Was ist Rührreibschweißen? - Verfahren und Anwendung

Was ist Rührreibschweißen?

Rührreibschweißen (FSW) ist ein Festkörper-Fügeverfahren, das die von einem rotierenden Werkzeug erzeugte Reibungswärme nutzt, um zwei gegenüberliegende Werkstücke zu verbinden, ohne das Werkstückmaterial zu schmelzen. Durch Reibung zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstückmaterial wird Wärme erzeugt, was zu einem erweichten Bereich in der Nähe des FSW-Werkzeugs führt.

Während das Werkzeug entlang der Verbindungslinie bewegt wird, vermischt es mechanisch die beiden Metallstücke und schmiedet das heiße und erweichte Metall durch den mechanischen Druck, der durch das Werkzeug ausgeübt wird, ähnlich wie beim Verbinden von Ton oder Teig.

Es wird hauptsächlich für geschmiedetes oder extrudiertes Aluminium und insbesondere für Strukturen verwendet, die eine sehr hohe Schweißnahtfestigkeit erfordern. FSW kann Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Titanlegierungen, Weichstahl, Edelstahl und Magnesiumlegierungen verbinden.

In jüngerer Zeit wurde es erfolgreich beim Schweißen von Polymeren eingesetzt. Darüber hinaus wurde von FSW kürzlich das Verbinden von ungleichen Metallen wie Aluminium mit Magnesiumlegierungen erreicht. Die Anwendung von FSW findet sich im modernen Schiffbau, in Zügen und in Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Funktionsprinzip

Der Vorschub des Werkzeugs durch die Verbindung, wobei auch die Schweißzone und der von der Werkzeugschulter betroffene Bereich angezeigt werden

Die FSW wird mit einem rotierenden zylindrischen Werkzeug durchgeführt, das einen profilierten Stift hat, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Schulter. Beim Schweißen wird das Werkzeug in eine Stoßfuge zwischen zwei eingespannte Werkstücke eingeführt, bis die Sonde in das Werkstück einsticht und die Schulter die Oberfläche der Werkstücke berührt.

Die Sonde ist etwas kürzer als die erforderliche Schweißtiefe, wobei die Werkzeugschulter auf der Arbeitsfläche ruht. Nach kurzer Verweilzeit wird das Werkzeug mit der voreingestellten Schweißgeschwindigkeit entlang der Fügelinie vorwärts bewegt.

Zwischen dem verschleißfesten Werkzeug und den Werkstücken entsteht Reibungswärme. Diese Wärme, zusammen mit der durch den mechanischen Mischprozess und die adiabatische Wärme innerhalb des Materials, bewirkt, dass die gerührten Materialien weich werden, ohne zu schmelzen.

Wenn das Werkzeug nach vorne bewegt wird, drückt ein spezielles Profil an der Sonde plastifiziertes Material von der Vorderfläche nach hinten, wo die hohen Kräfte zu einer geschmiedeten Konsolidierung der Schweißnaht beitragen.

Dieser Vorgang, bei dem das Werkzeug entlang der Schweißnaht in einem plastifizierten rohrförmigen Schaft aus Metall verfahren wird, führt zu einer starken Festkörperverformung, die eine dynamische Rekristallisation des Grundmaterials beinhaltet.

Der Prozess des Rührreibschweißens

Beim Rührreibschweißen wird ein speziell entwickeltes Werkzeug verwendet, das mit hoher Geschwindigkeit über die zu verschweißenden Nähte rotiert. Wenn sich das Werkzeug über dem Metall dreht, entsteht zwischen ihnen Wärme. Durch diese Hitze werden die Metalle plastisch und verschmelzen miteinander. Beim Rührreibschweißen können zwei Arten von Verbindungen geschweißt werden:

• Überlappungsgelenke
• Stoßverbindungen

Das zum Rührreibschweißen verwendete Werkzeug ist zweiteilig. Ein zylindrischer Teil, der als Schulter bezeichnet wird, dreht sich auf der Naht, und ein profilierter Stift erstreckt sich von der Schulter.

Der Stift wird zuerst in die Naht gebohrt. Dann dreht sich die Schulter für eine bestimmte Zeit auf dem Werkstück, bis eine optimale Temperatur erreicht und von den Materialien absorbiert wird.

Dann bewegt sich das Werkzeug über die Naht, wodurch eine durchgehende Schweißnaht entsteht. Möglich wird dies durch die vom Werkzeug erzeugte volumetrische Erwärmung und die Durchmischung der Metallpartikel durch den Profilstift. Es stammt von der profilierten Nadel, die in den Arbeitsbereich gelangt, wo sie den Namen „Rühren“ erhält, da die Nadel die erweichten Partikel buchstäblich umrührt, um sie zu verschmelzen.

