Rührreibschweißen (FSW) erklärt: Prozess, Vorteile und Anwendungen

Was ist Rührreibschweißen?

Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein festkörperbasiertes Fügeverfahren, bei dem die durch ein rotierendes Werkzeug erzeugte Reibungswärme zwei aneinanderstoßende Werkstücke verbindet, ohne das Werkstückmaterial zu schmelzen. Wärme entsteht durch Reibung zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstückmaterial, was zu einem aufgeweichten Bereich nahe dem FSW-Werkzeug führt.

Während das Werkzeug entlang der Fugenlinie bewegt wird, mischt es die beiden Metallstücke mechanisch durch und verdichtet das heiße, aufgeweichte Metall durch den mechanischen Druck, den das Werkzeug ausübt – ähnlich wie beim Verbinden von Ton oder Teig.

Hauptsächlich wird es bei gewalzten oder stranggepressten Aluminiumlegierungen eingesetzt, besonders für Strukturen, die sehr hohe Schweißfestigkeit erfordern. FSW kann Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Titanlegierungen, Baustahl, Edelstahl und Magnesiumlegierungen verbinden.

Kürzlich wurde es erfolgreich beim Schweißen von Polymeren eingesetzt. Auch das Fügen ungleicher Metalle, wie Aluminium zu Magnesiumlegierungen, wurde kürzlich durch FSW realisiert. Anwendungen finden sich im modernen Schiffbau, Schienenfahrzeugbau und in der Luft- und Raumfahrt.

Funktionsprinzip

Der Fortschritt des Werkzeugs durch die Fuge, wobei die Schweißzone und der vom Werkzeugschulter beeinflusste Bereich dargestellt sind.

FSW wird mit einem rotierenden zylindrischen Werkzeug durchgeführt, das einen profilierten Stift (Pin) mit kleinerem Durchmesser als die Schulter aufweist. Beim Schweißen wird das Werkzeug in eine Stoßnaht zwischen zwei gespannten Werkstücke eingedrückt, bis der Stift in das Werkstück eindringt und die Schulter die Werkstückoberfläche berührt.

Der Stift ist etwas kürzer als die erforderliche Schweißtiefe, wobei die Werkzeugschulter auf der Werkstückoberfläche aufliegt. Nach kurzer Verweilzeit wird das Werkzeug mit der voreingestellten Schweißgeschwindigkeit entlang der Fugenlinie vorwärtsbewegt.

Reibungswärme entsteht zwischen dem verschleißfesten Werkzeug und den Werkstücken. Diese Wärme, zusammen mit der durch mechanisches Mischen erzeugten und der adiabatischen Wärme im Material, führt zur Aufweichung der gerührten Materialien ohne Schmelzen.

Beim Vorwärtsbewegen des Werkzeugs zwingt ein spezielles Profil am Stift das plastifizierte Material von der Vorderseite zur Rückseite, wo hohe Kräfte eine geschmiedete Verdichtung der Schweißnaht bewirken.

Dieser Prozess des Werkzeugdurchlaufs entlang der Schweißlinie in einem plastifizierten metallischen Rohr führt zu massiver festkörperbasierter Verformung mit dynamischer Rekristallisation des Basismaterials.

Der Prozess des Rührreibschweißens

Rührreibschweißen verwendet ein speziell konstruiertes Werkzeug, das mit hoher Geschwindigkeit über die zu verschweißenden Nähte rotiert. Während das Werkzeug über das Metall rotiert, entsteht Wärme zwischen ihnen. Diese Wärme bewirkt, dass die Metalle plastisch werden und ineinander übergehen. FSW kann zwei Fugenarten schweißen:

• Überlappnähte (Lap Joints)
• Stoßnähte (Butt Joints)

Das FSW-Werkzeug besteht aus zwei Teilen: Ein zylindrischer Teil (Schulter) rotiert auf der Naht, und ein profilierter Stift ragt von der Schulter aus.

Der Stift wird zunächst in die Naht gebohrt. Dann rotiert die Schulter auf dem Werkstück für eine bestimmte Zeit, bis eine optimale Temperatur erreicht und in die Materialien eingeleitet ist.

