SB_17.556NLP

2015
Abschlussbericht
DVS-Forschung
HIGHspeed FSW - Deutliche
Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit
beim
Rührreibschweißen mittels
konduktiver Erwärmung

HIGHspeed FSW - Deutliche
Erhöhung der
Schweißgeschwindigkeit beim
Rührreibschweißen mittels
konduktiver Erwärmung
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.556 N
DVS-Nr.: 05.050
RWTH Aachen University Institut für
Schweißtechnik und Fügetechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.556 N / DVS-Nr.: 05.050 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
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2015 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 283
Bestell-Nr.: 170392
ISBN: 978-3-96870-282-7
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 1
I
Inhaltsverzeichnis
I Inhaltsverzeichnis .................................................................................. 1
1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung / Anlass für den
Forschungsantrag .................................................................................. 3
Grundlagen, Beschreibung der Ausgangssituation und Stand der
Forschung .............................................................................................. 6
Rührreibschweißen ................................................................................ 6
Verfahrensprinzip ................................................................................... 6
2.2.1 Vergleich Rührreibschweißen mit WIG .................................................... 8
2.2.2 Schweißparameter .................................................................................. 9
2.2.3 Makrostruktur ........................................................................................ 10
2.2.4 Mikrostruktur .......................................................................................... 11
2.2.5 Temperaturverlauf ................................................................................. 12
2.2.6 Wärmebilanz im Rührreibschweißen ..................................................... 14
Konduktiv unterstütztes Rührreibschweißen ........................................ 15
2.3.1 Wärmebilanz durch konduktive Unterstützung ...................................... 15
2.3.2 Vorteile konduktiver Unterstützung ........................................................ 16
Elektroplastizität ................................................................................... 17
2.4.1 Metallphysikalische Grundlagen ............................................................ 17
2.4.2 Experimentelle Arbeiten zum elektroplastischen Effekt ......................... 18
Aluminiumlegierung EN AW-5754 ........................................................ 20
2.5.1 Mechanische Eigenschaften von Aluminiumlegerungen der 5000er
Gruppe .................................................................................................. 20
2.5.2 Bruchmechanik ...................................................................................... 22
2.5.3 Intermetallische Phasen in EN AW-5754 .............................................. 23
Stahllegierung RA-K 40/70 .................................................................. 24
Herausforderungen und bisherige Ansätze .......................................... 25
2.7.1 Reduktion der Prozesskräfte ................................................................. 25
2.7.2 Verringerung des Werkzeugverschleißes .............................................. 25
2.7.3 Temperaturmanagement ....................................................................... 25
2.7.4 Konduktiv unterstütztes Rührreibschweißen ......................................... 27
Versuchseinrichtungen und Versuchswerkstoffe ................................. 29
Schweißmaschine ................................................................................ 29
Stromquelle .......................................................................................... 30
Kontaktierungseinheit .......................................................................... 31
Werkzeugaufnahme ............................................................................. 33
Verwendete Schweißwerkzeuge .......................................................... 33
3.5.1 Fügen von Aluminium ............................................................................ 33
3.5.2 Fügen von Stahl .................................................................................... 35
Prüfung geschweißter Verbindungen ................................................... 36
3.6.1 Querzugversuch .................................................................................... 36
3.6.2 Scherzugversuch ................................................................................... 36
3.6.3 Probenherstellung ................................................................................. 37
3.6.4 Metallographie ....................................................................................... 38
Ergebnisse der Untersuchungen .......................................................... 39
Durchführung der Schweißversuche .................................................... 39

