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Potenziale zur Standzeiterhöhung von Rührreibschweißwerkzeugen

Goldmedaille auf der Erfindermesse iENA

Ein Goldregen ging auf der letztjährigen Erfindermesse iENA auf Forschende von der Technischen Universität (TU) Ilmenau nieder. Eine Goldmedaille ging an ein Forscherteam, das sich mit Rührreibschweißen beschäftigt hat. Michael Hasieber, Martin Sennewald und Jean Pierre Bergmann von der Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Fertigungstechnik, an der TU stellen ihre Erfindung vor.

Potenziale zur Standzeiterhöhung von Rührreibschweißwerkzeugen

Prof. Dr. Jean-Pierre Bergmann, M.Sc. Martin Sennewald, M. Sc. Michael Hasieber (nicht auf dem Foto) und M.Sc. Konstantin Szallies wurden für ihre Erfindung „Verfahren zur Herstellung von Rührreibschweißstiften durch Umformung mittels eines Walzprozesses“ ausgezeichnet. | Foto:©PATON-PTH Jens Dahlems

​Steigende Anforderungen an die Fügetechnik hinsichtlich der Bauteilkomplexität, Leichtbau und die Verwendung neuartiger Werkstoffe und Legierungen erfordern die Erforschung und Weiterentwicklung von technologisch geeigneten Schweißverfahren. Eine aussichtsreiche Alternative zu konventionellen Schweißverfahren stellt das Verfahren des Rührreibschweißens dar. Funktionselement dieser Technologie ist ein aus Schulter und Schweißstift bestehendes Werkzeug, das durch Rotation und Druck einen auf Reibung basierenden Wärmeeintrag generiert. Durch diesen wird der Werkstoff plastifiziert und durch das Rührreibschweißwerkzeug extrudiert, wobei die Werkstoffe unterhalb der Schmelztemperatur gefügt werden. Der Verfahrensablauf des Rührreibschweißens wird in Eintauch-, Verweil-, Schweiß- und Rückzugsphase unterteilt.

Ablauf des Rührreibschweißens

Zu Beginn der Eintauchphase wird das Rührreibschweißwerkzeug in Rotation versetzt und unter konstanter Kraft solange in die Verbindungszone gedrückt bis die Schulter die Oberfläche der Bauteile erreicht. Im Anschluss folgt die Verweilphase. Hierbei handelt es sich um den Zeitabstand zwischen dem Aufliegen der Schulter auf der Werkstückoberfläche und dem Beginn der Schweißphase. In der sich anschließenden Schweißphase wird das Werkzeug entlang der Stoßflächen geführt. Aus der kombinierten Dreh- und Vorschubbewegung des Werkzeuges wird ein örtliches Verformen des zu fügenden Werkstoffes und daraus resultierend eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Nach der Schweißphase erfolgt die Rückzugsphase, in der das Werkzeug aus der Fügezone entfernt wird. Hierbei entsteht ein prozesstypischer Negativabdruck des Werkzeuges, der als Endloch bezeichnet wird.

Das Rührreibschweißen ist hinsichtlich seiner Funktionsweise einzigartig und bietet gegenüber konventionellen Schmelzschweißverfahren zahlreiche Vorteile. Hierzu zählen insbesondere bei Verwendung von Aluminiumlegierungen das Unterbinden von Poren und Heißrissen, reduzierter Verzug, sowie mechanische Schweißnahteigenschaften im Bereich des Grundwerkstoffs. Die Anwendung unterliegt jedoch verfahrensspezifischen Herausforderungen wie vorzeitigem Werkzeugversagen aufgrund erhöhter Prozesskräfte oder prozessbedingtem Verschleiß.

