Was ist Rührreibschweißen (FSW)?
Das Rührreibschweißen oder Friction Stir Welding (FSW) ist ein Festkörperschweißverfahren, bei dem die Wärme genutzt wird, die durch die Reibung zwischen einem rotierenden Werkzeug und den zu verbindenden Materialien entsteht. Mit diesem Verfahren lassen sich feste Verbindungen herstellen, ohne dass die Materialien schmelzen, und es bietet somit eine effiziente Alternative zu herkömmlichen Methoden.
Einer der Hauptvorteile des FSW ist seine Fähigkeit, Materialien zu schweißen, die mit anderen Techniken schwer zu verbinden sind, wie Aluminium- oder Kupferlegierungen. Außerdem erzeugt es weniger Verzerrungen und Spannungen, was qualitativ hochwertige Schweißnähte gewährleistet.
Dieses Verfahren wird heute in verschiedenen Industriezweigen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Schiffbau und sogar im Bereich der erneuerbaren Energien, weit verbreitet eingesetzt. Das FSW ermöglicht es somit, die technischen Anforderungen moderner Anwendungen zu erfüllen und gleichzeitig die Kosten und Umweltauswirkungen zu senken.
Aber wie funktioniert das FSW-Schweißen in der Praxis? Was sind seine Vor- und Nachteile? Wie sehen seine konkreten Anwendungen aus? Und welche Fortschritte hat diese Technologie gemacht? In diesem Artikel erzählt Ihnen TRA-C Industrie mehr über dieses revolutionäre Verfahren…
Funktionsprinzip des Rührreibschweißens
Beim Rührreibschweißen wird ein rotierendes zylindrisches Werkzeug mit einer Spitze die in die zu verbindenden Teile eindringt, verwendet. Durch die hohe Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs wird Reibungswärme erzeugt, die das Material lokal erweicht, ohne es zu schmelzen.
Sobald das Material erweicht ist, bewegt sich das Werkzeug entlang der zu schweißenden Verbindung und bewirkt eine plastische Vermischung der Materialien der beiden Metallteile. Diese mechanische Durchmischung fördert somit eine feste und homogene Verbindung zwischen den sich berührenden Oberflächen.
Während des Vorgangs wird eine Stützkraft auf das Werkzeug ausgeübt, um einen ausreichenden Druck aufrechtzuerhalten und eine kontinuierliche Schweißung zu gewährleisten. Diese genaue Kontrolle des Prozesses verhindert, dass sich Risse oder Porositäten in der Verbindung bilden.
Schließlich zieht sich das Werkzeug zurück, nachdem es die gesamte Schweißlinie durchlaufen hat, und hinterlässt eine kompakte, widerstandsfähige Schweißnaht. Nach dem Abkühlen behält die Verbindung mechanischen Eigenschaften, die denen des ursprünglichen Materials nahe kommen.
Was sind die Hauptbestandteile eines FSW-Schweißwerkzeugs?
Das Werkzeug für das Rührreibschweißen spielt eine Schlüsselrolle für den Erfolg der Verbindung. Seine verschiedenen Elemente beeinflussen direkt die Qualität der geschweißten Verbindung und erfordern die Verwendung von Materialien, die hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen standhalten können:
- Die Schulter: Dies ist der breite Teil des Werkzeugs, der mit der Oberfläche der Werkstücke in Berührung kommt und durch Reibung Wärme erzeugt. Sie sorgt auch für den Einschluss des erweichten Materials ;
- Die Spitze (oder der Stift): Dieses Element dringt in das Material ein und ermöglicht das Durchmischen der zu verschweißenden Flächen. Seine Geometrie beeinflusst das Rühren und die Qualität der Verbindung;
- Der Werkzeugkörper: Er verbindet das Werkzeug mit der Maschine und überträgt die ausgeübten Kräfte. Er muss den hohen mechanischen Belastungen während des Arbeitsvorgangs standhalten.
Bei der Herstellung von FSW-Werkzeugen werden ultrahochfeste Materialien wie gehärteter Stahl oder Wolframkarbid verwendet. Diese Materialien halten den hohen Temperaturen und dem Verschleiß stand, der durch die Reibung mit den zu schweißenden Teilen , verursacht wird.
Vorteile des Rührreibschweißens
Das Rührreibschweißen hat viele Vorteile gegenüber den herkömmlichen Schmelzschweißverfahren. Zu den Hauptinteressen dieses Verfahrens gehören u. a. :
- Hohe Schweißqualität: Die entstehende Naht ist homogen und begrenzt Risse und Porositäten. Die mechanische Festigkeit wird dadurch im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren verbessert;
- Kein Schmelzen: Das Material bleibt im festen Zustand, wodurch die Gefahr einer Verformung verringert wird. Die ursprüngliche Struktur des Materials bleibt so besser erhalten ;
- Geringerer Energieverbrauch: Im Vergleich zu Schmelzverfahren wird weniger Wärme benötigt. Das FSW ermöglicht somit eine Optimierung der Energieeffizienz des Prozesses ;
- Begrenzte Umweltauswirkungen: Darüber hinaus entstehen beim FSW keine giftigen Schweißzusätze, Schutzgase oder Rauch. Das Verfahren ist daher sauberer und sicherer für die Bediener ;
- Kompatibilität mit komplexen Materialien: Leichte und schwer zu schweißende Metalle wie Aluminium werden zuverlässig zusammengefügt. Die Qualität der Schweißnähte bleibt auch bei empfindlichen Materialien konstant ;
- Optimierung der Betriebskosten: Schließlich verlängert der geringere Werkzeugverschleiß die Lebensdauer der Werkzeuge. Da kein Metall oder andere Verbrauchsmaterialien zugeführt werden müssen, sinken auch die Gesamtproduktionskosten.
