SB_21624NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Charakterisierung der
geometrischen
Verschleißeigenschaften
von Rührreibschweißwerkzeugen
und
Entwicklung einer Methodik
zur Abschätzung des
maximal ertragbaren
Verschleißes

Charakterisierung der
geometrischen
Verschleißeigenschaften von
Rührreibschweißwerkzeugen
und Entwicklung einer Methodik
zur Abschätzung des
maximal ertragbaren
Verschleißes
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.624 N
DVS-Nr.: 05.3367
Technische Universität Ilmenau
Fakultät Maschinenbau
Fachgebiet Fertigungstechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.624 N / DVS-Nr.: 05.3367 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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unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 586
Bestell-Nr.: 170696
Kontakt:
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und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
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Schlussbericht vom 31.07.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 21.624 BR
Thema
Charakterisierung der geometrischen Verschleißeigenschaften von
Rührreibschweißwerkzeugen und Entwicklung einer Methodik zur Abschätzung des maximal
ertragbaren Verschleißes
Berichtszeitraum
01.02.2021 - 31.07.2023
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Technische Universität Ilmenau
Fakultät Maschinenbau
Fachgebiet Fertigungstechnik
Gustav-Kirchhoff-Platz 2
98693 Ilmenau

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen ............................................................... II
Danksagung .............................................................................................................. IV
Abkürzungsverzeichnis .............................................................................................. IX
Symbolverzeichnis ...................................................................................................... X
1. Einleitung .......................................................................................................... 1
2. Stand der Technik ............................................................................................. 2
2.1 Rührreibschweißen ...................................................................................... 2
2.1.1 Prozessbeschreibung ................................................................................ 3
2.1.2 Prozesseinstellgrößen ............................................................................... 4
2.1.3 Wärmeerzeugung und –ableitung beim Rührreibschweißen ..................... 5
2.1.4 Werkstofftransport beim Rührreibschweißen ............................................. 9
2.1.5 Schweißnahtcharakteristik und Schweißnahtunregelmäßigkeiten ........... 11
2.1.6 Rührreibschweißwerkzeuge ..................................................................... 13
2.2 Verschleiß beim Rührreibschweißen ......................................................... 18
2.2.1 Grundlagen der Tribologie ....................................................................... 18
2.2.2 Verschleiß an Rührreibschweißwerkzeugen ............................................ 20
3. Ziele des Vorhabens ....................................................................................... 26
4. Experimentelle Methoden ............................................................................... 28
4.1 Schweißeinrichtung ................................................................................... 28
4.1.1 Versuchsanlage ....................................................................................... 28
4.1.2 Spannvorrichtung ..................................................................................... 29
4.1.3 Versuchswerkstoffe ................................................................................. 29
4.1.4 Rührreibschweißwerkzeuge ..................................................................... 32
4.2 Prozesscharakterisierung .......................................................................... 35
4.2.1 Prozesskraftmessung .............................................................................. 35
4.2.2 Drehmomentmessung ............................................................................. 35
4.2.3 Temperaturmessung ................................................................................ 36
4.2.4 Bestimmung des Werkstofftransportes .................................................... 37
4.3 Schweißnahtcharakterisierung ................................................................... 38
4.3.1 Sichtprüfung............................................................................................. 38
4.3.2 Biegeprüfung ........................................................................................... 38
4.3.3 Zugprüfung .............................................................................................. 39
4.3.4 Metallografie ............................................................................................ 40
VI

4.4 Werkzeugcharakterisierung ....................................................................... 41
4.4.1 Sichtprüfung durch Bildaufnahmen .......................................................... 41
4.4.2 Lichtmikroskopische Aufnahmen ............................................................. 42
4.4.3 Rasterelektronenmikroskopie .................................................................. 42
4.4.4 Wiegen .................................................................................................... 43
4.4.5 Profilometrie ............................................................................................. 44
4.4.6 Durchlichtprojektion ................................................................................. 44
4.4.7 Streifenlichtprojektion .............................................................................. 45
4.4.8 Härtemessung ......................................................................................... 45
5 Ergebnisse ...................................................................................................... 47
5.1 Validierung und Referenzierung geeigneter Versuchsbedingungen .......... 47
5.1.1 Validierung einer geeigneten Reinigungsmethodik .................................. 47
5.1.2 Weiterentwicklung der bestehenden Schweißeinrichtung ........................ 50
5.1.3 Entwicklung geeigneter Einstellgrößen und Referenzierung der
Schweißverbindungen ............................................................................. 52
5.1.4 Referenzieren der Rührreibschweißwerkzeuge im unverschlissenen
Ausgangszustand .................................................................................... 56
5.1.5 Validierung der Prozesstemperaturen für die betrachteten Arbeitsbereiche
.................................................................................................... 65
5.2 Verschleißverhalten in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge ..................... 70
5.2.1 Kombinierte Verschleißbetrachtung bestehend aus Eintauch-, Verweil- und
Schweißphase ......................................................................................... 70
5.2.2 Isolierte Verschleißbetrachtung an wiederholten Eintauchvorgängen ... 123
5.3 Prozesscharakterisierung in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge .......... 127
5.3.1 Charakterisierung der Schweißverbindungen in Abhängigkeit der
Schweißnahtlänge ................................................................................. 127
5.3.2 Charakterisierung messbarer Prozessgrößen ....................................... 146
5.4 Definition der versagensrelevanten Randbedingungen ........................... 161
5.5 Entwicklung einer Methodik zur Abschätzung des tolerierbaren
Werkzeugverschleißes ........................................................................ 176
5.6 Übertragung der Erkenntnisse auf veränderte Füge- und
Werkzeugwerkstoffe sowie Werkzeuggeometrien ............................... 181
5.7 Übertragung auf Demonstratoren ............................................................ 196
6 Zusammenfassung ........................................................................................ 202
7 Formales ....................................................................................................... 205
VII

