Rührreibschweißen erklärt: Prozess, Vorteile und Anwendungen

Was ist Rührreibschweißen?

Rührreibschweißen (FSW – Friction Stir Welding) ist ein festphasiges Fügeverfahren, das Reibungswärme eines rotierenden Werkzeugs nutzt, um zwei gegenüberliegende Werkstücke zu verbinden, ohne das Werkstückmaterial zu schmelzen. Wärme entsteht durch Reibung zwischen rotierendem Werkzeug und Werkstückmaterial, was einen erweichten Bereich nahe dem FSW-Werkzeug erzeugt.

Während das Werkzeug entlang der Nahtlinie geführt wird, mischt es die beiden Metallstücke mechanisch und schmiedet das heiße, erweichte Metall durch den mechanischen Druck des Werkzeugs – ähnlich wie das Verbinden von Ton oder Teig.

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

Kürzlich erfolgreich bei Polymeren angewendet. Auch das Fügen ungleicher Metalle (z. B. Aluminium zu Magnesiumlegierungen) wurde kürzlich durch FSW realisiert. Anwendungen finden sich in modernem Schiffbau, Schienenfahrzeugen und Luft- und Raumfahrt.

Funktionsprinzip

Der Fortschritt des Werkzeugs durch die Naht, auch Darstellung der Schweißzone und des vom Werkzeugschulter beeinflussten Bereichs.

FSW wird mit einem rotierenden zylindrischen Werkzeug durchgeführt, das einen profilierten Stift mit kleinerem Durchmesser als die Schulter hat. Beim Schweißen wird das Werkzeug in eine Stoßnaht zwischen zwei gespannten Werkstücken eingetaucht, bis der Stift in das Werkstück eindringt und die Schulter die Werkstückoberfläche berührt.

Der Stift ist etwas kürzer als die erforderliche Schweißtiefe, die Schulter reitet auf der Werkstückoberfläche. Nach kurzer Verweilzeit wird das Werkzeug mit voreingestellter Schweißgeschwindigkeit entlang der Nahtlinie 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, lässt die gerührten Werkstoffe erweichen ohne zu schmelzen.

Während das Werkzeug vorwärtsbewegt wird, zwingt ein spezielles Profil am Stift das plastifizierte Material von der Vorderseite zur Rückseite, wo hohe Kräfte eine geschmiedete Konsolidierung der Schweißnaht bewirken.

Dieser Prozess des Werkzeugs entlang der Schweißlinie in einem plastifizierten röhrenförmigen Metallschaft führt zu severer festkörperlicher Verformung mit dynamischer Rekristallisation des Grundmaterials.

Der Rührreibschweißprozess

Rührreibschweißen nutzt ein speziell entwickeltes Werkzeug, das mit hoher Drehzahl über die zu verbindenden Nähte rotiert. Während das Werkzeug über das Metall rotiert, entsteht Wärme zwischen ihnen. Diese Hitze lässt die Metalle plastisch werden und ineinander verschmelzen. FSW kann zwei Nahtarten schweißen:

• Überlappnaht (Lap Joints)
• Stoßnaht (Butt Joints)

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

Der Stift wird zuerst in die Naht eingedrückt. Dann rotiert die Schulter auf dem Werkstück, bis eine optimale Temperatur erreicht und in die Materialien eingedrungen ist.

Dann bewegt sich das Werkzeug quer über die Naht, was eine kontinuierliche Schweißnaht erzeugt. Möglich durch volumetrische Erwärmung des Werkzeugs und Vermischung der Metallpartikel durch den profilierten Stift. Vom Stift stammt der Name „Rühren“ (Stir), da er die erweichten Partikel buchstäblich zum Verschmelzen umrührt.

Anwendungen des Rührreibschweißens

Der FSW-Prozess wurde von TWI in den meisten industrialisierten Ländern patentiert und an über 183 Nutzer lizenziert. Rührreibschweißen und seine Varianten Rührreibpunktschweißen und Rührreibverarbeitung werden für folgende industrielle Anwendungen genutzt: Schiffbau und Offshore, Luft- und Raumfahrt, Automobil, Schienenfahrzeuge, allgemeine Fertigung, Robotik, Computer.

FSW findet Anwendung in vielfältigen Industrien, die Aluminium nutzen.

Schiffbau: FSW wurde zuerst für hohle Aluminiumpaneele bei Fischerbooten genutzt. Heute gängig für Aluminium-Gefrierpaneele in Schiffsrumpf und -aufbau. Da FSW minimalen Verzug erzeugt, behalten Aluminiumpaneele auch bei langen Nähten ihre Form.

Luft- und Raumfahrt: Aluminiumtreibstofftanks in Raumfahrzeugen für kryogenen Sauerstoff nutzen FSW. Die Technik schweißt Kuppeln an die zylindrische Struktur dieser Tanks. Boeing nutzte FSW im Interstage-Modul einer Delta-II-Rakete mit erfolgreichem Start August 1999.

FSW verbindet auch leichte Aluminiumrahmen im Flugzeugrumpf – deutlich leichtere Alternative zu Schrauben oder Nieten.

Schienenverkehr: FSW an Hohlprofilen und T-Steifprofilen für Hochgeschwindigkeitszüge.

Automobilindustrie: Die Autoindustrie setzt auf Aluminium als optimales Material für Karosseriestrukturen – Hauptanwender von FSW. Konventionelle Schweißverfahren können Hochtoleranzteile wie FSW nicht reproduzieren. Kurze Schweißzeiten machen FSW attraktiver als andere Aluminiumschweißverfahren.

Rührreibschweißen vs. Reibschweißen – der Unterschied

Mehrere Schweißtechniken nutzen Reibung zur Wärmeerzeugung, die gängigste ist Reibschweißen. Beim typischen Reibschweißen entsteht Wärme zwischen zwei Werkstücken durch Relativbewegung an der Naht.

Die Reibung zwischen den Oberflächen lässt sie schmelzen und verschmelzen.

Dies limitiert Reibschweißen beim Werkstückaufbau, da ein Werkstück mit hoher Geschwindigkeit durch lineare Hin- und Bewegung bewegt werden muss.

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

Vorteile des Rührreibschweißens

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

• Nahtlose, ästhetische Oberfläche
• Schweißt sonst nicht schweißbare Legierungen wie Aluminium 2xxx und 7xxx
• Vollautomatisierter Prozess
• Kein Fluss oder Schutzmittel erforderlich
• Niedrige Spitzen Temperaturen verhindern Schwindung und Poren/Risse

Nachteile des Rührreibschweißens

• Komplizierte oder spezielle Spannvorrichtungen erforderlich.
• Sichtbares Loch in Schweißplatten (Austrittsloch des Stifts).
• Hohe Anfangs-/Investitionskosten.
• Weniger flexibel im Vergleich zum Lichtbogenschweißen.
• FSW kann keine Füllnähte machen.
• Nicht schmiedbare Materialien nicht schweißbar.