Anschließend bewegt sich das Werkzeug über die Naht, wodurch eine kontinuierliche Schweißnaht entsteht. Dies ist durch die volumetrische Erwärmung des Werkzeugs und das Mischen der Metallpartikel durch den profilierten Stift möglich. Vom Stift, der in den Arbeitsbereich eindringt und die aufgeweichten Partikel zum Verschmelzen wortwörtlich „rührt“, leitet sich der Name „Stir“ ab.

Anwendungen des Rührreibschweißens

Das FSW-Verfahren wurde ursprünglich von TWI in den meisten Industrieländern patentiert und an über 183 Nutzer lizenziert. Rührreibschweißen und seine Varianten (Rührreibpunkt-Schweißen und Rührreibbearbeitung) werden für folgende industrielle Anwendungen eingesetzt: Schiffbau und Offshore, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Schienenfahrzeuge, allgemeine Fertigung, Robotik und Computer.

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

Schiffbau: FSW wurde erstmals zum Schweißen hohler Aluminiumpaneele für Fischereiboote eingesetzt. Heute ist diese Schweißtechnik gängig beim Schweißen von Aluminium-Gefrierpaneelen für Schiffsrümpfe und -aufbauten. Da FSW minimale Verzug erzeugt, behalten Aluminiumpaneele auch bei langen Nähten ihre Form.

Luft- und Raumfahrt: Aluminium-Treibstofftanks in Raumfahrzeugen zur Lagerung von kryogenem Sauerstoff nutzen FSW. Die Fügetechnik verbindet die Kuppeln mit der zylindrischen Struktur dieser Tanks. Boeing setzte FSW im Interstage-Modul einer Delta-II-Rakete ein, die im August 1999 erfolgreich startete.

FSW wird auch zum Verbinden leichter Aluminiumrahmen in Flugzeugrümpfen genutzt, da die Technik eine deutlich leichtere Alternative zu Schrauben oder Nieten darstellt.

Schienenverkehr: FSW wird bei Hohlprofilen und T-Steifprofilen für Hochgeschwindigkeitszüge eingesetzt.

Automobilindustrie: Die Autoindustrie setzt auf Aluminium als optimales Material für Karosseriestrukturen und ist damit ein Hauptanwender der FSW-Technologie. Konventionelle Schweißverfahren können die hohen Toleranzen von FSW nicht reproduzieren. Die kurzen Schweißzeiten machen FSW attraktiver als andere Schweißverfahren für Aluminium.

Rührreibschweißen vs. Reibschweißen – der Unterschied

Mehrere Schweißverfahren nutzen Reibung zur Wärmeerzeugung, das bekannteste ist Reibschweißen. Beim typischen Reibschweißen entsteht Wärme zwischen zwei Werkstücken, indem eines relativ zum anderen an der Naht bewegt wird.

Die Reibung zwischen den beiden Oberflächen lässt sie schmelzen und verschmelzen.

Dies schränkt das Reibschweißen bei der Werkstückanordnung ein, da ein Werkstück mit hoher Geschwindigkeit durch lineare Hin- und Bewegung bewegt werden können muss.

Rührreibschweißen überwindet diese Einschränkung, indem die Werkstücke fixiert und das Werkzeug entlang der Naht bewegt wird, wodurch die Schweißnaht entsteht.

Vorteile des Rührreibschweißens

Die Vorteile resultieren aus der einzigartigen Schweißnaht ohne Verbrauchsmaterialien oder Schutzgastechniken. Dies verleiht der Naht folgende Eigenschaften:

• Die fertige Naht ist nahtlos und ästhetisch ansprechend
• Es können ansonsten schwer schweißbare Legierungen wie Aluminium der 2xxx- und 7xxx-Reihe verschweißt werden
• Vollautomatisierter Prozess
• Kein Flussmittel oder Schutzgas erforderlich
• Niedrige Spitzen temperaturen verhindern Schwindung und Porosität/Risse

Nachteile des Rührreibschweißens

• Komplizierte oder spezielle Vorrichtungsanordnungen erforderlich
• Es entsteht ein sichtbares Loch in den Schweißplatten (Austrittsloch des Stifts)
• Hohe Investitions- bzw. Rüstkosten
• Weniger flexibel im Vergleich zum Lichtbogenschweißen
• FSW kann keine Füllernähte herstellen
• Nicht schmiedbare Materialien können nicht geschweißt werden