Anwendung der Rührreibscheißwerkzeuge

Die am Fachgebiet Fertigungstechnik der TU Ilmenau verfolgten Forschungsschwerpunkte setzen hier mit der einer belastungsorientierten und verschleißreduzierenden Auslegung von Rührreibschweißwerkzeugen an. So erfolgt im Rahmen der belastungsorientierten Auslegung die Ermittlung der auf das Werkzeug wirkenden Kräfte und Momente. Diese führen im Betrieb zu einer zeitlichen Schädigung und damit zum Versagen. Gelingt es an dieser Stelle, die Schädigung auf Grundlage der im Prozess wirkenden Kräfte und Momente modellhaft zu beschreiben, kann der Versagenszeitpunkt vorabgeschätzt werden. Hierfür erfolgt eine analytische Betrachtung der Schweißstiftschädigung auf Grundlage des Betriebsfestigkeitsnachweises. Im Rahmen des Betriebsfestigkeitsnachweises kann dieser weiterverarbeitet werden. Dadurch lässt sich mithilfe einer Schadensakkumulation eine Teilschädigung des Werkzeugs ermitteln.

Die Schädigung der auftretenden Lastkollektive ermöglicht die Schätzung der Lebensdauer des Rührreibschweißwerkzeuges. Eine wissenschaftlich fundierte Dimensionierungsstrategie erweitert die bisherige empirische Auslegungsmethode, um vorzeitiges Werkzeugversagen zu verringern.

Zusätzlich zu einer belastungsorientierten Auslegung der Rührreibschweißwerkzeuge erfolgt am Fachgebiet Fertigungstechnik die fundierte Charakterisierung der Verschleißeigenschaften sowie die gezielte Einleitung von Maßnahmen zur Verschleißprävention. Zur ganzheitlichen Betrachtung sowie zur Ermittlung von Bereichen mit erhöhtem Werkzeugverschleiß werden in einem ersten Schritt geometrische Abweichungen am Rührreibschweißwerkzeug unter Anwendung der Streifenlichtprojektion identifiziert.

Im Vergleich zum unverschlissenen Zustand (0 m) ist an den dargestellten 3D Modellen nach einer Gesamtschweißlänge von 500 m ein erheblicher Verschleiß zu erkennen. Die verschleißbedingte Durchmesserreduzierung am Schweißstift stellt hierbei das versagensrelevante Kriterium dar. Durch die ermittelten geometrischen Abweichungen und Verschleißbereiche können Maßnahmen zur Formoptimierung und Standzeiterhöhung an Rührreibschweißwerkzeugen bedarfsgerecht umgesetzt werden.

Effizienzvorteile des Verfahrens

Unter Berücksichtigung von verschleißpräventiven und belastungsorientierten Aspekten der Werkzeugauslegung erfolgte die aufbauende Anmeldung einer Patentschrift. Hierbei werden die Schweißstifte, die für gewöhnlich spanend gefertigt werden, unter Anwendung des Kalt-Massivumformens hergestellt. Durch die vorteilhafte Beeinflussung der Mikro- und Makrogeometrie ist es möglich, die Verschleiß- und Bruchanfälligkeit ohne zusätzliche durchmesserbezogene Dimensionierung der Werkzeuge zu verringern. Die damit verbundene Erhöhung der maximal ertragbaren Standzeiten führt hierbei gleichermaßen zu einer weiteren Steigerung der Prozess und Ressourceneffizienz sowie zu einer effizienten Ausnutzung von vergleichsweise kosten- und ressourcenintensiven Werkzeugwerkstoffen.

Die Vorhaben „Charakterisierung der geometrischen Verschleißeigenschaften von Rührreibschweißwerkzeugen und Entwicklung einer Methodik zur Abschätzung des maximal ertragbaren Verschleißes – FSWear“ (IGF-Forschungsvorhaben 21.624BR / FE1 / DVS-Nr. 05.3367) und „Dimensionierung von Rührreibwerkzeugen auf Basis dynamischer Werkzeug/Werkstoff-Wechselwirkungen und Prozessführung – DIM FSW“ (IGF-Forschungsvorhaben 22.074BR / FE1 / DVS-Nr. 05.3456) der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren des DVS wurde durch die AiF im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (iGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dank gilt allen Mitwirkenden und den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses für die Unterstützung bei der Durchführung des Vorhabens.

www.tu-ilmenau.de

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