SB_16.318NLP

2011
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Qualifizierung des
Rührreibschweißens
(FSW) für das Fügen von
Aluminium-Druckguss-
Komponenten

Qualifizierung des
Rührreibschweißens (FSW) für
das Fügen von Aluminium-
Druckguss-Komponenten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 16.318 N
DVS-Nr.: 05.043
Technische Universität München Institut
für Werkzeugmaschinen und
Betriebswissenschaften
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.318 N / DVS-Nr.: 05.043 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2012 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 216
Bestell-Nr.: 170325
ISBN: 978-3-96870-215-5
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung .............................. 1
1.1 Anlass für den Forschungsantrag .............................................................................. 1
1.2 Beschreibung der Ausgangssituation ......................................................................... 2
2 Stand der Forschung.................................................................................................. 5
2.1 Schweißproblematik bei Aluminium-Druckguss .......................................................... 5
2.2 Schweißverfahren für Aluminium-Druckguss .............................................................. 7
2.3 FSW-Schweißen von Aluminium-Druckguss .............................................................. 9
3 Forschungsziel und Lösungsweg ..............................................................................12
4 Ergebnisse der Versuchsreihen ................................................................................16
4.1 Gießen der Versuchsplatten (AP 1, AP 2) .................................................................16
4.2 Eingesetzte Versuchswerkstoffe ...............................................................................17
4.3 Eingesetzte Systemtechnik für die FSW-Schweißversuche.......................................19
4.3.1 CNC-Bearbeitungszentrum: Heller MCH 250 .........................................................19
4.3.2 Robotersystem .......................................................................................................19
4.3.3 FSW-Werkzeuge ....................................................................................................20
4.4 FSW-Parameteridentifikation anhand der gegossenen Platten .................................21
4.4.1 Vorgehensweise .....................................................................................................21
4.4.2 Auswertemethoden ................................................................................................22
4.4.3 Ergebnisse .............................................................................................................23
4.5 Trennmitteleinfluss (AP4)..........................................................................................28
4.5.1 Durchstrahlungsprüfung .........................................................................................30
4.5.2 ESMA-Analyse der Kohlenstoffbelegung ................................................................31
4.5.3 Zugversuche ..........................................................................................................32
4.5.4 Querschliffe und UCI-Härteprüfung ........................................................................33
4.5.5 Dauerschwingversuche ..........................................................................................34
4.6 Legierungseinfluss (AP 4) .........................................................................................35
4.6.1 Zugversuche ..........................................................................................................36
4.6.2 Gefügebilder und UCI-Härtemessung ....................................................................37
4.6.3 ESMA-Analyse der Elementverteilung im Gefüge ..................................................39
4.7 Spaltüberbrückbarkeit und Kantenversatz (AP 5) ......................................................42
4.7.1 Einfluss von Spalten ...............................................................................................42

Inhaltsverzeichnis
4.7.2 Kantenversatz .......................................................................................................... 49
4.8 Einfluss der Gussqualität des Ausgangswerkstoffes auf die Schweißnaht (AP 6) ..... 55
4.9 Einfluss der Wärmebehandlung (AP 7) ...................................................................... 64
4.10 Vergleich mit anderen Schweißverfahren (AP 8) ........................................................ 67
4.11 Fertigungstechnische Umsetzung a n Serienbauteilen und Beurteilung der Qualität
(AP 9, AP 10) .............................................................................................................. 73
4.11.1 Wärmetauscher-Halbschalen ................................................................................... 73
4.11.2 Narkosemitteltank .................................................................................................... 76
4.11.3 Gussgehäuse mit eingeschweißtem Deckel ............................................................ 79
4.12 Konstruktionsrichtlinien (AP 11) .................................................................................. 81
5 Zusammenfassung und Ausblick ................................................................................ 85
6 Verwendung der Zuwendungen .................................................................................. 93
7 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Bedeutung der
Forschungsergebnisse für kmU .................................................................................. 95
8 Beabsichtigter Transfer der angestrebten Forschungsergebnisse ............................. 96
9 Durchführende Forschungsstellen .............................................................................. 98
10 Danksagung ................................................................................................................ 99
11 Anhang ..................................................................................................................... 100
12 Literaturverzeichnis ................................................................................................... 102

