Reibschweißen – Arbeitsweise: Schritt-für-Schritt für Profis

Reibschweißen erfordert prozesssichere Durchführung durch qualifiziertes Personal. Obwohl das Prinzip einfach ist, entscheiden Parameterdisziplin und Oberflächenvorbereitung über Nahtqualität. Dieser Artikel beschreibt den Arbeitsablauf für das Rotationsreibschweißen (häufigste Variante) professionell.

Arbeitsablauf Rotationsreibschweißen

1. Vorbereitung & Vorbehandlung

• Werkstückprüfung: Maßhaltigkeit (Länge, Durchmesser, Planparallelität der Stirnflächen), Werkstoffzertifikat (Chargenrückverfolgbarkeit), Sauberkeit (frei von Öl, Fett, Farbe, Oxiden, Graten).
• Oberflächenbearbeitung: Stirnflächen drehen/fräsen (Ra ≤ 3,2 µm, Planheit ≤ 0,02 mm). Keine scharfen Kanten (Gratanhaftung).
• Aufspannen: Ein Werkstück in angetriebener Spannzange (Rotorspindel), Gegenstück in festem Gegenlager (Tailstock). Zentrizität prüfen (Laufausschlag < 0,05 mm).
• Prozessparameter laden: Rezept (Drehzahl n, Reibdruck p₁, Reibzeit t₁ / Reibweg s₁, Upset-Druck p₂, Upset-Weg s₂, Haltezeit t₃) aus qualifizierter WPS (Welding Procedure Specification) laden.

2. Reibphase (Friction Phase)

1. Anfahren: Spindel beschleunigt auf Soll-Drehzahl (n = 500–5000 min⁻¹, werkstoff-/durchmesserabhängig).
2. Kontakt & Reibdruck (p₁): Werkstücke berühren sich → Axialkraft auf Reibdruckwert (10–100 MPa) gebracht.
3. Reibung & Aufheizen: Relative Bewegung erzeugt Reibwärme an der Grenzfläche. Temperatur steigt auf 0,7–0,9 T_Solidus (Stahl: 900–1300 °C). Material wird plastisch.
4. Selbstreinigung: Oxide, Verunreinigungen werden durch plastischen Fluss radial nach außen gedrückt (Flash-Bildung).
5. Temperaturüberwachung: Indirekt über Drehmoment (M ~ Reibkraft × Radius) oder Weg (Längenverkürzung durch Upsetting). Bei Erreichen Soll-Weg/Zeit/Soll-Drehmoment: Phase 3.

3. Upsetting-Phase (Forge Phase / Upsetting)

1. Stopp: Spindel bremst kontrolliert ab (Bremsmoment) → Stillstand.
2. Kraftramp: Axialkraft wird rasch (0,1–0,5 s) auf Upset-Druck (p₂ = 2–5 × p₁, typ. 200–500 MPa) erhöht.
3. Upsetting: Plastisches Material fließt axial & radial → Nahtvolumen verdichtet, Flash gebildet, metallurgische Bindung durch Diffusion & Verhakung.
4. Wegüberwachung: Gesamtverkürzung (Burn-off Length) = Maß für Nahtqualität. Sollwert ± Toleranz überwachen.
5. Halten: Upset-Druck für Haltezeit (t₃ = 1–5 s) halten → Nachdiffusion, Spannungsentspannung.

4. Nachbehandlung & Prüfung

• Entspannen: Druck abbauen, Werkstück entspannen (evtl. Warmumformen bei Restwärme).
• Flash-Entfernung: Aufgepresstes Material (Flash) drehen/fräsen/schleifen (oft in zweiter Aufspannung oder integriert).
• Sichtprüfung: Flash-Form (gleichmäßig, ringsum), Risse, Ausbrüche.
• Prozessdaten-Protokoll: Ist-Werte (n, p₁, t₁, s₁, p₂, s₂, t₃, Drehmomentverlauf, Kraft-Weg-Diagramm) speichern (Rückverfolgbarkeit).
• Prüfung: ZfP (UT Phased Array, ET, VT), mechanisch (Zug, Biege, Kerbschlag) nach Prüfplan / Norm (ISO 15620, AWS C6.4, firmenspezifisch).

Kritische Erfolgsfaktoren

• Saubere, plane, parallele Stirnflächen (Voraussetzung für gleichmäßige Reibung).
• Prozessstabile Maschine (Steifigkeit, Drehzahlkonstanz, Kraftrampen, Regelgüte).
• Qualifiziertes WPS (Parameterfenster validiert durch Zerstörungsprüfung).
• Überwachung der Burn-off Length (sensitivster Qualitätsindikator).
• Werkstoffkombinationen prüfen: Diffusionsverhalten, Bilden spröder Phasen (z. B. Al-Fe → Al₅Fe₂, Al₁₃Fe₄).

Reibschweißen ist ein hochreproduzierbares Verfahren – wenn die Randbedingungen (Vorbereitung, Parameter, Maschine, Personal) beherrscht werden. Die Investition in Prozessqualifizierung (WPS/WPQR) und Überwachungstechnik zahlt sich durch Ausschussvermeidung und Zertifizierbarkeit aus.