Reibschweißen erklärt: Prozess, Vorteile und Anwendungen

Was ist Reibschweißen?

Reibschweißen ist ein festkörperbasiertes Schweißverfahren, bei dem Werkstücke durch Erhitzung mittels mechanischer Reibung zwischen sich relativ zueinander bewegenden Werkstücken unter Zusatz einer seitlichen Kraft („Upset“) zum plastischen Fließen und Fügen gebracht werden.

Da kein Schmelzen erfolgt, ist Reibschweißen kein Schmelzschweißverfahren, sondern eine festkörperbasierte Schweißtechnik, die dem Schmiedeschweißen ähnelt. Reibschweißen wird mit Metallen und Thermoplasten in vielfältigen Luftfahrt- und Automobilanwendungen eingesetzt.

Tatsächlich besteht eine scheinbar glatte Oberfläche aus vielen mikroskopischen Erhebungen, sogenannten Asperitäten. Wenn sich eine Oberfläche relativ zu einer anderen bewegt, interagieren diese Asperitäten und erzeugen Reibung – die Kraft, die der Bewegung zwischen zwei oder mehr interagierenden Oberflächen entgegenwirkt.

Die Interaktion dieser Asperitäten durch elastisches und plastisches Fließen erzeugt Wärme. Reibschweißen nutzt dieses Phänomen für Fügeanwendungen. Die induzierte mechanische Bewegung erzeugt Wärme, wodurch die zu verbindenden Materialien erweichen und viskos werden. Im erweichten Zustand mischt die mechanische Bewegung des Prozesses die Materialien zu einer Verbindung.

Die Art, wie Reibungswärme und Materialmischung entstehen, hängt stark vom verwendeten Reibschweißverfahren ab, von denen es vier Hauptvarianten gibt: Rührreibschweißen (FSW), Rührreibpunktschweißen (FSSW), Lineares Reibschweißen (LFW) und Rotationsreibschweißen (RFW).

Wie funktioniert Reibschweißen?

FSW arbeitet mit einem nicht verbrauchenden Werkzeug, das rotiert und in die Grenzfläche zweier Werkstücke eingetaucht wird. Das Werkzeug wird dann durch die Grenzfläche bewegt, und die Reibungswärme lässt das Material erweichen und aufweichen.

Das rotierende Werkzeug mischt das aufgeweichte Material mechanisch, um eine Verbindung zu erzeugen. FSSW ist eine FSW-Variante und funktioniert durch Rotieren, Eintauchen und Zurückziehen eines nicht verbrauchenden Werkzeugs in zwei Überlappnaht-Werkstücke zur Erzeugung eines „Punktschweißes“. Beim FSSW erfolgt kein Durchlaufen des Werkzeugs durch die Werkstücke.

LFW und RFW benötigen kein nicht verbrauchendes Werkzeug; die einzelnen zu verbindenden Werkstücke erzeugen selbst die Reibungswärme und mechanische Mischung. LFW funktioniert durch lineares Oszillieren eines Werkstücks relativ zum anderen unter Druckkraft.

Die Reibung zwischen den oszillierenden Oberflächen erzeugt Wärme, wodurch das Grenzflächenmaterial erweicht und sich mechanisch mischt. RFW ähnelt LFW, jedoch sind die Werkstücke oft rund und werden gegeneinander rotiert. Bei LFW und RFW verkürzen sich die Werkstücke typischerweise in Richtung der Druckkraft („Burn-off“), wobei der Schweißwulst (Flash) entsteht.

Während des Burn-off werden Grenzflächenverunreinigungen wie Oxide und Fremdpartikel in den Wulst ausgeschleust. Einmal frei von Verunreinigungen, erfolgt reines Metall-auf-Metall-Mischen, was zu einer integralen Verbindung führt. Obwohl die erzeugten Temperaturen sehr hoch sind, bleibt der Werkstoff im festen Zustand (kein Schmelzen).

Anwendungen

Reibschweißen kann zur Herstellung besserer Industriwalzen, Rohre und Wellen eingesetzt werden. Das Verfahren wird häufig für diese Baugruppen in Industriedruckern, Fördertechnik sowie Automobil-, Luftfahrt-, Schiffs- und Ölanwendungen verwendet.

Weitere Komponentenbeispiele: Zahnräder, Achswellen, Antriebsstränge, Ventile, Hydraulikkolbenstangen, LKW-Rollenbuchsen, Pumpenwellen, Bohrköpfe, Pleuelstangen etc.

Vorteile des Reibschweißens

• Ermöglicht Fügen ungleicher Materialien, die mit anderen Verfahren nicht schweißbar sind
• Erzeugt schmale Wärmeeinflusszone
• Konsistenter, reproduzierbarer Prozess mit vollständiger Metallverschmelzung
• Minimale Nahtvorbereitung – Sägeschnittflächen am häufigsten
• Kürzere Durchlaufzeiten – im Vergleich zu langen Lieferzeiten von Schmiedeteilen (aktuell 6 Monate oder mehr)
• Erhöht Designflexibilität – passendes Material für jeden Bereich eines Rohlings wählbar
• Für diverse Stückzahlen geeignet – von Einzelprototypen bis Großserien
• Keine Flussmittel, Zusatzwerkstoffe oder Gase erforderlich
• Umweltfreundlicher Prozess – keine Dämpfe, Gase oder Rauch
• Festkörperprozess – keine Porosität oder Schlackeneinschlüsse möglich
• Erzeugt guss- oder schmiedeähnliche Rohlinge – ohne teure Werkzeuge oder Mindestmengen
• Reduziert Bearbeitungsaufwand, senkt Verbrauchswerkzeugkosten und erhöht Kapazität
• Vollflächige Naht gibt überlegene Festigkeit in kritischen Bereichen
• Senkt Rohstoffkosten bei Bimetall-Anwendungen. Teure Materialien nur dort eingesetzt, wo nötig

Nachteile des Reibschweißens

• Nur für Rundstäbe gleichen Querschnitts einsetzbar
• Begrenzt auf winklige und flache Stoßnähte
• Sehr hohe Rüstkosten
• Werkstückvorbereitung schwierig
• Nicht schmiedbare Materialien nicht schweißbar
• Nur für kleinere Maschinenteile nutzbar; große Teile nicht kompatibel

Reibschweißen Video