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 1
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1 Anlass für den Forschungsantrag
Der Trend zum Leichtbau ist in allen Bereichen der Verkehrstechnik nach wie vor aktuell und
im Fokus der Entwicklungen steht bei den metallischen Werkstoffen neben Stahl die
innovative Implementierung von Aluminiumkomponenten. Durch den Einsatz dieses
Leichtmetalls kann aufgrund der geringen Dichte eine Reduzierung der Fahrzeugmasse und
damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs sowie der Abgasemissionen erreicht werden.
Neben Blechen und Strangpresselementen hat insbesondere der Anteil an Aluminium-
Gusslegierungen deutlich zugenommen. Besonders das Druckgießen stellt für die
hochproduktive Fertigung endkonturnaher, komplexer und dünnwandiger Leichtbauteile aus
Aluminiumlegierungen ein Verfahren dar, dessen Vorteile bei gleicher Wirtschaftlichkeit mit
keinem anderen Fertigungsverfahren erreichbar sind. Der Anteil von Motor- und
Getriebeteilen, die im Druckgießverfahren hergestellt werden, macht mittlerweile 34 % der in
Deutschland gefertigten Druckgusskomponenten aus. Weitere 24 % werden für den
Fahrwerks- und den Karosseriebau verwendet. Unterstützt durch die günstigen
Eigenschaften, die gute Verarbeitbarkeit, die im Vergleich zu vielen anderen Leichtmetallen
geringen Kosten sowie die gute Wiederverwertbarkeit von Aluminiumguss ist auch in Zukunft
ein zunehmender Einsatz dieser Werkstoffgruppe zu erwarten. Aktuell wird bei einem großen
deutschen Automobilbauer eine große hauseigene Gießerei für Strukturbauteile aufgebaut
/1/.
Neben der Anwendung im Automobilbau werden insbesondere in den kmU zunehmend
Produkte entwickelt, bei denen auch bei kleineren Stückzahlen wirtschaftliche Vorteile durch
das produktive Druckgießverfahren gegeben sind. Dazu gehören Sicherheitskomponenten
für die Medizintechnik, Bauteile für die Optik und z. B. Hochleistungsteile für die Mess- und
Regeltechnik. Die Produktentwicklung erfolgt im Allgemeinen in enger Kooperation zwischen
dem Anwender und dem Gießer, wobei benötigte Fügeoperationen in den kleinen und
mittelständischen Unternehmen über zusätzliche externe Anbieter erfolgen. An dieser
Schnittstelle ergeben sich beim überwiegend eingesetzten Schmelzschweißen der
Druckgusskomponenten eine Vielzahl von Problemen, wobei im Folgenden nur die
wichtigsten Punkte genannt sind:
• Die Qualität einer Schweißnaht und insbesondere der Porengehalt stehen in direktem
Zusammenhang mit der Gussteilqualität. Schweißbarer Druckguss mit der
Anforderung von z. B. Druckdichtigkeit der Naht oder Porenfreiheit in dekorativen
Bereichen der Nahtoberfläche erfordert eine kostenintensive Optimierung des
Gießprozesses.
• Darüber hinaus ist die Wahl des Schweißverfahrens und der Prozessparameter
ebenso kritisch. Der geforderte geringe Verzug der Bauteile beim Schweißen steht im
Widerspruch zu der hohen Wärmeeinbringung, die zur Entgasung des Schmelzbades
und zur damit verbundenen Minimierung des Porengehaltes nötig ist.

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 2
• Bei den geforderten Qualitätsstandards und Gewährleistungen ergeben sich bei
Reklamationen zwangsläufig Fragen nach der Zuständigkeit und der Haftung.
Ein innovativer Ansatz zur Lösung dieser Probleme besteht in der Integration eines
Fügeverfahrens in die interne Fertigungskette der Druckgießbetriebe, das auch bei nicht
kostenintensiv optimierten Bauteilen porenarme Nähte liefert. In diesem Zusammenhang
bietet das Rührreibschweißen (engl.: Friction Stir Welding – FSW) eine vielversprechende
Möglichkeit zur kostengünstigen Herstellung hochwertige Schweißverbindungen. Als
Anlagentechnik kommen dabei CNC-Fräsbearbeitungszentren zum Einsatz, die in den
Druckgießereien für die spanende Bearbeitung der Gussbauteile verwendet werden. Neben
einem erheblichen Kostenvorteil resultiert aus dieser neuen Prozesskette die Möglichkeit,
neue, komplexe Geometrien mit Gussbauteilen zu realisieren und die Gießkosten zu senken.
Große Bauteile, die gießtechnisch nur aufwändig herzustellen sind, können in kleinere
Komponenten geteilt werden und im nachfolgenden Fügeprozess zum Endprodukt weiter
verarbeitet werden. Dies gibt kleinen Gießereien, die nicht über die großen, teuren Anlagen
zur Herstellung großer Bauteile verfügen, zusätzlich die Möglichkeit, neue Marktsegmente zu
gewinnen.
1.2 Beschreibung der Ausgangssituation
Viele der überwiegend mittelständischen Druckgießereien stehen unter einem starken
Kostendruck, der sie in zunehmendem Maße zwingt, die Wertschöpfungskette bei der
Herstellung ihrer Bauteile zu erweitern und damit die erzielbaren Deckungsbeiträge zu
erhöhen. Sie entwickeln sich daher in den letzten Jahren verstärkt zu Systemlieferanten, die
durch spanende Bearbeitung und durch externe Schweißarbeiten fertige Komponenten
produzieren. Das Schweißen von Aluminium-Druckguss, um z. B. Profile anzubinden oder
auch gießtechnisch nicht darstellbare Geometrien zu erreichen, wird dagegen ausschließlich
in externen Job-Shops ausgeführt oder, falls möglich, gänzlich vermieden. Bedingt durch den
Einsatz von Formtrennmitteln, in Kombination mit der starken Änderung der
Wasserstofflöslichkeit beim Erstarren der Gussschmelze, neigen Aluminium-
Druckgussbauteile beim Schmelzschweißen zu ausgeprägter Porenbildung in der Fügezone.
Die Schweißeignung von Aluminiumguss wird neben der Legierungszusammensetzung
somit auch stark durch den Gießprozess und die Wahl des Schweißverfahrens bestimmt.
Damit Aluminiumguss prozesssicher in der Fertigung geschweißt werden kann, sind deshalb
kostenintensive Optimierungen des Gießprozesses sowie des Trennmittelauftrages
unumgänglich.
Ausgehend von diesen Einschränkungen beim Fügen von Druckgussteilen aus Aluminium
erscheint es zweckmäßig, ein Schweißverfahren anzuwenden, das die beschriebenen
Nachteile der gängigen Schmelzschweißverfahren umgeht. Bei einem vorteilhaften
Schweißverfahren sollte deshalb die Verbindung mit vergleichsweise geringem
Wärmeeintrag unterhalb der Schmelztemperatur erfolgen. Als viel versprechende Möglichkeit
bietet sich hier das FSW an. Das Verfahren wurde 1991 erfunden /2/ und bezeichnet eine
Abwandlung des Reibschweißens, bei der die Reibwärme mit einem verschleißfesten,
rotierenden Werkzeug erzeugt wird. Es können vor allem Stumpf- sowie Überlappstöße

