Reibrührschweißen: Ein Festkörper-Metallverbindungsprozess

 Dieser Artikel erklärt, wie es funktioniert, warum es dem Schmelzschweißen vorzuziehen ist, seine Hauptanwendungsbereiche wie Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, ein kurzes Update über moderne Entwicklungen im FSW-Bereich und verschiedene Spin-off-Prozesse wie Friction Stir Spot Welding . Es soll alle wesentlichen Informationen über dieses wichtige Metallverbindungsverfahren enthalten.

Reibrührschweißen: Ein Verfahren zum Verbinden von Metallen im festen Zustand

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Prinzipien des Reibrührschweißens

Vorteile von Friction Stir Welding

Werkzeugdesign und Prozessparameter

Anwendungen des Reibrührschweißens

Herausforderungen bei der Metallverbindung und neueste Entwicklungen

Innovative Derivate des Rührreibschweißens

Zukünftige Entwicklungen beim Rührreibschweißen

Fazit

FAQs

Das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein neuartiges Festkörperverbindungsverfahren, das 1991 am Welding Institute in Großbritannien erfunden wurde. Seit seiner Einführung hat es eine Vielzahl von metallverarbeitenden Industriezweigen, die auf andere Metallverbindungstechniken als das Schmelzschweißen angewiesen sind, stark verändert. Beim FSW wird ein nicht verbrauchbares, rotierendes Werkzeug verwendet, um Reibungswärme unterhalb des Schmelzpunktes der zu verbindenden Materialien zu erzeugen. Dadurch werden die Metalle erhitzt und erweicht, so dass sie zusammengeschmiedet werden können und qualitativ hochwertige, fehlerfreie Verbindungen entstehen.

Da es keine Probleme wie Erstarrungsrisse und Porosität gibt, führt das FSW-Verfahren zu stärkeren und gleichmäßigeren Schweißnähten als Alternativen zum Schmelzen. Es ist nicht nur auf Aluminiumlegierungen für die Luft- und Raumfahrt beschränkt, sondern wird auch im Automobilbau, in der Schifffahrt, im Schienenverkehr usw. eingesetzt. In diesem Artikel geht es um die Grundlagen des Rührreibschweißens, die Vorteile des Rührreibschweißens, die Anwendung des Rührreibschweißens und neue Entwicklungen beim Rührreibschweißen. Er umfasst alle Aspekte dieses wichtigen Metallverbindungsverfahrens.

Prinzip der Arbeitsweise

Das FSW ist ein neuartiges Verfahren zum Verbinden von Materialien mit geringerem Wärmeeintrag und ohne Schmelzen des Grundmaterials. Bei diesem Verfahren wird eine elektrisch beheizte, nicht konditive Elektrode mit einem zylindrisch geformten Stift und einer zylindrischen Schulter auf zwei benachbarte Oberflächen der aneinanderstoßenden Teile aufgesetzt und von einem Ende zum anderen Ende der Arbeitsfuge bewegt.

Erzeugung von Wärme durch Reibung

Wenn der Stift des FSW-Werkzeugs rotiert und sich durch das Material bewegt, wird zwischen den Schulter- und Stiftflächen, die die Werkstücke berühren, Reibungswärme erzeugt. Diese Wärme bewirkt, dass die Materialien der aneinanderstoßenden Werkstücke erweichen, ohne ihren Schmelzpunkt zu erreichen. Der Stift vermischt dann mechanisch die erweichten Materialien, indem er die ursprüngliche Bindungsstruktur aufbricht und sie zusammenschmiedet.

Bilden einer gleichmäßigen Schweißnaht

Hinter dem Stift kühlt das Material ab und rekristallisiert schnell, was zu einer festen Verbindung zwischen den beiden Originalteilen führt. Dies hinterlässt ein gleichmäßiges Schweißnugget ohne schmelz- oder erstarrungsbedingte Defekte, wie sie typischerweise bei Schmelzschweißen.

