SB_19389NLP

2019
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Steigerung der industriellen
Anwendbarkeit des
Rührreibschweißens durch
ein wissensbasiertes und
anwenderfreundliches
Bedienkonzept

Steigerung der industriellen
Anwendbarkeit des
Rührreibschweißens durch
einwissensbasiertes und
anwenderfreundliches
Bedienkonzept
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.389 N
DVS-Nr.: 05.067
Technische Universität München,
Institut für Werkzeugmaschinen und
Betriebswissenschaften
Universität Stuttgart, Institut für
Flugzeugbau
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.389 N / DVS-Nr.: 05.067 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
© 2019 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 427
Bestell-Nr.: 170536
ISBN: 978-3-96870-426-5
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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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19389 N
Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung .............................................................................................................................. 3
2. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum ............................................................ 5
AP 1: Ermittlungen der Randbedingungen und Zielgrößen (iwb und IFB) .......................................... 5
AP 2: Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der Parametersätze für die Datenbank (iwb)
............................................................................................................................................................. 6
AP 3: Aufbau der empirischen Prozessmodelle (iwb) ....................................................................... 26
AP 4: Validierung der Prozessmodelle anhand von Demonstratorbauteilen (iwb) ........................... 51
AP 5: Aufbereitung der Daten für die Prozessdatenbank (iwb) ........................................................ 52
AP 6: Entwurf der Software-Architektur der Programm-Module und Einbindung in die
Prozessdatenbank (IFB).................................................................................................................... 53
AP 7: Programmierung der Prozessdatenbank (IFB) ....................................................................... 56
AP 8: Programmierung des FSW-Modules und Einbindung in die Prozessdatenbank (IFB) ........... 59
AP 9: Programmierung des datenbankgebundenen Algorithmus und Generierung des
Schweißprogrammes (IFB) ............................................................................................................... 62
AP 10: Entwicklung einer Vorgehensweise zur Erweiterung der Datenbank um andere Werkstoffe
und Blechdicken (iwb) ....................................................................................................................... 65
AP 11: Validierung des Gesamtsystems anhand eines Realbauteils bei PA-Mitglied (iwb) ............. 70
AP 12: Berichterstattung, PbA-Sitzungen, Dokumentation (iwb und IFB) ........................................ 70
3. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten Ergebnisse
insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten ................................................................................................................ 71
4. Verwendung der Zuwendung ............................................................................................................ 71
5. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .............................................................. 72
6. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................................................... 72
Im Jahr 2017 durchgeführte Transfermaßnahmen ........................................................................... 72
Im Jahr 2018 durchgeführte Transfermaßnahmen ........................................................................... 73
Im Jahr 2019 durchgeführte Transfermaßnahmen ........................................................................... 73
Weitere Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit .................................................................... 74
Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten Transferkonzepts ....... 75
7. Anhang .............................................................................................................................................. 77
Technische Zeichnungen .................................................................................................................. 77
Programmcodes ................................................................................................................................ 78
8. Danksagung ...................................................................................................................................... 93
9. Referenzen ........................................................................................................................................ 93

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19389 N
2. Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse im Berichtszeitraum
AP 1: Ermittlungen der Randbedingungen und Zielgrößen (iwb und IFB)
• Durchgeführte Arbeiten:
Im Rahmen von AP 1 wurden die Randbedingungen des Projekts zusammen mit den Mitgliedern
des projektbegleitenden Ausschusses (PA) festgelegt. Dazu zählten u. a. die zu untersuchenden
Nahtgeometrien, Aluminiumlegierungen und Blechdicken. Diese Faktoren haben wiederum Einfluss
auf die Art und Geometrie der Werkzeuge, welche ebenfalls mit dem PA vereinbart wurden.
Außerdem wurde ausgewählt, an welcher Rührreibschweißanlage die Untersuchungen durchgeführt
werden und ob die Versuche im kraft- oder positionsgeregelten Betrieb erfolgen sollten.
Zuletzt wurde mit dem PA abgestimmt, welches Demonstratorbauteil für den Nachweis der Funktionsfähigkeit
des Click&Weld-Systems geeignet ist.
• Erzielte Ergebnisse:
Zusammen mit den Mitgliedern des PA wurde der Konsens getroffen, dass für die Entwicklung
des Click&Weld-Systems die Aluminiumlegierungen EN AW-5754 und EN AW-6082 und Blechstärken
zwischen 2 mm und 6 mm eingesetzt werden. Neben geraden Schweißnähten sollten
gekrümmte Nahttrajektorien mit den Radien 0 mm, 5 mm und 15 mm untersucht werden. Aufgrund
des asymmetrischen Charakters der Nahtausbildung beim Rührreibschweißen (FSW)
sollte zudem zwischen linksgekrümmten und rechtsgekrümmten Nahtkonturen unterschieden
werden. Die Versuche sollten mit einem für das FSW umgerüsteten Fräs- und Bearbeitungszentrum
durchgeführt werden. Die Untersuchungen sollten auf die Herstellung von Verbindungen im
Stumpfstoß eingeschränkt sein.
Die Experimente zur Bestimmung der Prozessparameter, welche in einer Datenbank (DB) hinterlegt
werden sollten (Drehzahl n, Vorschubgeschwindigkeit f und Eintauchtiefe E t bzw. Axialkraft
F z ), war nach Ansicht des PA sowohl im positionsgeregelten als auch im kraftgeregelten
Betrieb durchzuführen. Dem Einsatz der am iwb zur Verfügung stehenden in-situ Temperaturmessung
und –regelung im Schweißwerkzeug zur systematischen Bestimmung von geeigneten
Schweißparametern hat der PA zugestimmt. Zudem war es der Wunsch des PA auch Vorschubgeschwindigkeiten
von über 1,0 m/min zu betrachtet, da auch diese als industriell relevant eingestuft
wurden. Für die eindimensionalen FSW-Nähte sollten Schweißwerkzeuge mit verschiedenen
Schultergeometrien und ein Anstellwinkel von ca. 2° verwendet werden. Bei den zweidimensionalen
Nahttrajektorien musste eine Schulter mit spiralförmiger Kontur und ein Anstellwinkel
von 0° verwendet werden. Dies war auf die Kinematik des verwendeten 4-Achs-Bearbeitungszentrums
zurückzuführen.
Die Nahtgeometrie für das Demonstratorbauteil sollte mäanderförmig sein. Diese Geometrie war
angelehnt an die Nahtgeometrie eines Realbauteils (einem Plattenkühler mit mäanderförmigem
Kühlkanal) eines PA-Mitglieds. Der Plattenkühler wurde in der industriellen Praxis aus der Aluminiumlegierung
EN AW-5754 H111 gefertigt und enthielt sowohl gerade als auch links- und rechtsgekrümmte
Konturen mit verschiedenen Radien und wurde deshalb als geeignete Vorlage für
den Nachweis der Funktionsfähigkeit des Click&Weld-Systems angesehen.