Inhaltsverzeichnis 2
II
III
IV
V
VI
Schweißregelprozesse ......................................................................... 40
Allgemeine Beschreibung der Kraftverläufe ......................................... 43
4.3.1 Axialkraft ................................................................................................ 43
4.3.2 Hintergründe der Kraftüberhöhung bei Vorschubbeginn ....................... 45
4.3.3 Längskraft .............................................................................................. 48
4.3.4 Querkraft ............................................................................................... 50
Einfluss der Axialkraft auf die Nahtqualität ........................................... 50
Einfluss konduktiver Unterstützung auf die Nahtqualität ...................... 51
Bruchverhalten ..................................................................................... 52
1,5 mm Stumpfstoß AW 5754 .............................................................. 53
4.7.1 Schweißungen mit geringer Vorschubgeschwindigkeit ......................... 54
4.7.2 Schweißungen mit mittlerer Vorschubgeschwindigkeit .......................... 55
4.7.3 Schweißungen mit hoher Vorschubgeschwindigkeit ............................. 56
4.7.4 Schweißungen mit geringer Drehzahl ................................................... 58
2 x 2,0 mm Überlappstoß EN AW-5754 mit St-10-3 ............................ 60
2 x 2,0 mm Überlappstoß EN AW-5754 mit St-12-3 ............................ 64
2 x 2,0 mm Überlappstoß EN AW-5754 mit WCCu-12-3 ..................... 68
2 x 3,0 mm Überlappstoß EN AW-5754 mit St-12-4 ............................ 70
Schweißen von Stahl ........................................................................... 71
Zusammenfassung und Ausblick ......................................................... 79
Wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für KMU .......... 81
Überblick über Transfer der Forschungsergebnisse ............................ 82
Durchführende Forschungsstelle ......................................................... 86
Danksagung ......................................................................................... 87
Formelzeichen und Abkürzungen ........................................................... i
Bilderverzeichnis…………………………………………………………..…iii
Tabellenverzeichnis………………………………………………………….ix
Literaturverzeichnis ................................................................................ x
Anhang ................................................................................................ xvi

1 Einleitung 3
1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung / Anlass für den
Forschungsantrag
Bedingt durch die gegenwärtig bedeutende Rolle der Leichtbauweise im Fahrzeug-,
Schiff- und Flugzeugbau sind in der Schweiß- und Fügetechnik die Anforderungen
bezüglich Qualität und Wirtschaftlichkeit gestiegen. Seit seiner Erfindung in 1991 hat
Rührreibschweißen daher eine zunehmende Bedeutung in der Schweißung von
Aluminiumwerkstoffen bekommen. [LOH14]
Wie der Name bereits verrät werden beim Rührreibschweißen die Fügebauteile über
ein rotierendes Werkzeug durch Reibwärme erhitzt und ineinander verrührt, ohne dass
dabei der Schmelzpunkt erreicht wird. Durch den Entfall einer schmelzflüssigen Phase
weisen rührreibgeschweißte Nähte eine geringere Neigung zu Eigenspannungen,
Verzug, Porenbildung und Heißrissen auf als Schmelzschweißverfahren. Weitere
Vorteile sind eine gute Automatisier- und Reproduzierbarkeit, sowie eine
umweltfreundliche Prozessgestaltung, da sowohl auf Schweißzusatzstoffe als auch
auf Hilfsstoffe, wie Schutzgas oder Schweißpulver verzichtet werden kann. [TOU14]
Neben all der Vorteile birgt Rührreibschweißen jedoch auch eigene spezifische
Herausforderungen. Die hohen aufzubringenden Axialkräfte im Prozess erschweren
Schweißungen im T-Stoß und Fügen von Karosserien, da die zu verschweißenden
Profile den Prozesskräften meist nicht ohne Dickenaufmaß standhalten. [MOR13]
Weiter sind zur Fixierung der Fügebauteile hohe Niederhalterkräfte nötig [RIC12] oder
Einsatz der Klebstofffixierung [REI14]. Das Spannen und Lösen dieser
Niederhaltervorrichtungen gestaltet sich als besonders zeitintensiv, weshalb sich der
Rührreibschweißprozess vor allem in den Industriezweigen durchgesetzt hat, in denen
lange durchgängige Schweißnähte gefordert sind. [LOH10]
So vermeldet Hydro Marine Aluminium, dass in Schiffswerften, in welchen
vorgefertigte rührreibgeschweißte Paneele verwendet werden, die Arbeitsstundenzahl
für die Verarbeitung einer Tonne Aluminium um 15 % herabgesetzt wurde. [LOH10]
Firma Boeing berichtet, dass durch eine Designanpassung der Delta IV und Delta II
Raketen, welche auf den Rührreibschweißprozess spezifiziert ist, eine
Kostenersparnis von 60 % und eine Verringerung der Herstellungszeit von 23 auf 6
Tage erreicht werden konnte. [LOH10] Auch das Raumfahrtunternehmen SpaceX
setzt bei der aktuellen Fertigung seiner Falcon 9 Raketen auf diese Technologie, siehe
Bild 1-1. [SPA15a]
Bild 1-1 Schweißung der ersten (links) und zweiten (rechts) Raketenstufe der SpaceX
Falcon 9 Rakete durch eine umlaufende Rührreibschweißanlage
[SPA15a, SPA15b]