Vorteile gegenüber konventionellem Schweißen

Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften

Das Fehlen von Schmelz- und Erstarrungsfehlern verleiht FSW-Schweißnähten hervorragende mechanische Eigenschaften, die denen des Grundmaterials im geschweißten Zustand entsprechen oder diese sogar übertreffen.

Verbesserte Sicherheit

Im Vergleich zu Schmelzschweißverfahren wie dem Metall-Schutzgasschweißen gibt es beim FSW keine Dämpfe, Spritzer oder ultraviolette Strahlung. Das macht es zu einem sichereren Schweißverfahren.

Keine Füllung erforderlich

Da das FSW-Verfahren ein Festkörperverfahren ist, benötigt es kein Zusatzmaterial wie Draht oder Flussmittel, was den Prozess vereinfacht.

Einfache Automatisierung

Der automatisierte sequentielle Charakter des FSW-Verfahrens eignet sich sehr gut für den Einsatz von Robotern und automatisierten Verfahren in der Großserienfertigung in verschiedenen Branchen.

Funktioniert in allen Positionen

Im Gegensatz zu anderen Schmelzschweißverfahren kann das FSW-Verfahren bei Materialien in flacher, horizontaler, vertikaler oder Überkopf-Position mit gleicher Effektivität durchgeführt werden.

Gutes Erscheinungsbild der Schweißnaht

Reibrührschweißnähte haben in der Regel ein flaches, gleichmäßiges Aussehen mit minimaler Verformung im Vergleich zu Schmelzschweißnähten.

Werkzeugdesign und Prozessparameter

Die Bedeutung des Werkzeugdesigns

Das Werkzeugdesign spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Einbrandtiefe, der Wärmeentwicklung und letztendlich der Qualität der Schweißnaht. Mit fortschrittlichen Werkzeugkonstruktionen lassen sich größere Einbrandtiefen und dickere Schweißnähte erzielen.

Variationen der Werkzeuggeometrie

Bei der Konstruktion von Werkzeugen können Sie das Profil der Sonde oder des Stifts (die Profile reichen von einfachen zylindrischen Formen bis hin zu Stiften mit Gewinde oder Stufen), den Schulterdurchmesser und die Merkmale variieren, um den Materialfluss zu beeinflussen.

Auswirkungen der Prozessparameter

Prozessparameter wie die Dreh- und Verfahrgeschwindigkeit des Werkzeugs, die Einstechtiefe usw. haben einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeentwicklung und den Materialfluss beim Schweißen. Bei dickeren Profilen wird bei langsamen Geschwindigkeiten weniger Energie und Drehmoment aufgewendet, um tief einzudringen, während bei dünnem Material eine hohe Geschwindigkeit angebracht ist. Das Rührreibschweißen ist jedoch eine der vielversprechenden Festkörperverbindungstechniken, die im Vergleich zu anderen Schmelzschweißverfahren für verschiedene Industrien mehrere Vorteile bietet... Ständige Weiterentwicklungen bei den Werkzeugkonstruktionen und den Prozessparametern verbessern seine Möglichkeiten weiter.

Anwendungen des Reibrührschweißens

Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe

Fügen von Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen

Das Fsw-Verfahren wurde erfolgreich zum Schweißen von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) eingesetzt, die mit harten Keramikpartikeln wie Siliziumkarbid (SiC) und Borkarbid (B4C) verstärkt sind. Die Methode liefert solide Verbindungen in Al-Matrix-Verstärkungen mit SiC- und B4C-Partikeln mit mechanischen Eigenschaften, die mit denen der Basismetalle vergleichbar oder ihnen überlegen sind.

Verbesserte Mikrostruktur und Festigkeit

MXY Mit FSW hergestellte Verbindungen weisen im Vergleich zu Schmelzschweißtechniken eine feinere und gleichmäßigere Verteilung der Verstärkungen im Schweißnest auf. Dies führt zu einer höheren Festigkeit der Verbindung, die der des Grundmaterials nahe kommt. Das Fehlen von Verflüssigungs- und Wiedererstarrungsdefekten beim FSW-Schweißen verhindert Rissbildung und Porosität, die bei Schmelzschweißungen von MMCs häufig auftreten.

Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie

Tragflächen und Rumpfteile für Flugzeuge

Führende Flugzeughersteller verwenden das FSW-Verfahren in großem Umfang zum Verbinden von Aluminiumlegierungen für Tragflächen, Rümpfe und Leitwerksteile. Embraer verwendet diese Technik für die Herstellung von Flügelhäuten und Holmen für seine E-Jets. Boeing setzt FSW bei der 747-8 ein und fertigt über 33 Kilometer Schweißnähte.

Karosserie- und Fahrwerksteile

Strukturelle Autokomponenten wie Motorhauben, Türen, hintere Karosserieteile und Aufhängungen werden von führenden Herstellern mit dem FSW-Verfahren verbunden. Mazda setzt das Verfahren bei mehreren Modellen ein, unter anderem bei seinem großen Lkw Bongo. Ford setzt FSW bei den Aluminiumkarosserien des F-150 Pickup und des Expedition SUV ein.

Schifffahrt und Transport

Schiffbau und Marineschiffe

Der italienische Schiffbauer Fincantieri fertigt Aufbauten, Decks und Schotten von Fähren und Kreuzfahrtschiffen vollständig aus FSW-geschweißten Aluminiumplatten. Dockwise verwendet Rührreibschweißnähte zum Verbinden von Pontonmuffen von Schwertransportschiffen.

U-Bahnen und Hochgeschwindigkeitszüge

U-Bahn-Züge in Städten wie Delhi, Mumbai und Sydney verfügen über FSW-geschweißte Aluminiumkarosserieteile und Untergestelle. Bei den japanischen Shinkansen Hochgeschwindigkeitszügen sind Strukturteile und die Außenhaut aus reibrührgeschweißten Aluminiumlegierungen gefertigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Rührreibschweißen ein effizientes und fehlerfreies Fügen verschiedener Metalle und Legierungen in den unterschiedlichsten Branchen ermöglicht, von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zur Schifffahrt, dem Transportwesen und der Elektronik. Die Anwendungen werden durch die kontinuierliche Weiterentwicklung des Verfahrens auf neue Bereiche ausgedehnt.

Herausforderungen bei der Metallverbindung und neueste Entwicklungen

Schwierig zu schweißende Materialien

Reibrührschweißtechniken werden erforscht, um Materialien zu verbinden, die traditionell als schwierig zu schweißen gelten.

Verbinden von Stählen und Titanlegierungen

Zahlreiche Forschungsarbeiten befassen sich mit der Machbarkeit des FSW-Verfahrens zum Fügen von hochfesten Stählen und Titanlegierungen, die aufgrund von Rissbildung nur schwer schmelzgeschweißt werden können. Vorläufige Studien zeigen, dass bei Schweißnähten aus ungleichem Stahl-Aluminium und Titan-Aluminium wünschenswerte Festigkeiten erzielt werden können.

Verbindungen ungleicher Metalle

FSW wird auch für das Verbinden unterschiedlicher Kombinationen wie Aluminium mit Kupfer, Magnesium und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen untersucht. Erfolgreiche Schweißungen von Zirkoniumlegierungen mit Stahl zeigen die Vielseitigkeit des Festkörperverfahrens.

Studien zur Prozessoptimierung

Verbesserung des Werkzeugdesigns

Werkzeugdesigns mit Gewinden, Entlüftung und fortschrittlichen Schultermerkmalen werden untersucht, um das Eindringen in die Naht, den Wärmefluss und die Materialdurchmischung zu verbessern. Konturierte Stifte helfen, Fehler bei Schweißnähten mit dickem Querschnitt zu reduzieren.

Parameter-Optimierung

Die Forschung optimiert voneinander abhängige Parameter wie Eintauchkraft, Rotationsgeschwindigkeit, Verfahrgeschwindigkeit und Werkzeuggeometrie. Thermische Modelle in Verbindung mit Experimenten liefern Erkenntnisse zur Fehlervermeidung.

