Industrie-Lexikon

Reibschwei├čen

Das Reibschwei├čen (EN ISO 4063: Prozess 42) ist ein Schwei├čverfahren aus der Gruppe des Pressschwei├čens. Dabei werden zwei Teile unter Druck relativ zueinander bewegt, wobei sich die Teile an den Kontaktfl├Ąchen ber├╝hren. Durch die entstehende Reibung kommt es zur Erw├Ąrmung und Plastifizierung des Materials. Am Ende des Reibvorganges ist es von entscheidender Bedeutung, die Teile richtig zueinander zu positionieren und einen hohen Druck auszu├╝ben. Die Vorteile dieses Verfahrens sind, dass die sogenannte W├Ąrmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schwei├čverfahren und dass es nicht zur Bildung von Schmelze in der F├╝gezone kommt. Es k├Ânnen eine Vielzahl von Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium mit Stahl, miteinander verschwei├čt werden. Auch die Verbindung von metallischen Werkstoffen, die keine Legierungen miteinander eingehen, ist vielfach m├Âglich.

Rotationsreibschwei├čen
Das Rotationsreibschwei├čen ist ein Pressschwei├čverfahren. Dabei muss mindestens ein F├╝geteil in der F├╝gezone eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen. Die Energiezufuhr wird ausschlie├člich durch eine Relativbewegung der F├╝geteile zueinander unter Druck eingebracht. Dabei steht ein F├╝geteil still und das zweite Teil wird in Rotation versetzt. Weit verbreitet ist die Anwendung, um an Rohre (Bohrgest├Ąngen) Verbinder unterschiedlicher Materialg├╝te anzuschwei├čen.

Das Verfahren wird in Deutschland seit den 1970er-Jahren eingesetzt. Die unterschiedlichsten Materialkombinationen sind der gro├če Vorteil dieses Verfahrens. So werden millionenfach Auslassventile f├╝r Verbrennungsmotoren geschwei├čt (hochwarmfester Stahl an h├Ąrtbaren Stahl) und das mit Taktzeiten von weniger als zehn Sekunden.

Die verwendeten Maschinen ├Ąhneln Drehmaschinen. Sie enthalten eine rotierende Spindel und ein nicht rotierendes Gegenst├╝ck, das auf einen axial zustellbaren Schlitten gespannt und auf das rotierende Teil gedr├╝ckt wird. Die Axialkr├Ąfte k├Ânnen je nach Abmessung von wenigen 100 N bis ├╝ber 10.000 kN (entsprechend etwa der Gewichtskraft von 1000 t) reichen. Die jeweiligen Maschinen sind dann so gro├č wie ein Schreibtisch oder aber auch wie eine Lokomotive. Positioniertes Reibschwei├čen stellt eine (optionale) Sonderanwendung dar und bedingt eine Sondersteuerung und einen Spezialantriebsmotor. Anwendungsf├Ąlle hierf├╝r sind Gelenkwellen, Trailerachsen und Achsstabilisatoren.

Orbitalreibschwei├čen
Orbitalreibschwei├čen gem├Ą├č ISO 15620 ist ein Reibschwei├čverfahren. Im Unterschied zum verwandten Rotationsreibschwei├čen m├╝ssen die Teile hier nicht rotationssymmetrisch sein. Die Energiezufuhr wird mittels einer zirkularen Kreisschwingbewegung der F├╝geteile – ├Ąhnlich wie bei einem Schwingschleifer – unter Druck eingebracht. Hierbei bleibt die Ausrichtung der Achsen gleich. Beim Multiorbitalreibschwei├čen schwingen beide Bauteile, im Unterschied zum Orbitalreibschwei├čen, welches deshalb ÔÇ×Single Orbitalreibschwei├čen“ genannt wird.

