Image
tum_stabile_schweissnaehte.jpeg
Foto: Giacomo Costanzi / TUM
Andreas Bachmann (li.) beobachtet durch ein Sicherheitsglas, wie der Roboter zwei Metallplatten mit dem schnell drehenden Schweißstift zusammenschweißt.

Fügen + Verbinden

Rührreibschweißen für dichte und stabile Schweißnähte 

Für besonders stabile Schweißnähte kommt das Rührreibschweißen zum Einsatz. Wissenschaftler der TU München wollen das Verfahren jetzt effizienter machen. 

Das Verfahren des Rührreibschweißens wird immer häufiger bei Bauteilen eingesetzt, bei denen die Schweißnähte besonders dicht und stabil sein müssen. Etwa im Flugzeugrumpf, im Kühlsystem des Autos oder auch beim Treibstofftank einer Rakete. Im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren benötigt das Rührreibschweißen kein zusätzliches Schweißmaterial, und die Temperaturen bleiben in der Regel unter der Schmelztemperatur. Damit ist das Verfahren besonders für temperaturempfindliche Materialien wie das leichte Aluminium geeignet.

Trial and Error: Fehlende Erfahrungswerte beim Rührreibschweißen

Sind die Bauteile fest eingespannt, wird an deren Grenzfläche der schnell drehende Schweißstift des Schweißgerätes entlanggeführt. Der Stift weicht das Material durch Reibungswärme auf, ohne es zu schmelzen. Während sich der Stift voran bewegt, verrührt er die beiden Bauteile an der Grenzfläche und sorgt nach dem Abkühlen für eine besonders feste Naht.

Das Problem bei dem erst 30 Jahre alten Verfahren sind fehlende Erfahrungswerte. Bei jedem neuen Bauteil und Material müssen die Einstellungen des Geräts durch Ausprobieren bestimmt werden. Durch eine automatische Regelung, welche die Einstellungen selbst bestimmt und anpasst, würde sich die Effizienz des Verfahrens enorm verbessern. Dafür hat Dr. Andreas Bachmann in seiner Forschungsarbeit an der TUM ein Regelungskonzept entwickelt.

So punktet das FSW-Verfahren bei Teilen für E-Fahrzeuge

Grüne Mobilität: Mit dem FSW-Verfahren bietet Grenzebach eine leistungsstarke und emissionsfreie Technologie zur Produktion von Bauteilen für E-Fahrzeuge.
Artikel lesen

So werden „Löcher“ im Metall gefunden

Zunächst untersuchte Bachmann anhand einer speziellen Aluminiumlegierung, die in der Raumfahrt eingesetzt wird, wie genau die Temperatur und Schweißgeschwindigkeit den Prozess beeinflussen. Dazu nutzte er die weltweit intensivste Positronenquelle Nepomuc der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). „Mit der Methode der Doppler-Verbreiterungsspektroskopie konnten wir die Defekte im Metall in und nahe der Schweißnaht finden“, berichtet Bachmann.

Forschende schießen bei der Doppler-Verbreiterungsspektroskopie Positronen in das Metallgitter. Hier werden sie von den ebenfalls positiv geladenen Atomrümpfen im Gitter abgestoßen und bewegen sich von selbst zu Leerstellen, wo sie auf ihr Antiteilchen, ein Elektron, treffen. Die Teilchen löschen sich gegenseitig aus und senden dabei Energiestrahlen aus, die wiederum detektiert werden. Die gemessenen Strahlen geben Auskunft über die Position und Häufigkeit von atomaren Leerstellen.

Defekte sind temperaturabhängig

Die Forschenden fanden bei ihren Untersuchungen weniger Defekte bei höheren Schweißtemperaturen um die 500 °C. „Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren sind 500 Grad allerdings immer noch sehr niedrig“, erklärt Bachmann. „Es ist also so: Eine geringere Schweißtemperatur ist für die temperaturempfindlichen Materialien natürlich besser; wenn sie zu gering ist, wirkt sich das aber negativ auf die Festigkeit der Naht aus.“ Die ideale Schweißtemperatur ist für die Materialien unterschiedlich und muss jeweils bestimmt werden.

Mit diesen Erkenntnissen entwickelte Bachmann eine Regelung, bei der die optimale Temperatur eingestellt wird. Ein Sensor misst die Temperatur in Echtzeit. Mithilfe eines Algorithmus wird bestimmt, wie schnell sich das Werkzeug drehen muss, damit die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Wert 0 beträgt.

Image
tum_ruehrreib_schweissen.jpeg
Foto: Giacomo Costanzi / TUM Um die Effizienz des Rührreibschweißens zu verbessern, hat Dr. Andreas Bachmann in seiner Forschungsarbeit an der TUM ein Regelungskonzept entwickelt.

Stabilere Schweißnähte dank Regelungskonzept

„Eine Schweißnaht mit Regelung war im Test 1,5-Mal so fest wie ohne Regelung", erklärt Bachmann. Außerdem zeigte er, dass theoretisch auch eine Regelung ohne Temperatursensoren möglich wäre. Dabei wird der Widerstand beim Drehen des Schweißstiftes gemessen und auf diese Weise die Temperatur bestimmt.

„Je wärmer das Metall ist, desto leichter lässt es sich umformen, beziehungsweise mit dem Werkzeug verrühren“, erklärt Bachmann, der mittlerweile in der Industrie arbeitet. „Wie leicht oder wie schwer sich das Metall verrühren lässt, kann über das an der Spindel, also den Motor, der das Werkzeug antriebt, anliegende Moment gemessen werden.“  Dieser Ansatz könnte weiterentwickelt werden, um den Einsatz dieser Regelung in der Praxis zu erleichtern.

Laserschweißen

Kleine Schweißzelle für schwierige Schweißnähte

Die hochflexible Schweißzelle CT-Conni bietet optimale Bedingungen für die Herstellung komplexer, kleiner Bauteile mit komplizierten Schweißnähten.

Schweißen

Merkblatt 986: Visuelle Beurteilung von Schweißnähten

Die Informationsstelle Edelstahl Rostfrei veröffentlicht Merkblatt 986 samt Wandposter zur visuellen Beurteilung von Schweißnähten bei nichtrostendem Stahl.

Foto: Fronius

Schweißen

Sichere Schweißnähte - auch im Ernstfall

Schutzverbauungen stoppen Naturgefahren wie Steinschlag oder Muren. Bei der Firma Trumer werden sie mit Technik von Fronius geschweißt.

Qualitätsicherung

Wie Schweißnähte zuverlässig kontrolliert werden

Die Firma Plasmo aus Wien bietet Qualitätssicherungslösungen für die Metallverarbeitung und setzt dabei auf Simatic Industrie-PCs von Siemens.