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2023<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Charakterisierung der<br />
geometrischen<br />
Verschleißeigenschaften<br />
von Rührreibschweißwerkzeugen<br />
und<br />
Entwicklung einer Methodik<br />
zur Abschätzung des<br />
maximal ertragbaren<br />
Verschleißes
Charakterisierung der<br />
geometrischen<br />
Verschleißeigenschaften von<br />
Rührreibschweißwerkzeugen<br />
und Entwicklung einer Methodik<br />
zur Abschätzung des<br />
maximal ertragbaren<br />
Verschleißes<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 21.624 N<br />
DVS-Nr.: 05.3367<br />
Technische Universität Ilmenau<br />
Fakultät Maschinenbau<br />
Fachgebiet Fertigungstechnik<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.624 N / DVS-Nr.: 05.3367 der Forschungsvereinigung<br />
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,<br />
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen<br />
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund<br />
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 586<br />
Bestell-Nr.: 170696<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Schlussbericht vom 31.07.2023<br />
zu IGF-Vorhaben Nr. 21.624 BR<br />
Thema<br />
Charakterisierung der geometrischen Verschleißeigenschaften von<br />
Rührreibschweißwerkzeugen und Entwicklung einer Methodik zur Abschätzung des maximal<br />
ertragbaren Verschleißes<br />
Berichtszeitraum<br />
01.02.2021 - 31.07.2023<br />
Forschungsvereinigung<br />
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
Forschungseinrichtung(en)<br />
Technische Universität Ilmenau<br />
Fakultät Maschinenbau<br />
Fachgebiet Fertigungstechnik<br />
Gustav-Kirchhoff-Platz 2<br />
98693 Ilmenau
Inhaltsverzeichnis<br />
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ............................................................... II<br />
Danksagung .............................................................................................................. IV<br />
Abkürzungsverzeichnis .............................................................................................. IX<br />
Symbolverzeichnis ...................................................................................................... X<br />
1. Einleitung .......................................................................................................... 1<br />
2. Stand der Technik ............................................................................................. 2<br />
2.1 Rührreibschweißen ...................................................................................... 2<br />
2.1.1 Prozessbeschreibung ................................................................................ 3<br />
2.1.2 Prozesseinstellgrößen ............................................................................... 4<br />
2.1.3 Wärmeerzeugung und –ableitung beim Rührreibschweißen ..................... 5<br />
2.1.4 Werkstofftransport beim Rührreibschweißen ............................................. 9<br />
2.1.5 Schweißnahtcharakteristik und Schweißnahtunregelmäßigkeiten ........... 11<br />
2.1.6 Rührreibschweißwerkzeuge ..................................................................... 13<br />
2.2 Verschleiß beim Rührreibschweißen ......................................................... 18<br />
2.2.1 Grundlagen der Tribologie ....................................................................... 18<br />
2.2.2 Verschleiß an Rührreibschweißwerkzeugen ............................................ 20<br />
3. Ziele des Vorhabens ....................................................................................... 26<br />
4. Experimentelle Methoden ............................................................................... 28<br />
4.1 Schweißeinrichtung ................................................................................... 28<br />
4.1.1 Versuchsanlage ....................................................................................... 28<br />
4.1.2 Spannvorrichtung ..................................................................................... 29<br />
4.1.3 Versuchswerkstoffe ................................................................................. 29<br />
4.1.4 Rührreibschweißwerkzeuge ..................................................................... 32<br />