Nachteile des FSW-Schweißverfahrens
Obwohl das Rührreibschweißen viele Vorteile bietet, hat diese Technologie auch einige Einschränkungen. Diese Nachteile betreffen vor allem technische Einschränkungen, Materialien und Ausrüstungskosten :
- Beschränkte Anwendung auf duktile Materialien: Zu harte oder spröde Materialien, wie z. B. bestimmte Stähle, lassen sich nur schwer schweißen. Ihr Verhalten unter Reibung kann dann zu Defekten oder Brüchen führen;
- Einsatz spezieller Ausrüstung: Angepasste Maschinen, die robuster als herkömmliche Schweißgeräte sind, werden auch bei FSW benötigt. Dies bedeutet eine hohe Anfangsinvestition für die Industrie ;
- Austrittsloch: Schließlich kann am Ende des Schweißvorgangs ein kleines Loch entstehen, wo sich das Werkzeug zurückzieht. Einige Spezialisten wie TRA-C Industrie gestalten jedoch das Werkstück so, dass dieses Loch in einem spannungsfreien Bereich liegt und so die Dichtigkeit gewährleistet ist.
Welche Branchen können vom Rührreibschweißen profitieren?
Schiffbau und Offshore-Fertigung
Im Offshore- und Schiffbau wird das Rührreibschweißen weitgehend genutzt. Mit diesem Verfahren kann eine Vielzahl von Komponenten hergestellt werden, z. B. Decksplatten und Landeplattformen für Hubschrauber…
Auch beim Bau ganzer Schiffe, vom Heck bis zum Bug, wird FSW eingesetzt. Dieses Verfahren macht insbesondere die Panzerung von amphibischen Angriffsschiffen leichter, da keine herkömmlichen Nieten, Muttern oder Schweißnähte mehr erforderlich sind.
Luft- und Raumfahrtindustrie
Auch nutzt die Luft- und Raumfahrtindustrie FSW, um verschiedene kritische Komponenten zusammenzubauen. Viele nicht wiederverwendbare Trägerraketen, einschließlich Raketen und Rampen, enthalten dieses Verfahren, das insbesondere bei Tests der NASA eingesetzt wird.
In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird FSW bevorzugt, um das Schweißen von Aluminiumlegierungen zu vereinfachen, das mit herkömmlichen Methoden oft kompliziert ist. Es vereinfacht auch das Verbinden von Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften und bietet damit eine Lösung für eine große Herausforderung!
Die Automobilbranche
Mit dem FSW können auch Autoteile wie Batteriebehälter, Wärmetauscher, Kühlplatten usw. konstruiert werden. Viele Unternehmen setzen es daher erfolgreich zur Herstellung verschiedener Bauteile ein.
Diese Methode erleichtert auch das Verbinden von Aluminiumblechen mit Halterungen für Elemente wie Türen, Kofferräume oder Motorhauben. Autohersteller bevorzugen daher FSW wegen seiner Stabilität, und weil FSW den Verschleiß verringert und die Energieeffizienz verbessert.
Der Eisenbahnsektor
Auch wird das Rührreibschweißen in der Eisenbahnindustrie eingesetzt, z. B. bei der Herstellung von Dach- und Seitenwänden für Züge. Es wird auch verwendet, um die Bodenplatten in Doppelstockwaggons zu befestigen und so eine hohe Festigkeit zu gewährleisten.
Dieses Verfahren ist aufgrund seiner effizienten Wärmeübertragung eine ausgezeichnete Wahl für die Kühlung von elektronischen Hochleistungslokomotiven. Auch die Eisenbahnindustrie bevorzugt FSW wegen seiner Sicherheitsvorteile!
Verarbeitendes Gewerbe
In der Industrie wird das FSW-Verfahren zur Herstellung von Bauteilen wie Fassadenplatten und Kathodenstrahlplatten üblicherweise verwendet.
Dieses Verfahren lässt sich auch auf Spezialgebiete anwenden, z. B. um Atommüll in dicken Kupferkanistern einzuschließen.
Robotik
Schließlich findet das Rührreibschweißen Anwendungen im Bereich der aufstrebenden Robotik, obwohl sein Einsatz noch von den Fortschritten anderer Technologien abhängt. Die Akzeptanz ist derzeit noch begrenzt, doch das Potenzial ist beträchtlich.
Es wird insbesondere zur Herstellung komplexer und leichter Teile verwendet. Obwohl dieses Verfahren derzeit noch weitgehend ungenutzt ist, könnte es die Roboterindustrie verändern, da sie sich weiterentwickelt und diversifiziert…
TRA-C industrie, europäischer Marktführer im Rührreibschweißen
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Durch die enge Zusammenarbeit mit renommierten Partnern wie der UIMM bauen wir unsere Führungsposition im FSW-Sektor aus. Diese strategische Allianz ermöglicht es, das Know-how zu bündeln und die Innovation in diesem Bereich weiter voranzutreiben.
Über unsere Konstruktionsabteilung investieren wir ständig in Forschung und Entwicklung, um auf dem neuesten Stand der Technik zu bleiben. Unser Ziel ist es, Lösungen anzubieten, die auf die spezifischen Bedürfnisse jedes einzelnen Kunden zugeschnitten sind.
Mit fundiertem Fachwissen und einem Netzwerk zuverlässiger Partner setzt TRA-C industrie seine Expansion und sein Engagement für die Bereitstellung exzellenter Rührreibschweißlösungen für die Industrien von morgen fort.
