Thu, 17 March, 2022
Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) wurde 1991 am TWI von Wayne Thomas und seinem Team erfunden, die an Innovationen im Bereich der Pressschweißverfahren arbeiteten. Nur 5 Jahre nach seiner Erfindung wurde das FSW-Verfahren von der Schifffahrtsindustrie und kurz darauf von der Raumfahrtindustrie für Raketentreibstofftanks übernommen.
Dieses neue Fügeverfahren kombinierte verbesserte Effizienz und Qualität mit geringeren Kosten. Dies ermöglichte eine höhere Produktivität bei einer Vielzahl von Fügeanwendungen und führte zu einer breiten Akzeptanz in der Industrie, z.B. für Hochgeschwindigkeitszüge, Computer, Flugzeugrümpfe und Batteriewannen für Elektrofahrzeuge.
TWI hat die Entwicklung von FSW-Verfahren und -Werkzeugen kontinuierlich unterstützt und damit Innovationen wie das FSW von Stahl- und Titanlegierungen, Hochgeschwindigkeitsschweißen und dreidimensionale Verbindungskonfigurationen ermöglicht. Innovationen, sowohl am TWI als auch anderswo, haben zu vielen Fortschritten beim FSW-Verfahren geführt, darunter die Verwendung von Zusatzdraht (AdStir) und die Herstellung von Kühlkanälen (CoreFlow™).
Die Erfindung und kontinuierliche Entwicklung des FSW zeigt, wie das TWI eine Atmosphäre für wirkungsvolle Innovationen schafft, in der Ideen und Menschen die Welt um uns herum positiv verändern können.
In folgendem Video können Sie mehr über die 30-jährige Geschichte des Rührreibschweißens herausfinden:
„Rührreibschweißen wurde 1991 hier am TWI erfunden,“ sagt Dr. Mike Russell „und wurde von Wayne Thomas und seinem Team als Teil eines Innovationsprogramms zum Thema Reib- und Pressschweißen in Cambridge entwickelt. Wir feiern jetzt den 30. Jahrestag der Erfindung.“
Die Vorteile von FSW hängen damit zusammen, dass der Schweißprozess die Werkstücke nicht aufschmilzt. Unterhalb des Schmelzpunkts zu arbeiten, bietet Vorzüge bezüglich Produktivität, Qualität und Produktionskosten. FSW ist oft schneller, besser und billiger als vergleichbare Prozesse, so dass es sehr schnell von der Industrie eingesetzt wurde, insbesondere für die Raumfahrt, für warmausgelagerte hochfeste Aluminiumlegierungen, für die das MIG-Schweißen, Laser-Schweißen und andere Schmelzschweißprozessen nur schlecht geeignet sind, sowie für das Verbinden von Strangpressprofilen zu Paneelen. Einige der ersten Anwendungen waren in der Luft- und Raumfahrt, z.B. für Raketen-Treibstofftanks, sowie im Schiffbau und Schienenfahrzeugbau für die Vorfertigung von Paneelen aus Aluminiumstrangpressprofilen für Decks, Schotten und Module von Schiffen und Hochgeschwindigkeitszügen. Es gibt außerdem interessante Einsatzmöglichkeiten für die Herstellung von Plattenwärmetauschern.
„TWI und Anwender des Prozesses haben sich erfolgreich darum bemüht, FSW-Werkzeuge für Werkstoffe mit hohem Schmelzpunkt zu entwickeln,“ sagt Jonathan Martin „und viele Metallverarbeitungsunternehmen fragen an, ob FSW für das Verschweißen von Stahl eingesetzt werden kann. Das ist seit der Durchführung eines Innovations- und Entwicklungsprojekts in Zusammenarbeit mit der Firma Element 6 machbar, und die Werkzeuge werden bereits vermarktet. Diese Werkzeuge können bis zu 12 mm dicke Stahl- oder Edelstahlbleche verschweißen mit Schweißnahtlängen von mehr als 60 m.“
TWI hat gezeigt, dass diese Werkzeuge unter unterschiedlichen Umgebungseinflüssen eingesetzt werden können, d.h. nicht nur an der Luft sondern auch unter Wasser und unter Öl. Dabei werden phantastische Ergebnisse erzielt: Die feinkörnige FSW-Gefügestruktur führt zu Verbindungen mit hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit.