4.2 Prozesscharakterisierung .......................................................................... 35<br />
4.2.1 Prozesskraftmessung .............................................................................. 35<br />
4.2.2 Drehmomentmessung ............................................................................. 35<br />
4.2.3 Temperaturmessung ................................................................................ 36<br />
4.2.4 Bestimmung des Werkstofftransportes .................................................... 37<br />
4.3 Schweißnahtcharakterisierung ................................................................... 38<br />
4.3.1 Sichtprüfung............................................................................................. 38<br />
4.3.2 Biegeprüfung ........................................................................................... 38<br />
4.3.3 Zugprüfung .............................................................................................. 39<br />
4.3.4 Metallografie ............................................................................................ 40<br />
VI
4.4 Werkzeugcharakterisierung ....................................................................... 41<br />
4.4.1 Sichtprüfung durch Bildaufnahmen .......................................................... 41<br />
4.4.2 Lichtmikroskopische Aufnahmen ............................................................. 42<br />
4.4.3 Rasterelektronenmikroskopie .................................................................. 42<br />
4.4.4 Wiegen .................................................................................................... 43<br />
4.4.5 Profilometrie ............................................................................................. 44<br />
4.4.6 Durchlichtprojektion ................................................................................. 44<br />
4.4.7 Streifenlichtprojektion .............................................................................. 45<br />
4.4.8 Härtemessung ......................................................................................... 45<br />
5 Ergebnisse ...................................................................................................... 47<br />
5.1 Validierung und Referenzierung geeigneter Versuchsbedingungen .......... 47<br />
5.1.1 Validierung einer geeigneten Reinigungsmethodik .................................. 47<br />
5.1.2 Weiterentwicklung der bestehenden Schweißeinrichtung ........................ 50<br />
5.1.3 Entwicklung geeigneter Einstellgrößen und Referenzierung der<br />
Schweißverbindungen ............................................................................. 52<br />
5.1.4 Referenzieren der Rührreibschweißwerkzeuge im unverschlissenen<br />
Ausgangszustand .................................................................................... 56<br />
5.1.5 Validierung der Prozesstemperaturen für die betrachteten Arbeitsbereiche<br />
.................................................................................................... 65<br />
5.2 Verschleißverhalten in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge ..................... 70<br />
5.2.1 Kombinierte Verschleißbetrachtung bestehend aus Eintauch-, Verweil- und<br />
Schweißphase ......................................................................................... 70<br />
5.2.2 Isolierte Verschleißbetrachtung an wiederholten Eintauchvorgängen ... 123<br />
5.3 Prozesscharakterisierung in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge .......... 127<br />
5.3.1 Charakterisierung der Schweißverbindungen in Abhängigkeit der<br />
Schweißnahtlänge ................................................................................. 127<br />
5.3.2 Charakterisierung messbarer Prozessgrößen ....................................... 146<br />
5.4 Definition der versagensrelevanten Randbedingungen ........................... 161<br />
5.5 Entwicklung einer Methodik zur Abschätzung des tolerierbaren<br />
Werkzeugverschleißes ........................................................................ 176<br />
5.6 Übertragung der Erkenntnisse auf veränderte Füge- und<br />
Werkzeugwerkstoffe sowie Werkzeuggeometrien ............................... 181<br />
5.7 Übertragung auf Demonstratoren ............................................................ 196<br />