R├╝hrreibschwei├čen
Der Prozessablauf gliedert sich im Wesentlichen in sechs Schritte. Im ersten Schritt wird ein rotierendes Werkzeug mit hoher Kraft solange in den F├╝gespalt gedr├╝ckt, bis die Werkzeugschulter auf der Bauteiloberfl├Ąche zur Anlage kommt. W├Ąhrend des zweiten Schritts verweilt das sich drehende Werkzeug f├╝r einige Sekunden an der Eintauchstelle. Durch die Reibung zwischen Werkzeugschulter und F├╝gepartnern erw├Ąrmt sich der Werkstoff unter der Schulter bis kurz unter den Schmelzpunkt. Dieser Temperaturanstieg hat einen Festigkeitsabfall zur Folge, wodurch der Werkstoff plastifiziert wird und eine Vermischung der F├╝gezone m├Âglich wird. Mit dem Einsetzen der Vorschubbewegung beginnt der dritte Schritt, bei dem das rotierende Werkzeug mit hoher Anpresskraft entlang der F├╝gelinie bewegt wird. Der durch die Vorschubbewegung entstehende Druckgradient zwischen Vorder- und R├╝ckseite des Werkzeugs und dessen Rotationsbewegung bewirken den Transport von plastifiziertem Werkstoff um das Werkzeug herum, der sich dort vermischt und die Naht bildet. Im vierten Schritt wird die Verfahrbewegung am Ende der Naht gestoppt. Im f├╝nften Schritt wird das sich drehende Werkzeug wieder aus der F├╝gezone herausgezogen. Im sechsten Schritt wird die fertige Schwei├čnaht visuell begutachtet bzw. mit zerst├Ârungsfreien Pr├╝fmethoden untersucht.

Aufgrund des charakteristischen Prozessablaufs des R├╝hrreibschwei├čens ist das Verfahren besonders f├╝r Aluminiumlegierungen geeignet. Probleme, die beim Schmelzschwei├čen von Aluminiumlegierungen durch den Phasen├╝bergang verursacht werden, wie die Hei├črissproblematik und die Porenbildung, treten beim R├╝hrreibschwei├čen infolge der Absenz einer fl├╝ssigen oder dampff├Ârmigen Phase nicht auf.

Verfahrenstechnisch besteht ein Zusammenhang mit Schmieden und Extrudieren, einerseits wird der Werkstoff durch eine vertikal zur Werkst├╝ckoberfl├Ąche gerichteten Kraft unter W├Ąrmeeinbringung gestaucht und andererseits durch die Geometrie des rotierenden Werkzeugs der teilplastische Werkstoff durch Verwirbelung nach unten gedr├╝ckt. Es entsteht ein Extrusionskanal, der bis an die Nahtwurzel reicht (auch Schwei├čnugget genannt). Die zu f├╝genden Werkst├╝cke stehen still. Eine besondere Ausformung der Naht vor der Verschwei├čung ist nicht notwendig.

Das Werkzeug besteht aus einer senkrecht zum Pin angeordneten Schulter mit einem gr├Â├čeren Durchmesser als der Pin selbst. Die Schulter kann man sich als eine Halbschale vorstellen, welche die Umgebungsluft von der Schwei├čnaht isolieren soll. Der Pin ist f├╝r die Verwirbelung des Werkstoffs zust├Ąndig. Die Neigung des Werkzeugs zur Werkst├╝ckoberfl├Ąche betr├Ągt etwa 2┬░ bis 3┬░ in stechender Anordnung. Das Werkzeug selbst hat einen geringen Verschlei├č, es muss zur Aufrechterhaltung der Qualit├Ąt nach etwa 3 km Schwei├čnaht ausgetauscht werden.

Vorteile des Verfahrens:
ÔÇó Zusatzwerkstoffe nicht n├Âtig
ÔÇó hohe erzielbare Nahtfestigkeiten
ÔÇó kein Schutzgas n├Âtig
ÔÇó relativ einfacher Prozessablauf
ÔÇó breites Spektrum von Mischverbindungen m├Âglich
ÔÇó relativ niedrige Temperaturen (in Aluminium ca. 550 ┬░C auf der Schwei├čnahtoberfl├Ąche) und damit wenig Verzug

Das Verfahren wird auch zur lokalen Eigenschaftsverbesserung und zum Schlie├čen von Poren in Gussgef├╝ge verwendet. Es wird dann oft von FSP (englisch: friction stir processing) anstelle von FSW (englisch: friction stir welding) gesprochen.

Quelle: Wikipedia

 

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