SB_19729NLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
FriCoat – Untersuchungen
zum Rührreibschweißen
von beschichteten
Aluminiumblechen

FriCoat – Untersuchungen zum
Rührreibschweißen von
beschichteten
Aluminiumblechen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.729 N
DVS-Nr.: 05.070
RWTH Aachen
Institut für Schweißtechnik und
Fügetechnik (ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.729 / DVS-Nr.: 05.070 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.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 468
Bestell-Nr.: 170578
ISBN: 978-3-96870-468-5
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Schlussbericht
zu IGF-Vorhaben Nr. 19.729 N
Thema
FriCoat - Untersuchungen zum Rührreibschweißen von beschichteten Aluminiumblechen
Berichtszeitraum
01.10.2017 - 31.03.2020
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
RWTH Aachen - Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)
Aachen, 30.09.2020
Dr.-Ing. Alexander Schiebahn
Ort, Datum
Name und Unterschrift aller Projektleiterinnen und Projektleiter der
Forschungseinrichtung(en)

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.729 N
Inhaltsverzeichnis
1 Kurzzusammenfassung .............................................................................................. 4
2 Danksagung ................................................................................................................ 5
3 Einleitung .................................................................................................................... 6
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung .......................................................... 6
3.2 Forschungsziel ......................................................................................................... 6
3.3 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen ....................................................................................................................... 8
4 Durchgeführte Arbeiten, Ergebnisse und Bewertung ............................................ 11
4.1 Anlagentechnik ...................................................................................................... 11
4.1.1 Schweißanlage ...................................................................................................... 11
4.1.2 Schweißwerkzeuge ................................................................................................ 12
4.2 Untersuchte Grundwerkstoffe ................................................................................. 13
4.3 Beschichtungen...................................................................................................... 14
4.4 Schmierstoffe ......................................................................................................... 20
4.5 Referenzschweißungen .......................................................................................... 22
4.6 Schweißversuche an beschichteten Blechen ......................................................... 26
4.6.1 FSW Eloxierung EN AW 5754 1,5 mm ................................................................... 26
4.6.2 FSW Eloxierung EN AW 5754 4 mm ...................................................................... 36
4.6.3 FSW Eloxierung EN AW 6016 1,5 mm ................................................................... 47
4.6.4 FSW Konversionsbehandlung EN AW 5754 1,5 mm .............................................. 51
4.6.5 FSW Konversionsbehandlung EN AW 5754 4 mm ................................................. 57
4.6.6 FSW Konversionsbehandlung EN AW 6016 1,5 mm .............................................. 61
4.6.7 FSW Imprägnierung AlSi14 4 mm .......................................................................... 64
4.6.8 Maßnahmen ........................................................................................................... 70
4.6.9 FSSW Versuche..................................................................................................... 83
4.6.10 Korrosionsuntersuchungen .................................................................................... 89
4.6.11 Temperaturmessungen .......................................................................................... 98
4.6.12 Dauerfestigkeitsversuche ..................................................................................... 100

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.729 N
4.7 Ergebnisse der Versuche mit Schmierstoffen ....................................................... 102
4.7.1 Beschichtung mit Tiefziehöl .................................................................................. 103
4.7.2 Beschichtung mit Kühlschmierstoff ....................................................................... 109
4.7.3 Trockenschmierstoff ............................................................................................. 113
5 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
Forschungsergebnisse insbesondere für KMU und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ................................................................................... 118
6 Zusammenfassung und Ausblick .......................................................................... 120
7 Verwendung der Zuwendung ................................................................................. 124
8 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ............................... 125
9 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ......................................................................... 126
10 Durchführende Forschungseinrichtungen ........................................................... 131
11 Literaturverzeichnis ................................................................................................ 132
12 Anhang .................................................................................................................... 135

Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.729 N
2 Danksagung
Das IGF-Vorhaben 19.729 N der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren
e. V. (DVS) wird 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.
Der vorliegende Bericht ist der Schlussbericht des Forschungsvorhabens.
Die Ergebnisse wurden von wissenschaftlichen Mitarbeitern und von Studierenden der RWTH
Aachen University in Zusammenarbeit mit einem projektbegleitenden Ausschuss von
Industrieunternehmen erarbeitet.
Die hier veröffentlichten Ergebnisse und Ausführungen sind auszugsweise Bestandteil der
Promotionsarbeit von Alexandros Pipinikas.
Dem Deutschen Bundestag, dem BMWi und den Arbeitsgruppen der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e. V. gilt unser Dank.
Darüber hinaus danken wir den Firmen des projektbegleitenden Ausschusses und ihren
Mitarbeitern für die Beteiligung, konstruktive Diskussion und inhaltliche Teilnahme.

Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.729 N
3 Einleitung
3.1 Wissenschaftlich-technische Problemstellung
Rührreibschweißen ist ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, insbesondere für
Aluminiumlegierungen, bei dem ein rotierendes Werkzeug, dass aus einer Schulter und einem
Stift besteht, das Material in der Fügezone durch Reibwärme plastifiziert und verbindet. Da die
Werkstoffe nicht aufgeschmolzen werden, können auch bedingt schmelzschweißbare
Werkstoffe sicher gefügt werden. [1]
Neben Längsnähten können mit entsprechenden Verfahrensvarianten auch punktförmige
Verbindungen erzeugt werden. Zum Rührreibschweißen kann durch einen Werkzeugwechsel
auch eine Fräsanlage verwendet werden, was das Verfahren für KMU interessant macht. Die
Oberflächen von Aluminiumbauteilen in der Praxis weisen jedoch oftmals
Schmiermittelrückstände aus der Teileherstellung auf oder müssen gegen Verschleiß und
Korrosion beschichtet werden. Dies erfordert zusätzliche finanzielle und zeitliche
Aufwendungen für Vor- und Nacharbeiten. Ein prinzipieller Vorteil des Rührreibschweißens
gegenüber anderen stoffschlüssigen Verfahren ist, durch diese „beschichteten“ Oberflächen
hindurch prozesssicher fügen zu können. Fehlendes Wissen darüber hindert die Anwender
allerdings, dies in der Fertigung zu praktizieren, wodurch das wirtschaftliche Potential des
Verfahrens nicht voll ausgenutzt wird.
3.2 Forschungsziel
Der Stand der Technik zeigt, dass durch Beschichtungen wie Oxidschichten oder Fluide
grundsätzlich rührreibgeschweißt werden kann, es jedoch an systematischen Prozesswissen
für eine allgemeine Anwendung fehlt.
Die Arbeitshypothese dieses Vorhabens ist, dass durch Verständnis der Vorgänge beim
Rührreibschweißen von nicht metallisch blanken Oberflächen und den damit verbundenen
Fehlerrisiken geeignete Prozessmodifikationen durchgeführt werden können, die die sichere
und fehlerfreie Herstellung entsprechender Verbindungen ermöglicht. Dadurch sind vor- und
nachgelagerte Fertigungsschritte, wie beispielsweise das Reinigen oder das Nachbeschichten
kompletter Baugruppen, nicht länger zwangsläufig notwendig.
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Zusammenhänge zwischen Prozess, Werkstoff
und Oberflächenzustand zu untersuchen, Randbedingungen für einen sicheren Fügeprozess
zu identifizieren und diese in Anwendungshinweise zu überführen, sodass Vorarbeiten
reduziert und fertig beschichtete Bauteile direkt gefügt werden können. Hierzu gilt es im
Rahmen der Untersuchungen die folgenden Forschungsfragen zu beantworten:
• Können beschichtete Bleche auf gleiche Weise wie unbeschichtete rührreibgeschweißt
werden und weisen sie gleichzeitig ähnliche Verbindungseigenschaften auf?
• Welche notwendigen Änderungen der Schweißparameter ergeben sich, um fehlerfrei
Verbindungen zu erhalten?
• Welche Festigkeiten können maximal erreicht werden? Wie wird die Beschichtung aus
der Rührzone verdrängt oder eingelagert?
• Führt die Verfahrensvariante (FSW, FSSW) aufgrund des unterschiedlichen
Materialtransports zu signifikanten Unterschieden der Verbindungseigenschaften?
• Bleibt die Hauptaufgabe der Beschichtungen, nämlich der Korrosionsschutz an den
kritischen Stellen, wie in Abbildung 1 dargestellt, erhalten und insbesondere: Wie

Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.729 N
verändert sich die Beschichtung und ihre Funktion als Korrosionsschutz durch den
Fügeprozess?
Abbildung 1: Kritische Bereiche beim Überlapp- und Stumpfstoß
Alle Untersuchungen innerhalb dieses Projektes wurden an industrieüblichen (weit
verbreiteten) Anlagen und Werkstoffen durchgeführt.