1 Einleitung 4
Des Weiteren findet der Rührreibschweißprozess im Schienenfahrzeugbau bereits
Anwendung. So werden die Wagons der Victoria Line der Londoner Underground nicht
zuletzt wegen des dadurch verbesserten Crashverhaltens durch den
Rührreibschweißprozess gefertigt. [TWI11]
Für die Schweißung von Stählen wird ebenfalls eine aussichtsreiche Zukunft in der
Rührreibschweißtechnologie vorausgesagt. So setzt das von der EU geförderte
Projekt HILDA auf eine Implementierung rührreibgeschweißter Stahlpaneele im
Schiffbau. Im Gegensatz zu Aluminium gestaltet sich Rührreibschweißen von Stahl,
bedingt durch seine hohe Festigkeit und Schmelztemperatur, gegenwärtig noch als
unwirtschaftlich, da der Werkzeugverschleiß relativ hoch ist und die
Schweißgeschwindigkeiten gering sind. [TOU14]
In dem vorliegenden Projekt soll der Einfluss eines elektrischen Stroms auf den
Rührreibschweißprozess erörtert werden. Wird im konventionellen Verfahren die
Prozesswärme lediglich durch Reibung generiert, so kann im konduktiv unterstützten
Prozess die Fügestelle zusätzlich erwärmt und plastifiziert werden. Hierdurch kann
sowohl bei der Schweißung von Aluminium- als auch bei Stahllegierungen die
Schweißgeschwindigkeit erhöht und dadurch die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden.
[HAR14]
Während bisherige Veröffentlichungen über die Einbringung einer zusätzlichen
Wärmequelle in den Schweißprozess sich auf Experimente mit umfunktionierten
Fräsmaschinen berufen [FER08, LUO14, POT13] wird in diesem Projekt eine moderne
industrielle Rührreibschweißanlage verwendet. Eine Extrapolation der Ergebnisse auf
gegenwärtige Herstellungsmethoden ist folglich gegeben.
Bisherige Herausforderungen im Rührreibschweißprozess belaufen sich auf
auftretende Temperaturgradienten zwischen Krone und Wurzel, hohe aufzubringende
Axialkräfte, niedrige Schweißgeschwindigkeiten und hohem Werkzeugverschleiß,
speziell bei höherfesten und hochschmelzenden Werkstoffen.
Konduktive Unterstützung bietet die Möglichkeit diesen Herausforderungen
entgegenzuwirken. Bisherige Veröffentlichungen berichten bereits über eine
Absenkung der nötigen Prozesskräfte und einer Anhebung der möglichen
Schweißgeschwindigkeit. Die Ergebnisse dieser Veröffentlichungen beruhen jedoch in
aller Regel auf Experimenten an umfunktionierten Fräsmaschinen im Labormaßstab.
In diesem Projekt soll daher der Einfluss konduktiver Unterstützung an einer modernen
industriellen Rührreibschweißanlage hoher Leistung untersucht werden.
Konventionelle Rührreibschweißungen werden hierbei mit konduktiv unterstützten
Schweißungen verglichen. Aufgrund der hohen Anzahl an einzustellenden Parametern
und deren gegenseitigem Einfluss aufeinander wird angestrebt möglichst viele dieser
Parameter konstant zu halten.
Ziel ist an dieser Stelle nicht optimale Schweißnähte mit maximaler Festigkeit
herzustellen, hierfür sind noch ausführliche Parameterstudien nötig, sondern fundierte

1 Einleitung 5
Aussagen zu treffen für welche Bereiche sich eine konduktive Unterstützung eignet
und wo die Grenzen hierbei liegen.
Hierfür werden Schweißungen an EN AW-5754 Aluminiumblechen im Stumpf- und
Überlappstoß, sowie an RA-K 40/70 Stahlblechen im Überlappstoß durchgeführt.
Des Weiteren werden unterschiedliche Werkzeuggeometrien, sowie
Werkzeuglegierungen verwendet und ihre Eignung für einen konduktiv unterstützten
Rührreibschweißprozess bewertet. Neben der Auswertung der Prozesskraft-
Messschriebe, werden Scherzugversuche, metallografische Untersuchungen und
Thermografie-Bildaufnahmen herangezogen um den Einfluss konduktiver
Unterstützung qualitativ zu analysieren.