„Friction Stir Welding kann nicht nur auf ebenen Bauteilen durchgeführt werden,“ sagt Dr. Jeroen De Backer „ein Roboter ermöglicht dreidimensionale Zugänglichkeit für Bauteile, die andernfalls nur auf einer Fünfachs-Portal-Fräsmaschine bearbeitet werden könnten, und das bei erheblich reduzierten Kosten. FSW-Roboter können in bestimmten Werkstoffen und Wandstärken dreidimensionale Schweißnähte erstellen.“
Die dafür eingesetzten Knickarmroboter wurden in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Anfangs hatte TWI einen Roboter mit 400 kg Tragkraft, aber inzwischen sind Roboter mit mehr als 2000 kg Tragkraft marktüblich und TWI setzt jetzt einen Roboter mit 800 kg Tragkraft ein, der in den meisten Aluminiumlegierungen Wandstärken von bis zu 6 mm bearbeiten kann. Zur Zeit wird ein zunehmender Einsatz von FSW-Robotern beobachtet, insbesondere für die Herstellung von Batteriewannen für Elektroautos, der Einhausung von Hochleistungselektronik und für die Herstellung von Wärmetauschen.
In anderen Branchen, wie in der Luft- und Raumfahrt, können Schweißbauteile genietete Bauteile ersetzen, wobei mit FSW auch hochfeste Legierungen verschweißt werden können, die als mit Schmelzschweißverfahren nicht schweißbar gelten.
„Wir sind wirklich stolz darauf, wie sich das Rührreibschweißen in den letzten 30 Jahren entwickelt hat,“ sagt João Gandra „ich habe manchmal fast den Eindruck, dass das Verfahren mehrfach neu erfunden worden ist, um ingenieurwissenschaftliche Herausforderungen zu meistern. Es wird nach wie vor am TWI, an anderen Forschungsinstituten und in der Industrie weiterentwickelt.“
Das anfängliche Konzept bietet eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten, z.B. das Bobbin-FSW mit einer zweiten Schulter, die die Fügelinie unterstützt und den Einsatz von vereinfachten Spannvorrichtungen und das Verschweißen von Hohlprofilen ermöglicht. TWI untersucht unter dem Akronym AdStir auch die Verwendung von Zusatzwerkstoffen beim Rührreibschweißen, um den Spalt zwischen den Werkstücken aufzufüllen. Bei Orbital- oder Umfangsnähten von zylindrischen oder kreisförmigen Nähten in Kraftstofftanks oder Rohren, kann ein in der Schulter verschieblicher FSW-Stift verwendet werden, der am Ende der Schweißnaht in die Schulter zurückgezogen wird, um das Endloch zu schließen, dass andernfalls durch einen nachfolgenden Prozess geschlossen werden müsste. TWI arbeitet auch mit dem Refill Friction Stir Spot Welding, z.B. um das Widerstandspunktschweißen im Automobilbau sowie das Nieten und mechanische Fügen in Flugzeugbauteilen zu ersetzen.
Die neueste Erfindung ist CoreFlow™, ein patentiertes Verfahren, das eigentlich nicht zum Schweißen sondern zur Materialbearbeitung unterhalb der Werkstückoberfläche eingesetzt wird. Es ermöglicht geschlossene Kanäle in Vollquerschnitten zu erzeugen, die z.B. für die Temperaturregelung in Wärmetauschern verwendet werden können.
„Das Rührreibschweißen hat eine glänzende Zukunft vor sich,“ schlussfolgert Dr. Mike Russel „es ist ein Verfahren, das inzwischen ausgereift ist und industriell eingesetzt wird. Die Hochphase der industriellen Anwendungen hat bereits begonnen, aber es gibt noch zahlreiche Weiterentwicklungen, die sich auf die Automatisierung und Vereinfachung des Verfahrens abzielen, um die Effizienz weiter zu steigern. FSW ist zu einem erstklassigen Produktionsverfahren herangewachsen, aber es gibt noch großes Potential, neue Anwendungsmöglichkeiten zu erdenken und zu entwickeln, und wir freuen uns schon auf die nächsten 30 Jahre.“