Entwicklung der Mikrostruktur

Studien untersuchen Faktoren, die die Korngröße und Struktur der Rührzone bestimmen. Die Anpassung der Abkühlungsrate und der Werkzeugeigenschaften verfeinert die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von schwierigen Legierungskombinationen.

Innovative Derivate

Punktschweißen mit Reibrührtechnik

Diese Entwicklung ermöglicht das Punktschweißen von Blechbaugruppen. Sie findet Anwendung bei Automobilverschlüssen und Karosserieteilen und bietet Vorteile gegenüber dem Widerstandspunktschweißen.

Friction Stir Processing

Diese Technik verändert die Materialeigenschaften durch sorgfältig kontrollierte Rührvorgänge. Zu den Anwendungen gehören die Verbesserung der Eigenschaften von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen und die Herstellung von Gradienten-Nanostrukturen.

Friction Hydro-Pillar Verarbeitung

Eine Mischung aus FSW und Strangpressen erweitert die Möglichkeiten zur Herstellung von Rohren und Hohlkörpern aus Materialien wie Aluminium, Titan und Edelstahl.

Kontinuierliche Fortschritte erweitern die Anwendungsmöglichkeiten des Rührreibschweißens auf neue Materialien, Designs und Großserien in verschiedenen Branchen.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Rührreibschweißen seit seiner Erfindung im Jahr 1991 die Metallverbindung revolutioniert hat. Ursprünglich als Alternative zum Schmelzschweißen von Aluminiumlegierungen entwickelt, ist es heute eine ausgereifte Technologie, die in verschiedenen Industriezweigen für Anwendungen eingesetzt wird, die mit konventionellen Techniken bisher als schwierig galten. Die einzigartigen Vorteile des Rührreibschweißens wie hervorragende mechanische Eigenschaften, geringere Defekte, Sicherheit, Automatisierbarkeit und die Möglichkeit, eine breite Palette von Metalllegierungen zu verbinden, haben es zu einer bevorzugten Fertigungsmethode gemacht. Kontinuierliche Forschung zum Verständnis des Fließverhaltens von Materialien, zur Optimierung von Prozessparametern und zur Entwicklung fortschrittlicher Werkzeuge erweitert den Anwendungsbereich und die Produktivität des Rührreibschweißens weiter. Innovative Derivate wie das Rührreibpunktschweißen und die Rührreibbearbeitung erweitern das Anwendungspotenzial auch auf neue Fertigungsbereiche. Mit den fortlaufenden Entwicklungsbemühungen werden das Rührreibschweißen und seine Varianten wahrscheinlich auch in Zukunft die traditionellen Fertigungsmethoden verändern und die Herstellung fortschrittlicher Legierungskombinationen und Komponentendesigns in allen Branchen ermöglichen.

FAQs

Was sind die wichtigsten Vorteile des FSW-Schweißens gegenüber dem Schmelzschweißen?

Es erzeugt stärkere, hochwertigere Schweißnähte ohne Defekte wie Porosität oder Risse. Außerdem ist es sicherer, automatisierter, funktioniert in allen Positionen und verursacht weniger Verzug.

Ist FSW auf das Fügen von flachen Blechen oder Platten beschränkt?

Nein, die Fortschritte ermöglichen das FSW-Schweißen komplexer 3D-Formen, röhrenförmiger/hohler Komponenten und ungleicher/mehrwertiger Kombinationen. Punktschweißwerkzeuge ermöglichen die Montage von Platten.

Welche Faktoren beeinflussen die Schweißqualität?

Die wichtigsten Faktoren sind das Werkzeugdesign (Stift-/Schulterprofil), die Dreh-/Verfahrgeschwindigkeiten, die Einstechtiefe und die auf das Material und die Dicke abgestimmte Stiftkraft. Wärme, Materialfluss und Festigkeit der Verbindung werden optimiert.

Können andere Fügetechniken das FSW ersetzen?

Für viele Anwendungen gibt es keine Alternativen, die das gleiche Maß an Konsistenz und mechanischer Integrität bieten. Einige spezielle Befestigungen können jedoch dort eingesetzt werden, wo der Zugang zu FSW-Werkzeugen eingeschränkt ist.