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.729 N
3.3 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen
An der Bearbeitung des Projekts war ausschließlich das Institut für Schweißtechnik und
Fügetechnik (ISF) der RWTH Aachen University beteiligt.
Das Projekt war in mehreren aufeinander aufbauenden Arbeitspaketen gegliedert. AP 1 diente
der allgemeinen Vorbereitung wie Versuchsplanung, der Inbetriebnahme der Schweißanlage
und Prüfstände sowie der Ermittlung von passenden Parameterbereichen für die
unbeschichteten Bleche und der anschließenden Definition der Referenzschweißungen. Ziel
von AP 2 war es, den Einfluss der Beschichtungen auf Schweißparameter und
Schweißergebnis anhand von 1,5 mm dicken Blechen zu untersuchen. Basierend auf die
Erfahrungen von AP 2 wurde in AP 3 der Einfluss der Beschichtungen anhand von dickeren
Blechen untersucht (4 mm). In AP 4 wurden Versuche mit verunreinigten Blechen mit
unterschiedlichen Schmierstoffen durchgeführt, um den Einfluss dieser auf den
Schweißprozess zu dokumentieren. Das AP 5 lief begleitend zu den übrigen Arbeitspaketen
und hatte zum Ziel, unter Einsatz unterschiedlicher Prüfmethoden die
Verbindungseigenschaften und den Korrosionsschutz zu charakterisieren. In AP 6 sollte die
Erarbeitung einer Anwendungsempfehlung und der Entwurf einer DVS Richtlinie stattfinden,
dies wurde aber vom Fachausschuss 5 (Sonderverfahren) als nicht nötig empfunden. Die
Erstellung dieses Abschlussberichts ist Inhalt des AP 7.
Projektlaufzeit in Quartalen
Arbeitspunkt 1 2 3 4 5 6 7 8
1. Ermittlung von passenden Parameterbereichen an
ausgewählten Versuchswerkstoffen
2. Untersuchung des Einflusses der Beschichtungen
auf Schweißparameter und Ergebnis (1,5 mm)
3. Untersuchung des Einflusses der Materialdicke auf
Schweißparameter und Ergebnis (4 mm)
4. Untersuchung des Einflusses von Schmierstoffen
auf Schweißparameter und Ergebnis
5. Prüfung und Charakterisierung des
Korrosionsschutzes und der
Verbindungseigenschaften:
6.Erarbeitung Anwendungsempfehlung,
Entwurf für DVS-Richtlinie
7. Auswertung und Dokumentation der Ergebnisse in
einem ausführlichen Abschlussbericht
Tabelle 1: Arbeitsplan
Die ursprünglich im Antrag vorgesehene Knetlegierung EN AW-7075, so wie die
Gusslegierung AlSi9MgMn wurden in Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 19.729 N
durch die automobilrelevante Knetlegierung EN AW-6016 und die Gusslegierung AlSi14,
welche vom Projektpaten Audi AG bereitgestellt wurden, ersetzt.
Des Weiteren wurde die im Projektantrag aufgeführte Chrome-III-Passivierung Alodine 400 als
zweite Beschichtung auf Vorschlag des projektbegleitenden Ausschusses und insbesondere
von Aalberts Surface Treatment durch die Konversionsbeschichtung auf Zirkoniumbasis
Bonderite M-NT 5800 ersetzt.
Beim Auftragen der Schmierstoffe wurden in Absprache mit dem projektbegleitenden
Ausschuss drei Varianten definiert:
A. Aufsprühen eines dünnen Films auf die Bleche und einmaliges Abwischen mit
einem trockenen Papiertuch
B. Eintauchen der Bleche in den Schmierstoff ohne weitere Reinigung
C. Aufsprühen eines dünnen Films auf die Bleche und mindestens 6 Stunden trocknen
lassen
Für die in Abbildung 2 aufgeführten Kombinationen von Grundwerkstoff, Stoßart, Beschichtung
oder Schmierstoff wurden die Einflüsse der jeweiligen Beschichtungen und Schmierstoffe auf
das Schweißergebnis für unterschiedliche Parameterbereiche untersucht und dokumentiert.
Die zu erwartenden Festigkeiten, so wie Nahtoptik und auftretende innere Ungänzen wurden
stets dokumentiert. Es wurden Temperaturmessungen durchgeführt um die Unterschiede
zwischen den Beschichtungen zu dokumentieren.
So wurde das Forschungsziel erreicht, systematisches Wissen über das Verhalten der
Beschichtungen beim Rührreibschweißen und die zu erwartenden Verbindungseigenschaften
aufzubauen. Dabei wurde gezeigt, dass das Rührreibschweißen von beschichteten Blechen
nur bedingt wie das Schweißen von nicht beschichteten Blechen funktioniert. Besonders bei
der Eloxierung war es auch mit einer Variierung der Parameter nicht möglich, die auftretenden
Fehler zu eliminieren und die erreichten Festigkeiten zu erhöhen.