7.1 Schlussfolgerungen und Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den
Zielstellungen des Forschungsantrags ................................................ 205
7.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ..................... 212
7.3 Wissenschaftlich-technischer Nutzen ...................................................... 213
7.4 Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsvorhabens für kmU ..
...................................................................................................... 213
7.5 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Transferkonzepts ..
...................................................................................................... 214
8 Verwendung der Zuwendung ........................................................................ 214
8.1 Geräteanschaffung .................................................................................. 214
8.2 Leistungen Dritter .................................................................................... 214
9 Transfer der Forschungsergebnisse ............................................................. 215
9.1 Bereits durchgeführte Transfermaßnahmen ............................................ 215
9.2 Geplante Transfermaßnahmen nach Abschluss des Vorhabens ............. 216
9.3 Angaben zu gewerblichen Schutzrechten ................................................ 217
Literaturverzeichnis ................................................................................................. VIII
Tabellenverzeichnis ................................................................................................. XIV
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................. XV
VIII

Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.624 BR
1. Einleitung
Die aktuelle politische und wirtschaftliche Situation in Verbindung mit
Rohstoffknappheit und steigenden Rohstoffpreisen generiert steigende Bedarfe an
nachhaltigen und ressourcenschonenden Fügeverfahren. Eine aussichtsreiche
alternative zu konventionellen Schmelzschweißverfahren stellt das Verfahren des
Rührreibschweißens dar. Insbesondere beim Einsatz in Aluminiumanwendungen
bietet das Rührreibschweißen gegenüber konventionellen Schmelzschweißverfahren
Vorteile wie das Unterbinden von Poren und Heißrissen sowie mechanische
Schweißnahteigenschaften nah an denen des Grundwerkstoffes. Industrielle
Anwendung findet das Rührreibschweißen unter anderem im Fahrzeugbau [1], im
Schiffbau [2] sowie in der Luft- und Raumfahrt [3].
Neben den verfahrensspezifischen Vorteilen beim Rührreibschweißen resultieren
durch den prozesscharakteristischen Werkzeug-Werkstück-Kontakt tribologische
Beanspruchungen auf das Rührreibschweißwerkzeug. Die dabei entstehenden
thermomechanischen Beanspruchungen gehen mit Formänderungen und
Werkstoffermüdung am Rührreibschweißwerkzeug einher und können zu vorzeitigem
Verlust der Funktion des Werkzeuges durch Änderung der Geometrie führen. Somit
sind der Verschleiß, die Verschleißgrenzen sowie die damit verbundenen Standzeiten
von Rührreibschweißwerkzeugen ausschlaggebend für die Planung und Umsetzung
prozesseffizienter Fügevorgänge. Die Ermittlung der Verschleißgrenzen kann
hingegen als eine zentrale Herausforderung betrachtet werden. Hierbei ist
festzuhalten, dass die Ermittlung empirisch und auf Erfahrungswerten basierend
erfolgt. Die systematische Betrachtung zwischen den relevanten Verschleißbereichen
und den vorliegenden Verschleißmechanismen am Werkzeug, in Abhängigkeit zur
Verbindungsqualität und des Schweißweges, erfolgt bislang kaum.
Vor diesem Hintergrund wird im vorliegenden Abschlussbericht die Entwicklung einer
Strategie zur Charakterisierung und ganzheitlichen Beschreibung des
Werkzeugverschleißes an Schulter und Schweißstift in Abhängigkeit der jeweiligen
Prozessphase untersucht sowie die Erarbeitung von Extrapolationsmethoden zur
vereinfachten Abschätzung des maximal ertragbaren Werkzeugverschleißes. Damit
soll es erstmals möglich werden, die Standzeit von Rührreibschweißwerkzeugen
individuell und entsprechend der Fügeaufgabe in Kurzzeitversuchen abzuschätzen,
um so den aktuellen Anforderungen an Prozesseffizienz Folge leisten zu können. Dem
verfolgten Ansatz liegt die Analyse von volumen- und geometriebezogenen
Veränderungen, in Abhängigkeit der Schweißnahtlänge und Prozessphase, durch
geeignete Charakterisierungsverfahren zugrunde, um so aussagekräftige und
ortsaufgelöste Bewertungen des Verschleißes an Form- und Gestalt zu treffen und
gleichzeitig Bereiche mit signifikantem Werkzeugverschleiß abzuleiten. Gelingt unter
Berücksichtigung von Schweißnahtlänge und -qualität eine vollständige Beschreibung
des Verschleißes an Schulter und Schweißstift, dann können entsprechend
funktionelle Zusammenhänge ermittelt sowie Grenzbedingungen hinsichtlich des
maximal tolerierbaren Werkzeugverschleißes an Schulter und Schweißstift abgeleitet
werden. Die Auswahl der Rührreibschweißwerkzeuge und

