Untersuchung des Rührreibschweißens an PKW-Strukturbauteilen

Dipl.-Ing. Daniel Schmid

Das Rührreibschweißen (engl. Friction Stir Welding - FSW) ist ein innovatives Fügeverfahren, welches Anfang der 90er Jahre am TWI (The Welding Institute) entwickelt und patentiert wurde. Das Verfahren bietet, wegen einem geringen Wärmeeintrag in das Bauteil, gegenüber den Schmelzschweißverfahren entscheidende Vorteile. Es treten weder Poren noch Heißrisse auf, weil die Schmelztemperatur der Werkstoffe zu keinem Zeitpunkt erreicht wird. Des Weiteren entsteht nur eine kleine Wärmeeinflusszone (hohe Festigkeit), weshalb Bauteile optimal ausgelegt werden können. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit artungleiche Werkstoffe (z.B. Aluminium und Stahl) fügen zu können.

Das Interesse der Verkehrsindustrie am Leichtbau ist groß, da durch die Einsparungen in der Fahrzeugmasse auch der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Bis heute ist das FSW nur für lange eindimensionale oder orbitale Schweißnähte wirtschaftlich einsetzbar. Daher hat es sich hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und im Schienenverkehrs etabliert. Um das Potenzial des Verfahrens auch anderen Industriezweigen, z.B. in der Automobilindustrie nutzen zu können, muss der Einsatzbereich auf kurze und mehrdimensionale Schweißnähte erweitert werden. Auf Grund der hohen Prozesskräfte wird das FSW vorwiegend mittels Sonderschweißanlagen und Bearbeitungszentren realisiert, weil durch deren Steifigkeiten die elastischen Verformungen minimiert werden. Zur Herstellung von Schweißnähten mit komplexer Nahtgeometrie gibt es die Möglichkeit, Schwerlast-Industrie-Roboter einzusetzen. Für viele Anwendungen ist die reduzierte Steifigkeit ausreichend und schafft zusätzlich bei einem geringen Investitionsvolumen ein Maximum an Flexibilität und Arbeitsraum. Speziell in der Automobilindustrie existieren Einsatzszenarien bei denen die zulässigen Maximalkräfte des Roboters ausreichen, weil die zu fügenden Aluminiumblechdicken einige Millimeter nicht überschreiten.

Die Herausforderung dieses Forschungsprojekts besteht darin, Erfahrungen zu Schweißaufgaben mit mehrdimensionaler Nahtgeometrie aufzubauen und vorhandene Restriktionen in der Systemtechnik zu beseitigen. Ein wichtiger Aspekt des Projekts ist die Bahnsteuerung. Trotz kraftgeregeltem Betrieb kann das Werkzeug am Roboter deutlich von der gewünschten Bahn abweichen. Dies hat zur Folge, dass bei bestimmten Konturen (zum Beispiel enge Radien) die Schweißbahn an das Verhalten der Anlage angepasst werden muss. Neben der Wahl der geeigneten Prozessparameter und Systemtechnik existieren auch konstruktive Herausforderungen. Zum Beispiel ist die Übertragbarkeit der Schweißergebnisse für unterschiedliche Werkzeugkonzepte (z.B. das Bobbin-Tool) auf den Roboter nicht ausreichend bekannt. Des Weiteren muss eine Möglichkeit geschaffen werden, um die in mehrere Richtungen wirkenden Prozesskräfte über das Bauteil in die komplexe Spanntechnik abzuführen. Dafür müssen die Bauteile FSW-gerecht ausgelegt werden. Dies betrifft nicht nur die geometrische Gestaltung der Fügestelle, sondern auch der Bereiche des Bauteils, welche die Axialkraft ableiten.

Zuletzt muss die Prozesssicherheit gewährleistet werden. Das bedeutet, dass ein Qualität bestimmender Parameter gefunden werden muss, durch den Fehler in der Naht in Echtzeit detektiert werden können. Dies ist vorstellbar, in dem die Topografie der Nahtoberseite oder -wurzel analysiert, kategorisiert und abschließend mit Fehlerbildern korreliert wird.

Aufgabenstellung:   

• Aufdecken und Nutzen des Leichtbaupotenzials beim Rührreibschweißen von PKW-Strukturbauteilen
• Abbauen von Restriktionen in der Systemtechnik, um auch kurze, dreidimensionale Schweißnähte zu realisieren
• Anpassen der Spannsysteme an die komplexen Geometrien der Strukturbauteile in der Automobilindustrie
• Überwachung des Prozesses mit überarbeiteter Sensorik und AktorikErarbeiten von Ansätzen für die optimale Bahnplanung für mehrdimensionale Schweißnahtgeometrien

Zielstellung:

• Erproben und Optimieren des Rührreibschweißens an ausgewählten Fahrzeugstrukturbauteilen
• Bewertung der Verbindungsstellen hinsichtlich der erreichten mechanischen Eigenschaften
• Optimieren der Fügestellen für das FSW unter Berücksichtigung der Anforderungen aus dem Prozess und des Bauteildesigns
• Bewertung des Verfahrens hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit beim Einsatz in der Serienproduktion