Anwendungen des Rührreibschweißens

Das FSW-Verfahren wurde ursprünglich von TWI in den meisten Industrieländern patentiert und für über 183 Benutzer lizenziert. Rührreibschweißen und seine Varianten Rührreibpunktschweißen und Rührreibverarbeitung werden für die folgenden industriellen Anwendungen eingesetzt:Schiffbau und Offshore, Luft- und Raumfahrt, Automobil, Schienenfahrzeuge, allgemeine Fertigung, Robotik und Computer.

Rührreibschweißen findet Anwendung in einer Vielzahl von Branchen, die Aluminium verwenden.

Schiffbau: FSW wurde erstmals zum Schweißen von hohlen Aluminiumplatten für Fischerboote verwendet. Heutzutage ist diese Schweißtechnik beim Schweißen von Gefrierplatten aus Aluminium üblich, die im Rumpf und Rumpf von Schiffen verwendet werden. Da FSW nur ​​minimale Verformungen erzeugt, behalten Aluminiumplatten auch bei langen Schweißnähten ihre Form.

Luft- und Raumfahrt: Aluminiumkraftstofftanks, die in Raumfahrzeugen zum Speichern von kryogenem Sauerstoff verwendet werden, verwenden FSW. Die Verbindungstechnik schweißt die Dome an die zylindrische Struktur, aus der diese Kraftstofftanks bestehen. Boeing verwendete FSW im Interstage-Modul einer Delta-II-Rakete, die im August 1999 erfolgreich abhob.

FSW wird auch verwendet, um leichte Aluminiumrahmen zu verbinden, die im Flugzeugrumpf zu sehen sind. Denn die Technik bietet eine viel leichtere Alternative zum Schrauben oder Nieten.

Eisenbahn: Das Rührreibschweißen findet seine Anwendung bei Hohlprofilen und T-Stiffener-Extrusionen zur Herstellung von Hochgeschwindigkeitszügen.

Automobilindustrie: Die Automobilindustrie hat sich Aluminium als optimales Material für die Herstellung von Autochassis zugewandt. Daher ist es einer der wichtigsten Anwender der FSW-Technologie. Herkömmliche Schweißverfahren können keine Teile mit hohen Toleranzen wie die von FSW reproduzieren. Die schnellen Schweißzeiten von FSW machen es auch attraktiver als andere Schweißformen für Aluminium.

Rührreibschweißen vs. Reibschweißen – der Unterschied

Mehrere Schweißtechniken verwenden Reibung, um Wärme zu erzeugen, und unter ihnen ist das Reibungsschweißen die gebräuchlichste. Bei einem typischen Reibschweißverfahren wird die Wärme zwischen den beiden Werkstücken erzeugt, indem ein Werkstück an den Nähten relativ zum anderen bewegt wird.

Durch die Reibung zwischen den beiden Oberflächen schmelzen und verschmelzen sie.

Dies schränkt das Reibschweißen jedoch bei der Werkstückeinrichtung ein, da es in der Lage sein muss, ein Werkstück mit hohen Geschwindigkeiten durch lineare Hin- und Herbewegung zu bewegen.

Das Rührreibschweißen überwindet diese Einschränkung, indem es die Werkstücke an Ort und Stelle fixiert und dann das Werkzeug entlang der Naht bewegt, wodurch die Schweißnaht im Prozess entsteht.

Vorteile des Rührreibschweißens

Die Vorteile des Rührreibschweißens ergeben sich aus seiner einzigartigen Schweißnaht, bei der keine Verbrauchsmaterialien oder Abschirmelementtechniken verwendet werden. Dies verleiht der Schweißnaht die folgenden Eigenschaften:

• Die fertige Schweißnaht ist nahtlos und ästhetisch
• Es kann ansonsten unhandliche Legierungen wie die Aluminium 2xxx- und 7xxx-Reihe schweißen
• Vollautomatischer Prozess
• Kein Flussmittel oder Abschirmmittel erforderlich
• Niedrige Spitzentemperaturen verhindern Schrumpfung und Porosität der Risse

Nachteile des Rührreibschweißens

• Komplizierte oder spezielle Vorrichtungsanordnung erforderlich.
• Erzeugt ein sichtbares Loch in Schweißplatten.
• Hohe Anfangs- oder Einrichtungskosten.
• Es ist im Vergleich zum Lichtbogenschweißverfahren weniger flexibel.
• FSW kann keine Füllfugen herstellen.
• Nicht schmiedbares Material kann nicht geschweißt werden.