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 3
realisiert werden. Bei einer genaueren Betrachtung des Verfahrens ähnelt das FSW einem
Extrusionsprozess, d.h. die Verbindung entsteht unter hohen Druckspannungen und starker
Verformung unterhalb der Schmelztemperatur. Aus diesem Grund bildet sich ein sehr
feinkörniges und porenfreies Gefüge in der Fügezone aus. Beim Schweißen von
Strangpress- und Walzerzeugnissen aus Aluminium können mit diesem Fügeverfahren
exzellente Nahteigenschaften erreicht werden, die zum Teil erheblich über denen bekannter
Schmelzschweißverfahren liegen /3/.
In Vorbereitung der Antragstellung zum Forschungsvorhaben wurden intensive Gespräche
mit der Pierburg GmbH, die zu der Zeit als einzige Gießerei das FSW im Hause zum Fügen
von Abgaskühlern anwendet, und der Riftec GmbH, die das industrielle Fügen von Bauteilen
mit dem FSW-Verfahren bauteilbezogen entwickelt und anwendet, geführt. Die wichtigsten
Punkte zum aktuellen Stand der Entwicklung und auch die sich ergebenen offenen Fragen
sind im Folgenden kurz aufgeführt:
• Eine prozesssichere Fertigung kann nur durch kostenintensive Optimierungen der
gesamten Verfahrensschritte (Formauslegung (geschweißt wird ausschließlich in
Bereichen mit hoher Gussqualität), Waschen der Bauteile, spanende
Nahtvorbereitung und eine sorgfältiges Spannen, was einen annähernden Nullspalt
garantiert) erreicht werden.
• Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten besteht aber der Anspruch, das FSW ohne
spanende Bearbeitung durchzuführen. Die damit verbundene Spaltüberbrückbarkeit
bestimmt jedoch auch die erreichbaren Schweißgeschwindigkeiten und den
Anstellwinkel des Schweißwerkzeugs, so dass hier Forschungsbedarf vorliegt.
Kritisch ist auch die Änderung der Bauteilgeometrie durch den stets auftretenden
Formenverschleiß.
• Die üblichen Si-Gehalte der vergossenen Legierungen liegen bei 8 % bis 9 % und
sind damit untereutektisch. Sie können daher nur in einem engen Prozessfenster
gefügt werden, wenn die Gefahr, in den schmelzflüssigen Zustand mit den
entsprechenden Folgen zu kommen, vermieden werden soll. Daher besteht auch im
Hinblick auf die Legierungszusammensetzung Forschungsbedarf.
• Aufgrund der Ausbildung einer Gusshaut und der im Guss meist vorliegenden
Vorerstarrungen kann es beim FSW zu Bindefehlern in der Naht kommen. Auch
diese Fehler sind abhängig von der Schweißgeschwindigkeit und machen sich in
vielen Fällen erst bei einer dynamischen Belastung des Bauteils bemerkbar. Die
Gussqualität ist also ein wichtiger Faktor und der Einfluss auf die Prozessstabilität ist
noch nicht untersucht worden. Dazu gehört auch der Einfluss der Trennstoffzusammensetzung,
die über die Filmbildung direkt den Aufbau und die Dicke der
Gusshaut sowie die Rückstände auf der Oberfläche beeinflusst.
• Beim Fügen von Hohlstrukturen ist in der Regel keine Innenabstützung zum
Aufnehmen der Prozesskräfte vorhanden. Folge davon ist ein Verzug der Bauteile, so
dass im Vorfeld immer eine FSW-gerechte Konstruktion notwendig ist. Insbesondere
bei einer Umsetzung der Ergebnisse in kmU ist dieser Punkt zu beachten.