Rührreibschweißen – ein Schweißverfahren für hervorragende Nahtqualitäten

Rührreibschweißen – ein Schweißverfahren für hervorragende Nahtqualitäten

Bei dem Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) handelt es sich um ein innovatives Pressschweißverfahren. Entwickelt wurde dies im Jahr 1991 am TWI (The Welding Institut) in Großbritannien, wo es zugleich patentiert wurde. Innerhalb weniger Jahre hat dieses Verfahren bereits Eingang in die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete gefunden – insbesondere in allen Bereichen der Mobilität.

Das Interesse an diesem Verfahren nahm zu, nachdem das Ursprungspatent seine Gültigkeit verloren hat. Seitdem wird es in den unterschiedlichsten Fertigungsfeldern eingesetzt. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass ein Verschweißen von Werkstoffen in einem duktilen Zustand ohne Erzeugung einer Schmelze ermöglicht. Bei diesem Verfahren dreht sich ein Werkzeug, welches die Bauteile durch Reibwärme und Druck miteinander verbindet.

Die Anwendungen des Rührreibschweißen

Hauptsächlich kommt das Verfahren in der Industrie zum Einsatz, um Aluminiumlegierungen aller Zusammensetzungen und Verarbeitungsarten zusammenzufügen. Das heißt, mit dem Rührreibschweißen können gegossene, gewalzte oder stranggepressten Aluminiumbauteile „verschweißt“ werden.

Im Grunde ist das Verfahren einfach und schnell erklärt: Durch die Verbindungsnaht zweier Werkstücke fährt ein rotierendes Spezialwerkzeug, wobei die Werkzeugschulter auf der Fügestelle reibt. Durch die Rotation und den dabei ausgeübten Druck entsteht eine Reibungswärme, durch welche das Material formbar wird. Das Werkzeug verrührt auf seinem Weg entlang der Naht das Material der beiden Werkstücke und drückt dieses zugleich zusammen, sodass eine Verbindung entsteht.

Die Geschichte des Rührreibschweißen

Es war Wayne Thomas im Jahr 1991, der am TWI das Rührreibschweißen erfunden hat und meldete in Europa, Japan, Australien und den USA zum Patent angemeldet. 1992 gab es weitere Arbeiten zur Untersuchung des Verfahrens am TWI mit dem industriellen Gemeinschaftsprojekt GSP 5651 mit dem Titel „Entwicklung der neuen Rührreibtechnik zum Schweißen von Aluminium“ durchgeführt. Bereits Mitte der 1990er-Jahre lief die industrielle Produktion mit FSW an. Dies ist einer der kürzesten Zeiträume, in dem ein Schweißverfahren von der Erfindung bis zur breiten Anwendung entwickelt wurde.

Die Vor- und Nachteile des Rührreibschweißens

Die Vorteile:

  • Geringe Anforderungen an die Oberflächenreinheit. Eine Reinigung der Oberfläche der zu schweißenden Teile ist nicht erforderlich. Die Seitenflächen können auch ungereinigt sein. Dies spart ebenfalls erheblich Zeit für Hilfsarbeiten.
  • Möglichkeit zum Schweißen verschiedener Metalle. Das Schweißverfahren ermöglicht das Schweißen sowohl von Legierungen als auch von Metallen gleichen Namens und ungleichen Legierungen. Außerdem sind hier andere Schweißverfahren nutzlos. So ist es beispielsweise möglich, Stahl mit Aluminium, Kupfer; Aluminium mit Kupfer, Titan und so weiter miteinander zu verbinden.
  • Hygienisches Verfahren. Das Schweißverfahren schneidet im Vergleich zum Fehlen von ultravioletter Strahlung günstig ab.

Die Nachteile:

  • Reibrührschweißen (FSW) bietet eingeschränkte Anwendbarkeit
  • sperriges Equipment
  • eingeschränkte Verbindungsfläche

Anwendungsbereiche des Reibrührschweißens

Besonders im Maschinenbau ist dieses „Schweißverfahren“ sehr weit verbreitet und dort vor allem im Werkzeugbau. Auch bei der Montage von Einbauten und Kernreaktoren ist das Verfahren üblich. Beliebt ist das Reibbonden von Werkstücken aus Aluminium- und Magnesiumlegierungen in:

  • Elektronik
  • Luft- und Raumfahrt und
  • Elektrotechnik

Auch in der Verkehrstechnik ist diese Technologie üblich. Bekannt ist diese radiale Methode auch für die Herstellung von Geräten für die Berg- und Verarbeitungsindustrie.

Außerdem kommt das Reibrührschweißen zum Einsatz, wenn es darum geht, in Gussgefügen die Eigenschaften lokal zu verbessern und die Poren zu schließen. Häufig wird vom FSP, dem Friction Stir Processing gesprochen. Das sogenannte LAFSW-Schweißen ist eine Variante des Reibrührschweißens. Dabei kommt ein Laserstrahl zum Einsatz. Dieser befindet sich unmittelbar vor dem rotierenden Werkzeug und bringt zusätzliche Wärmeenergie ein.

Die vertikale Kraft, die beim Eintauchen des Werkzeugs in das Werkstück erforderlich ist, verringert werden, wobei zugleich die Schweißgeschwindigkeit erhoeht. Das LAFSW-Schweißen verursacht durch den Laser jedoch höhere Kosten.

Welche Werkstoffe können verschweißt werden?

Zum Fügen von Blechen mit einer Tiefe von mehr als 30 mm eignet sich das Rührreibschweißen hervorragend. Die hohe Prozesskraft ist eine der Herausforderungen dieses Verfahrens, die durch den hohen Anpressdruck bei gleichzeitiger Rotationsbewegung entsteht. Aufgrund dessen, dass sich die erzielbaren Einschweißtiefen mit zunehmender Festigkeit verringern, und ist somit vor allem zum Fügen von Aluminium-Bauteilen prädestiniert. Aber auch Mischverbindungen aus Aluminium und Stahl sowie Metallschäume werden mit diesem Verfahren verschweißt.

Selbst schwer schweißbare oder artfremde Werkstoffe können verfügt werden. Dazu gehören auch Magnesium, Kupfer und Titan.

Fazit: Reibrührschweißen erreicht gute Nahtqualitäten

Im Vergleich zu den konventionellen Schweißverfahren werden mit dem Reibrührschweißen sehr gute Nahtqualitäten erreicht, da der Wärmeeintrag in die Fügepartner verhältnismäßig gering ist. Das Verfahren bietet neben den vielen Vorteilen hinsichtlich der Robustheit, Verzug, Nahtvorbereitung und Abschirmung die Möglichkeit, unterschiedliche Legierungen in verschiedenen Dicken miteinander und ohne Schweißzusatzwerkstoffe zu fügen.

Aber dennoch gibt es einen Nachteil und dieser resultiert aus dem hohen Kraftbedarf, mit dem das Werkzeug die beiden Fügepartner zusammenpresst. Daher wird häufig auf Sonderschweißanlagen zurückgegriffen, die aufgrund der sehr steifen Bauweise diese Kräfte bereitstellen können. Je nach Anwendung liegen diese im ein- bis zweistelligen kN-Bereich.

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