachsige Standardbearbeitungszentren. Um auf einer CNC-Maschine FSW-Operationen durchführen zu können, bedarf es prinzipiell keiner weiteren Modifikation und der Prozess kann, abhängig von der Steuerung, sowohl positions- als auch kraftgeregelt betrieben werden. Zudem können FSW- und beispielsweise Fräs-Operationen automatisiert und in einer Aufspannung erfolgen. Da CNC-Maschinen in vielen Unternehmen vorhanden und nicht zu 100 Prozent ausgelastet sind, werden diese vorzugsweise für erste FSW-Anwendungen eingesetzt und als kostengünstig empfunden, da zunächst keine Investitionen getätigt werden müssen.

Diese Übersicht über die Anlagentechnik zeigt, dass der Einstieg in das Rührreib-schweissen nicht mit hohen Kosten verbunden sein muss. Speziell KMU haben häufig Kapazitäten auf vorhandenen Anlagen zur Verfügung. Dennoch gibt es neben einem Mangel an Erfahrung und Prozesswissen weitere Faktoren, die viele KMU vor dem Einsatz des FSW zurückschrecken lassen. Durch das Fehlen eines Anforderungskatalogs für die Anlagentechnik und von standardisierten Werkzeugen wird bereits bei der Anschaffung der Ausstattung FSW-Know-how gefordert. Ausserdem muss bei jeder Anwendung die Patentsituation geklärt werden, da neben den zwei Basispatenten von 1991 und 1995 weit über 1500 Patente zu speziellen Verfahrensvarianten und zur Systemtechnik erteilt worden sind. Als Letztes ist zu erwähnen, dass die Vorteile des Verfahrens auf den ersten Blick nicht vollends ersichtlich sind, da in den meisten Fällen Richtlinien zur FSW-gerechten Bauteilkonstruktion fehlen.

Schweissnahtqualität unabhängig von Anlagenart

Die Forschungs- und Entwicklungsprojekte am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB) der Technischen Universität München zielen deshalb darauf ab, das technologische und wirtschaftliche Potenzial des Rührreibschweis-sens vor allem für KMU besser nutzbar zu machen und ihnen den Einstieg zu erleichtern.

Hierzu werden in Deutschland zum Beispiel unter dem Thema «Integration des Rührreibschweissens in Fertigungsprozessketten» fünf Forschungsprojekte durch ein Konsortium aus acht Forschungsstellen und einer Vielzahl von Unternehmen bearbeitet (Förderer AIF). Das IWB beteiligt sich an einem Teilprojekt, in dem Konzepte zur Bewertung der Eignung von Anlagen für das FSW erarbeitet werden. Dadurch soll für Neueinsteiger eine erste Möglichkeit zur Orientierung bezüglich der Anlagentechnik geschaffen werden.

Ein Vergleich hat bereits bestätigt, dass die Qualität der Schweissnaht nahezu unabhängig von der Anlagenart ist. Für die Experimente wurde je ein Vertreter der drei unterschiedlichen Gruppen herangezogen. Somit können für das FSW von geradlinigen Schweissnähten mit geringen Einschweisstiefen ohne Qualitätsverlust kostengünstige und/oder bereits vorhandene Anlagen eingesetzt werden.

Forschung schafft weiteres Potenzial

Des Weiteren wird das Schweissen von dreidimensionalen Nahtverläufen mit Hilfe einer Roboter-FSW-Anlage vorangetrieben. Zur Demonstration der Flexibilität der Anlage sind in Bild 5 Beispiele gezeigt, die mit einer Anlage der EADS Innovation Works Germany gefertigt wurden. Auf der linken Seite (Bild 5 a) ist eine zweidimensionale Kontur (S-Form auf einer Aluminium-Druckgussplatte (Al Si9MgMn) mit einem Radius von 20 Millimeter) zu sehen, welche prinzipiell auch auf einer Dreiachs-Fräsmaschine gefertigt werden kann, wenn das Werkzeug senkrecht zur Oberfläche geführt wird. Da beim Rührreibschweissen aber prozessbedingt meistens mit einem stechenden Anstellwinkel von ein bis fünf Grad gearbeitet wird, muss das Werkzeug räumlich umorientiert werden, so dass in diesem Fall mindestens fünf Achsen nötig sind. Auf der rechten Seite sind konvexe Radien (Aussenradien r1 = 14,5 Millimeter; r2 = 54,5 Millimeter und r3 = 104,5 Millimeter) mit den Legierungen AW-5083-H111 und AW-6082-T6 mit einer Blechdicke von jeweils drei Millimeter realisiert worden.

In Anbetracht der beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsprojekte wird zukünftig weiteres Potenzial geschaffen und ausgeschöpft. Obwohl das Verfahren sehr wahrscheinlich die konventionellen Schweiss-verfahren nicht ersetzen wird, bringt es für einige Anwendungen dennoch deutliche Vorteile und setzt sich zunehmend auch über Nischenanwendungen hinaus durch - insbesondere, da bereits heute das Rührreibschweissen mit kostengünstigen Anlagen erfolgreich betrieben werden kann. Des Weiteren gibt es Bestrebungen, durch Prozessmodifikationen die Prozesskräfte zu reduzieren oder einen geschlossenen Kraftfluss zu erzeugen. Das bedeutet, dass ein Downsizing der Anlagen (geringere Steifigkeiten) vorangetrieben wird und dadurch die Investitionskosten noch weiter reduziert werden, wodurch die Konkurrenzfähigkeit des FSW weiter erhöht wird. Parallel dazu wird stetig Prozesswissen hinzugewonnen, um komplexere dreidimensionale Nahtverläufe zu realisieren. Die Weiterentwicklung wird durch die zunehmende Verbreitung des Verfahrens bei Forschungseinrichtungen und in der Industrie unterstützt.

AutorenProf. Dr.-Ing. Michael F. ZähDipl.-Ing. Daniel Schmid

InformationTechnische Universität München Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften IWB; Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Boltzmannstrasse 15D-85747 GarchingTel. +49 892 891 55 61Fax +49 892 891 55 55daniel.schmid@iwb.tum.dewww.iwb.tum.de