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19389 N
AP 2: Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der Parametersätze für die Datenbank
(iwb)
• Durchgeführte Arbeiten:
Auf Basis von AP 1 wurden zunächst positionsgeregelte experimentelle Untersuchungen mit den
Aluminiumlegierungen EN AW-5754 H111 und EN AW-6082 T6 durchgeführt. Die verwendeten
Schweißstiftdurchmesser d p und Schulterdurchmesser d s bei den verwendeten Blechdicken t sind
in Tabelle 1 dargestellt. Die Schweißstifte wurden dem iwb von einem Mitglied des PA geliefert.
Die Werkzeugschultern wurden am iwb gefertigt.
Tabelle 2.1. Verwendete Durchmesser für Schweißstift und -schulter für die verschiedenen
Blechdicken.
Blechdicke Schweißstiftdurchmesser d p Schulterdurchmesser d S
2 mm 3,5 mm 8,0 mm
3 mm 5,0 mm 14,0 mm
4 mm 6,0 mm 14,0 mm
6 mm 7,5 mm 17,5 mm
Abbildung 2.1 und Tabelle 2.2 geben Informationen zu weiteren verwendeten Abmessungen für
die drei verschiedenen Werkzeuggeometrien für die Blechdicke von 4 mm.
Abbildung 2.1. Im Projekt Click&Weld verwendete Werkzeuggeometrien mit verschiedenen
Schulterkonturen.

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19389 N
Tabelle 2.2. Werte für geometrischen Abmessungen für die drei verwendeten Schulterkonturen
bei einer Blechdicke von 4 mm.
Geometrie Wert
r p
1,75 mm
r s
4 mm
h p
1,85 mm
r t
10 mm
β 10°
γ 10°
w s
0,7 mm
d s
0,7 mm
δ 360°
Geometrie Wert
r s1
3 mm
r s2
6 mm
d r
0,4 mm
ε 30°
ζ 60°
r r1
3.84 mm
r r2
5,14 mm
6,44 mm
r r3
Es wurden zunächst die Blechdicken 2 mm, 3 mm und 4 mm betrachtet. Im Rahmen von zehn
Versuchsreihen wurden dabei insgesamt 262 Schweißnähte mit gerader Nahttrajektorie gefertigt.
Tabelle 2.3 listet die zehn Versuchsreihen mit den zugehörigen Experimentnummern sowie der
jeweils verwendeten Legierung, der Schultergeometrie und der Blechdicke auf.
Tabelle 2.3. Durchgeführte positionsgeregelte Experimente zur Bestimmung geeigneter Parametersätze.
Versuchsreihnummer
Experiment-
Legierung Schultergeometrie Blechdicke
1 001-016 EN AW-5754 H111 konkav 4 mm
2 017-032 EN AW-5754 H111 spiralförmig 4 mm
3 033-048 EN AW-6082 T6 konkav 4 mm
4 049-064 EN AW-5754 H111 konzentrische Ringe 4 mm
5 065-080 EN AW-6082 T6 konzentrische Ringe 4 mm
6 081-096 EN AW-6082 T6 konzentrische Ringe 4 mm
7 097-112 EN AW-5754 H111 konkav 2 mm
8 113-128 EN AW-5754 H111 konzentrische Ringe 4 mm
9 129-141 EN AW-6082 T6 konkav 4 mm
10 142-262 EN AW-6082 T6 konzentrische Ringe 3 mm
In Anlehnung an ZÄH ET AL. [1] wurde außer in den Versuchsreihen 9 und 10 das in Abbildung 2.2
dargestellte Parameterfenster untersucht.