6 Zusammenfassung ........................................................................................ 202<br />
7 Formales ....................................................................................................... 205<br />
VII
7.1 Schlussfolgerungen und Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den<br />
Zielstellungen des Forschungsantrags ................................................ 205<br />
7.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ..................... 212<br />
7.3 Wissenschaftlich-technischer Nutzen ...................................................... 213<br />
7.4 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsvorhabens für kmU ..<br />
...................................................................................................... 213<br />
7.5 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Transferkonzepts ..<br />
...................................................................................................... 214<br />
8 Verwendung der Zuwendung ........................................................................ 214<br />
8.1 Geräteanschaffung .................................................................................. 214<br />
8.2 Leistungen Dritter .................................................................................... 214<br />
9 Transfer der Forschungsergebnisse ............................................................. 215<br />
9.1 Bereits durchgeführte Transfermaßnahmen ............................................ 215<br />
9.2 Geplante Transfermaßnahmen nach Abschluss des Vorhabens ............. 216<br />
9.3 Angaben zu gewerblichen Schutzrechten ................................................ 217<br />
Literaturverzeichnis ................................................................................................. VIII<br />
Tabellenverzeichnis ................................................................................................. XIV<br />
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................. XV<br />
VIII
Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.624 BR<br />
1. Einleitung<br />
Die aktuelle politische und wirtschaftliche Situation in Verbindung mit<br />
Rohstoffknappheit und steigenden Rohstoffpreisen generiert steigende Bedarfe an<br />
nachhaltigen und ressourcenschonenden Fügeverfahren. Eine aussichtsreiche<br />
alternative zu konventionellen Schmelzschweißverfahren stellt das Verfahren des<br />
Rührreibschweißens dar. Insbesondere beim Einsatz in Aluminiumanwendungen<br />
bietet das Rührreibschweißen gegenüber konventionellen Schmelzschweißverfahren<br />
Vorteile wie das Unterbinden von Poren und Heißrissen sowie mechanische<br />
Schweißnahteigenschaften nah an denen des Grundwerkstoffes. Industrielle<br />
Anwendung findet das Rührreibschweißen unter anderem im Fahrzeugbau [1], im<br />
Schiffbau [2] sowie in der Luft- und Raumfahrt [3].<br />
Neben den verfahrensspezifischen Vorteilen beim Rührreibschweißen resultieren<br />
durch den prozesscharakteristischen Werkzeug-Werkstück-Kontakt tribologische<br />
Beanspruchungen auf das Rührreibschweißwerkzeug. Die dabei entstehenden<br />
thermomechanischen Beanspruchungen gehen mit Formänderungen und<br />
Werkstoffermüdung am Rührreibschweißwerkzeug einher und können zu vorzeitigem<br />
Verlust der Funktion des Werkzeuges durch Änderung der Geometrie führen. Somit<br />
sind der Verschleiß, die Verschleißgrenzen sowie die damit verbundenen Standzeiten<br />
von Rührreibschweißwerkzeugen ausschlaggebend für die Planung und Umsetzung<br />
prozesseffizienter Fügevorgänge. Die Ermittlung der Verschleißgrenzen kann<br />
hingegen als eine zentrale Herausforderung betrachtet werden. Hierbei ist<br />
festzuhalten, dass die Ermittlung empirisch und auf Erfahrungswerten basierend<br />
erfolgt. Die systematische Betrachtung zwischen den relevanten Verschleißbereichen<br />
und den vorliegenden Verschleißmechanismen am Werkzeug, in Abhängigkeit zur<br />
Verbindungsqualität und des Schweißweges, erfolgt bislang kaum.<br />
Vor diesem Hintergrund wird im vorliegenden Abschlussbericht die Entwicklung einer<br />
Strategie zur Charakterisierung und ganzheitlichen Beschreibung des<br />
Werkzeugverschleißes an Schulter und Schweißstift in Abhängigkeit der jeweiligen<br />
Prozessphase untersucht sowie die Erarbeitung von Extrapolationsmethoden zur<br />
