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Was ist das Rührreibschweißen von Aluminium?

F – Ich habe von einem Schweißverfahren namens Friction Stir Welding gehört. Anscheinend ist es recht neu und eignet sich besonders gut zum Schweißen von Aluminium. Können Sie mir einige Informationen über dieses Verfahren und die Arten von Anwendungen geben, für die es verwendet wird?

A – Das 1991 erfundene Reibrührschweißen (FSW) wurde am The Welding Institute (TWI) in Cambridge, Vereinigtes Königreich, entwickelt und ist dort patentiert. Die ersten speziell angefertigten und kommerziell erhältlichen Reibrührschweißmaschinen wurden von ESAB Welding and Cutting Products in ihrem Werk in Laxa, Schweden, hergestellt. Die Entwicklung dieses Verfahrens bedeutete eine bedeutende Abkehr von den herkömmlichen Reibschweißverfahren mit rotierender Bewegung und linearer Hin- und Herbewegung. Es bot ein hohes Maß an Flexibilität innerhalb der Prozessgruppe Reibschweißen.

Das herkömmliche Rotationsreibschweißverfahren setzt voraus, dass mindestens eines der zu verbindenden Teile gedreht wird, und hat die praktische Einschränkung, dass nur Bauteile mit regelmäßiger Form, vorzugsweise mit kreisförmigem Querschnitt und begrenzter Länge, verbunden werden können. Kurze Rohre oder Rundstäbe mit gleichem Durchmesser sind ein gutes Beispiel.

Das lineare Pendelverfahren erfordert ebenfalls eine Bewegung der zu verbindenden Teile. Bei diesem Verfahren wird eine geradlinige Hin- und Herbewegung zwischen den beiden Teilen verwendet, um die Reibung zu erzeugen. Die Gleichmäßigkeit der zu verbindenden Teile ist bei diesem Verfahren nicht so notwendig; die Bewegung des Teils während des Schweißens ist jedoch unerlässlich.

Die offensichtliche Einschränkung dieser beiden Verfahren ist die Beschränkung der Verbindungskonstruktion und der Bauteilgeometrie. Mindestens eines der zu verbindenden Teile muss eine Symmetrieachse haben und um diese Achse gedreht oder bewegt werden können.

Das Rührreibschweißen (FSW) ermöglicht die Herstellung von Stumpf- oder Überlappverbindungen in einem breiten Spektrum von Materialstärken und Längen. Beim FSW wird die Wärme durch das Reiben eines nicht verbrauchenden Werkzeugs auf dem zu verbindenden Substrat und durch die Verformung erzeugt, die durch das Hindurchführen des Werkzeugs durch das zu verbindende Material entsteht. Das rotierende Werkzeug erzeugt eine volumetrische Erwärmung, so dass beim Vorschub des Werkzeugs eine kontinuierliche Verbindung entsteht. Wie andere Arten von Reibschweißungen ist auch das FSW-Verfahren weitgehend in festem Zustand. Daher sind Rührreibschweißungen nicht anfällig für erstarrungsbedingte Defekte, die andere Schmelzschweißverfahren behindern können. Das FSW-Verfahren ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Die zu verbindenden Teile werden in der Regel in einer Stumpfkonfiguration angeordnet. Das rotierende Werkzeug wird dann mit den Werkstücken in Kontakt gebracht. Das Werkzeug besteht aus zwei grundlegenden Komponenten: der Sonde, die aus der Unterseite des Werkzeugs herausragt, und der Schulter, die einen relativ großen Durchmesser hat. Die Länge der Sonde ist in der Regel so ausgelegt, dass sie der Dicke der Werkstücke entspricht. Der Schweißvorgang wird eingeleitet, indem zunächst die rotierende Sonde in die Werkstücke eingetaucht wird, bis die Schulter in engem Kontakt mit der Oberseite des Bauteils steht. Reibungswärme wird erzeugt, wenn die rotierende Schulter unter Krafteinwirkung an der Oberfläche reibt. Sobald genügend Wärme erzeugt und in das Werkstück geleitet wurde, wird das rotierende Werkzeug nach vorne geschleudert. Das Material wird durch die Erwärmung der Schulter erweicht und von der Sonde über die Verbindungslinie transportiert, wodurch die Verbindung erleichtert wird.

Eine Einschränkung des FSW-Verfahrens ist die mechanische Stabilität des Werkzeugs bei Betriebstemperatur. Während des FSW-Verfahrens ist das Werkzeug nicht nur für die Erwärmung des Substratmaterials auf Schmiedetemperaturen verantwortlich, sondern auch für die mechanische Wirkung des Schmiedens. Daher muss das Werkzeugmaterial in der Lage sein, hohen Schmiedebelastungen und -temperaturen im Kontakt mit dem sich verformenden Substratmaterial standzuhalten, ohne dass es zu übermäßigem Verschleiß oder Verformung kommt. Aus diesem Grund werden für die meisten FSW-Anwendungen Werkstoffe mit niedrigen Schmiedetemperaturen verwendet. Die wichtigste Werkstoffklasse ist dabei Aluminium. Eine Reihe von praktisch allen Klassen von Aluminiumlegierungen wurden erfolgreich rührreibgeschweißt. Dazu gehören die Legierungen 1xxx, 2xx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx und 7xxx, sowie die neueren Al-Li-Legierungen. Jedes Legierungssystem ist metallurgisch unterschiedlich. Außerdem können verschiedene Legierungen innerhalb einer bestimmten Klasse unterschiedliche Schmiedeeigenschaften aufweisen. Folglich kann die Verarbeitung für jede Legierung unterschiedlich sein. Hochintegrierte Verbindungen können jedoch in allen Klassen erzielt werden.

Einige Anwendungen:

Aufgrund der potenziellen Vorteile gegenüber dem Lichtbogenschweißen in einigen Anwendungen, die mit diesem Verfahren verbunden sind, hat das FSW-Verfahren in vielen Bereichen der mit Aluminium arbeitenden Industrie Interesse gefunden. Zu den Vorteilen gehört die Möglichkeit, lange Schweißnähte in Aluminium herzustellen, ohne das Grundmaterial aufzuschmelzen. Dies bietet wichtige metallurgische Vorteile im Vergleich zum konventionellen Lichtbogenschweißen. Beim FSW-Schweißen kommt es nicht zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffs, was die Möglichkeit von Erstarrungsrissen ausschließt, die beim Lichtbogenschweißen einiger Aluminiumlegierungen häufig ein Problem darstellen. Zu den weiteren Vorteilen gehören: geringerer Verzug aufgrund der geringeren Erwärmung während des Schweißvorgangs; Beseitigung von Porositätsproblemen, die beim Lichtbogenschweißen von Aluminium eine Herausforderung darstellen; minimale Kantenvorbereitung, da Stumpfstöße in der Regel mit einer rechtwinkligen Stumpfvorbereitung ausgeführt werden; und das Fehlen von Schweißzusatzwerkstoffen wie Schutzgas oder Zusatzwerkstoff.

Das Rührreibschweißverfahren wird in der Luft- und Raumfahrt, bei Militärfahrzeugen, in der Luftfahrt, im Automobilbau, im Schiffbau, in der Schienenfahrzeugindustrie und höchstwahrscheinlich auch in anderen Bereichen eingesetzt bzw. geprüft.