RÜHRREIBSCHWEISSEN TRIFFT STAHL: WIE IST DER STAND DER FORSCHUNG?

Wenn es um das Schweißen von Aluminium- und Kupferstrukturen geht, ist das Rührreibschweißen mittlerweile ein weltweit verbreitetes Verfahren. Und das aus guten Gründen: So besticht das in Großbritannien entwickelte FSW-Verfahren (Friction Stir Welding) durch hohe Schweißnahtqualitäten bei gleichzeitig geringstem Aufwand der Nahtvorbereitung und Nachbearbeitung. Wie wir bereits im zweiten Teil unserer Blogreihe aufgeführt haben, wird das Interesse am Rührreibschweißen in vielen weiteren Industriesektoren steigen, ließen sich diese Vorteile auch auf den Bereich des Werkstoffs Stahl übertragen. 
 

Untersuchungen zur Anwendung von FSW an Stahl

Bisher gab es bereits zahlreiche Untersuchungen, in denen die Übertragbarkeit von FSW auf das Schweißen von Stahlstrukturen analysiert wurde. Das Ergebnis: Neben den klassischen Baustählen wurde auch die prinzipielle Schweißeignung bei verschiedenen Stahlsystemen nachgewiesen. Unter anderem gehören dazu nichtrostende austenitische Stähle (Chrom-Nickel-Stahl) sowie Dualphasen-Stähle. Was den Einsatz von FSW auf Stahlstrukturen jedoch einschränkt, ist die höhere Schweißtemperatur und die damit verbundene höhere Belastung der Schweißwerkzeuge.  
 

Werkzeuge im aktuellen FSW-Forschungsfokus

Aufgrund dieser Erkenntnisse ist vor allem die Belastung des Werkzeugs und deren Wechselwirkung mit dem zu schweißenden Werkstück Gegenstand der Forschung. Aktuell spielen hier PcBN-Werkzeuge eine wichtige Rolle. Dank ihrer atomaren Struktur weisen die Werkzeugeinsätze aus polykristallinen kubischem Bornitrid eine sehr hohe Härte und damit eine exzellente Verschleißbeständigkeit auf. Die Kehrseite der Medaille liegt jedoch in der typischen Sprödigkeit keramischer Hartstoffe. So kommt es bei Überlast zum Bruch dieser Einsätze. Ein weiterer Nachteil ist in den hohen Werkzeugkosten zu sehen, die zwischen 3.000 und 4.000 Euro pro Werkzeug betragen.
 

Was ist das optimale FSW-Werkzeug für Stahl?

Wie also lässt sich die Werkzeugbelastung reduzieren? Wie die fertigungsbedingten Qualitätsschwankungen verringern? Um diese Fragen zu klären, wurde im Rahmen des EU-Projektes SOLVSTIR untersucht, wie sich die Lebensdauer der beim Rührreibschweißen eingesetzten Werkzeuge durch lokale Vorwärmung erhöhen lässt. Ähnliche Untersuchungen hat auch die SLV Berlin-Brandenburg im Rahmen eines Forschungsprojekts rund um FSW durchgeführt. Dabei war auch der Einsatz hochschmelzender metallischer Werkstoffsysteme ein Forschungsthema. Ebenso wie die Untersuchung von Verbundstrukturen wie TZM-Schulterwerkstoff (Molybdänbasislegierung) und WRe-Schweißstiftwerkstoff.
 

Vorläufige Ergebnisse zum Fügeverfahren an Stahl

Die Untersuchungen zur Werkstoffgeometrie hat gezeigt, dass im Vergleich zum PcBN keine Erhöhung der Standzeit beim FSW-Verfahren an Stahl erzielt werden kann. Hinsichtlich der Verbundstrukturen sah es etwas besser aus: Bei diesen Untersuchungen konnten leichte Optimierungen der Standzeiten erzielt werden. Identisch zum PcBN stellte sich jedoch ein großer Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Nahtqualität ein.
 

Fügeverfahren FSW: Wie geht es beim Stahl weiter?

Für die Rührreibschweißen/Stahl-Forschung der Zukunft gilt: Es muss ein Weg gefunden werden, den Verschleiß an den Rührreibwerkzeugen und die damit verbundenen Faktoren, die zu einer Verschlechterung der Schweißnahtqualität führen, wesentlich zu reduzieren. Derartige Maßnahmen würden entscheidend zur Kostenreduzierung und wirtschaftlichen Umsetzung des FSW-Verfahrens an Stählen beitragen. Bereits im zweiten Teil unserer Blogreihe haben wir diese Problematik ausführlich behandelt und Möglichkeiten beschrieben. Im Vordergrund stehen hierbei die Prozessparameter und damit das Verständnis über die Abhängigkeit der Schweißparameter vom zu schweißenden Werkstoffsystem (Stahl). Ebenfalls in den Fokus rückt die Beständigkeit der eingesetzten Werkzeugwerkstoffe. Obwohl diese Problematik entscheidend ist, wurde sie bislang noch nicht umfassend analysiert. Daher liegen hier noch keine ausreichend fundierten Erkenntnisse vor. 

Im 4. Teil unserer Blogreihe erfahren Sie mehr über die Herangehensweise und Zielsetzung bei keramischen Werkzeugen.

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Ralf Boywitt

Ralf Boywitt

ralf.boywitt@slv-bb.de
+49 30 45001-147

Gruppenleiter Forschung und Entwicklung der SLV Berlin-Brandenburg, Spezialist für das Rührreibschweißen (FSW) und Aluminiumgleichstromschweißen am Minuspol (AGL)

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