vereinfachten Abschätzung des maximal ertragbaren Werkzeugverschleißes. Damit<br />
soll es erstmals möglich werden, die Standzeit von Rührreibschweißwerkzeugen<br />
individuell und entsprechend der Fügeaufgabe in Kurzzeitversuchen abzuschätzen,<br />
um so den aktuellen Anforderungen an Prozesseffizienz Folge leisten zu können. Dem<br />
verfolgten Ansatz liegt die Analyse von volumen- und geometriebezogenen<br />
Veränderungen, in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge und Prozessphase, durch<br />
geeignete Charakterisierungsverfahren zugrunde, um so aussagekräftige und<br />
ortsaufgelöste Bewertungen des Verschleißes an Form- und Gestalt zu treffen und<br />
gleichzeitig Bereiche mit signifikantem Werkzeugverschleiß abzuleiten. Gelingt unter<br />
Berücksichtigung von Schweißnahtlänge und -qualität eine vollständige Beschreibung<br />
des Verschleißes an Schulter und Schweißstift, dann können entsprechend<br />
funktionelle Zusammenhänge ermittelt sowie Grenzbedingungen hinsichtlich des<br />
maximal tolerierbaren Werkzeugverschleißes an Schulter und Schweißstift abgeleitet<br />
werden. Die Auswahl der Rührreibschweißwerkzeuge und
Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.624 BR<br />
Charakterisierungsverfahren zur Ermittlung des Verschleißes an Schulter und<br />
Schweißstift erfolgte in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss, wodurch<br />
eine Anwendbarkeit und entsprechende Übertragung in die industrielle Praxis<br />
gewährleistet werden konnte.<br />
Die Verschleißuntersuchungen erfolgten auf einer robotisierten und kraftgesteuerten<br />
Rührreibschweißanlage der Firma Grenzebach Maschinenbau GmbH. Die<br />
Untersuchungen wurden an den Werkstoffen EN AW-6060 (AlMgSi0,5), EN AW-5754<br />
(AlMg3) und EN AC-43000 (AlSi10Mg) für Blechdickenbereiche von 5 mm und 8 mm<br />
durchgeführt. Für ausgewählte Versuche erfolgte eine Übertragung der<br />
Verschleißuntersuchungen des konventionellen Werkzeugkonzeptes mit rotierender<br />
Schulter und rotierendem Schweißstift auf ein zweiteiliges Rührreibschweißwerkzeug<br />
rotierendem Schweißstift und mit nicht rotierender Schulter.<br />
Zur Bewertung der verschleißbedingten Geometrieabweichungen an Schulter und<br />
Schweißstift wurden die Charakterisierung der Schweißverbindungen nach DIN EN<br />
ISO 25239 sowie die Ermittlung messbarer Prozessgrößen wie Kräfte und Momente<br />
herangezogen.<br />
2. Stand der Technik<br />
In Kapitel 2 wird der für den Abschlussbericht erforderliche Stand der Technik unter<br />
verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet. In 2.1 wird zunächst auf die Grundlagen<br />
beim Rührreibschweißen eingegangen. Dabei werden verschiedene Teilbereiche der<br />
Grundlagen, entsprechend bisheriger Arbeiten aufgegriffen. Im Anschluss erfolgt in<br />
Kapitel 2.2 eine grundlegende Beschreibung des Verschleißes sowie der bisherige<br />
Stand der Technik zum Verschleiß an Rührreibschweißwerkzeugen.<br />
2.1 Rührreibschweißen<br />
Nach DIN 8580 werden Fertigungsverfahren in sechs Hauptgruppen eingeteilt [4]. Die<br />
Hauptgruppe vier definiert das Fügen. Das Fügen ist ein "auf Dauer angelegtes<br />
Verbinden oder sonstiges Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken<br />
geometrisch bestimmter Form. Dabei wird der Zusammenhalt örtlich geschaffen und<br />
im ganzen vermehrt“ [4]. Die Gruppe Fügen durch Schweißen wird nach DIN 8593-6<br />
in die Untergruppen Pressverbindungsschweißen und Schmelzverbindungsschweißen<br />
gegliedert [5]. Das Rührreibschweißen zählt nach DIN EN 14610 zum<br />
Pressverbindungsschweißen. Als Energieträger wird die Bewegung von Masse<br />
zugeordnet [6]. Nach DIN EN ISO 4063 ist das Rührreibschweißen ein eigenständiges<br />
Verfahren mit der Prozessbezeichnung DIN EN ISO 4063-43 [7]. Das<br />
Rührreibschweißen wurde 1991 am TWI in Cambridge (UK) entwickelt und patentiert<br />
[8]. Das Kernelement dieser Technologie ist ein Werkzeug, das durch Rotation und<br />
Druck einen reibungsinduzierten Wärmeeintrag generiert [9]. Der Wärmeeintrag<br />
bewirkt ein Plastifizieren und damit ein Extrudieren der Werkstoffe unterhalb deren<br />
Liquidustemperaturen [10, 11]. Die Fügepartner werden hierbei nicht angeschmolzen,<br />
wodurch prozesstechnologische Vorteile gegenüber konventionellen<br />
Schweißverfahren resultieren [10].
Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.624 BR<br />
2.1.1 Prozessbeschreibung<br />
Beim Rührreibschweißen wird ein rotierendes, nicht abschmelzendes Werkzeug<br />
entlang der Stoßflächen der zu fügenden Bauteile geführt [12, 13]. Durch den<br />
reibungsinduzierten Wärmeeintrag wird der Werkstoff zunächst plastifiziert. Aus<br />
kombinierter Dreh- und Vorschubbewegung des Werkzeugs wird ein örtliches<br />
Verformen des Werkstoffes und damit resultierend eine stoffschlüssige Verbindung<br />
erreicht. Die Abbildung 1 zeigt schematisch den Verfahrensablauf des<br />
Rührreibschweißens nach DIN EN ISO 25239-1 in der Wannenlage (PA).<br />
Werkzeug<br />
Drehrichtung des Werkzeuges<br />
Abwärtsbewegung des Werkzeuges<br />
Schulter<br />
Schweißstift<br />
Schweißrichtung<br />
Aufwärtsbewegung des Werkzeuges<br />
Werkstück<br />
Schweißnahtoberfläche<br />
Endloch<br />
Abbildung 1: Verfahrensablauf beim Rührreibschweißen in Anlehnung an [12].<br />
Der Verfahrensablauf wird nach DIN EN ISO 25239-1 in Eintauch- und Verweilphase,<br />
Schweißphase und Rückzugsphase unterteilt. Zu Beginn der Eintauch- und<br />
Verweilphase wird das vorpositionierte Rührreibschweißwerkzeug in Rotation versetzt<br />
und unter konstanter Axialkraft in die Verbindungszone der Bauteile gedrückt. Die<br />
Relativbewegung des Rührreibschweißwerkzeugs zu den ortsfesten Fügepartnern<br />
generiert zunächst Reibungswärme [14]. Die Eintauchphase des<br />
Rührreibschweißwerkzeugs wird dabei solange fortgesetzt bis die Schulter in Kontakt<br />
mit der Werkstückoberfläche steht. Dies kann positions- oder kraftgesteuert erfolgen<br />
[11]. Die Positionssteuerung ist ein "Verfahren zum Beibehalten der beim Schweißen<br />
notwendigen Position des Rührreibschweißwerkzeuges“. Die Kraftsteuerung hingegen<br />
ist ein "Verfahren zum konstant halten der für das Schweißen erforderlichen Kraft auf<br />
das Rührreibschweißwerkzeug“ [12]. Im Anschluss folgt die Verweilphase. Es handelt<br />
sich dabei, um den Zeitabstand zwischen dem Aufliegen der Schulter auf der<br />
Werkstückoberfläche und dem Beginn der Schweißphase [12]. Innerhalb dieser Phase<br />
kann der erforderliche Wärmeeintrag eingestellt werden. Nach Ablauf der Eintauchund<br />
Verweilphase erfolgt der Übergang in die Schweißphase. Innerhalb der<br />
Schweißphase wird das Rührreibschweißwerkzeug entlang der Stoßflächen, der zu<br />
fügenden Bauteile, geführt [14]. Durch die Betrachtung von Drehrichtung und<br />
Bewegung des Rührreibschweißwerkzeugs in Schweißrichtung kann die Schweißnaht<br />
in zwei Bereiche eingeteilt werden. Zeigen der Bahngeschwindigkeitsvektor des<br />
Rührreibschweißwerkzeuges und der Vektor der Translationsbewegung in eine