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.624 BR
Charakterisierungsverfahren zur Ermittlung des Verschleißes an Schulter und
Schweißstift erfolgte in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss, wodurch
eine Anwendbarkeit und entsprechende Übertragung in die industrielle Praxis
gewährleistet werden konnte.
Die Verschleißuntersuchungen erfolgten auf einer robotisierten und kraftgesteuerten
Rührreibschweißanlage der Firma Grenzebach Maschinenbau GmbH. Die
Untersuchungen wurden an den Werkstoffen EN AW-6060 (AlMgSi0,5), EN AW-5754
(AlMg3) und EN AC-43000 (AlSi10Mg) für Blechdickenbereiche von 5 mm und 8 mm
durchgeführt. Für ausgewählte Versuche erfolgte eine Übertragung der
Verschleißuntersuchungen des konventionellen Werkzeugkonzeptes mit rotierender
Schulter und rotierendem Schweißstift auf ein zweiteiliges Rührreibschweißwerkzeug
rotierendem Schweißstift und mit nicht rotierender Schulter.
Zur Bewertung der verschleißbedingten Geometrieabweichungen an Schulter und
Schweißstift wurden die Charakterisierung der Schweißverbindungen nach DIN EN
ISO 25239 sowie die Ermittlung messbarer Prozessgrößen wie Kräfte und Momente
herangezogen.
2. Stand der Technik
In Kapitel 2 wird der für den Abschlussbericht erforderliche Stand der Technik unter
verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet. In 2.1 wird zunächst auf die Grundlagen
beim Rührreibschweißen eingegangen. Dabei werden verschiedene Teilbereiche der
Grundlagen, entsprechend bisheriger Arbeiten aufgegriffen. Im Anschluss erfolgt in
Kapitel 2.2 eine grundlegende Beschreibung des Verschleißes sowie der bisherige
Stand der Technik zum Verschleiß an Rührreibschweißwerkzeugen.
2.1 Rührreibschweißen
Nach DIN 8580 werden Fertigungsverfahren in sechs Hauptgruppen eingeteilt [4]. Die
Hauptgruppe vier definiert das Fügen. Das Fügen ist ein "auf Dauer angelegtes
Verbinden oder sonstiges Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken
geometrisch bestimmter Form. Dabei wird der Zusammenhalt örtlich geschaffen und
im ganzen vermehrt“ [4]. Die Gruppe Fügen durch Schweißen wird nach DIN 8593-6
in die Untergruppen Pressverbindungsschweißen und Schmelzverbindungsschweißen
gegliedert [5]. Das Rührreibschweißen zählt nach DIN EN 14610 zum
Pressverbindungsschweißen. Als Energieträger wird die Bewegung von Masse
zugeordnet [6]. Nach DIN EN ISO 4063 ist das Rührreibschweißen ein eigenständiges
Verfahren mit der Prozessbezeichnung DIN EN ISO 4063-43 [7]. Das
Rührreibschweißen wurde 1991 am TWI in Cambridge (UK) entwickelt und patentiert
[8]. Das Kernelement dieser Technologie ist ein Werkzeug, das durch Rotation und
Druck einen reibungsinduzierten Wärmeeintrag generiert [9]. Der Wärmeeintrag
bewirkt ein Plastifizieren und damit ein Extrudieren der Werkstoffe unterhalb deren
Liquidustemperaturen [10, 11]. Die Fügepartner werden hierbei nicht angeschmolzen,
wodurch prozesstechnologische Vorteile gegenüber konventionellen
Schweißverfahren resultieren [10].

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.624 BR
2.1.1 Prozessbeschreibung
Beim Rührreibschweißen wird ein rotierendes, nicht abschmelzendes Werkzeug
entlang der Stoßflächen der zu fügenden Bauteile geführt [12, 13]. Durch den
reibungsinduzierten Wärmeeintrag wird der Werkstoff zunächst plastifiziert. Aus
kombinierter Dreh- und Vorschubbewegung des Werkzeugs wird ein örtliches
Verformen des Werkstoffes und damit resultierend eine stoffschlüssige Verbindung
erreicht. Die Abbildung 1 zeigt schematisch den Verfahrensablauf des
Rührreibschweißens nach DIN EN ISO 25239-1 in der Wannenlage (PA).
Werkzeug
Drehrichtung des Werkzeuges
Abwärtsbewegung des Werkzeuges
Schulter
Schweißstift
Schweißrichtung
Aufwärtsbewegung des Werkzeuges
Werkstück
Schweißnahtoberfläche
Endloch
Abbildung 1: Verfahrensablauf beim Rührreibschweißen in Anlehnung an [12].
Der Verfahrensablauf wird nach DIN EN ISO 25239-1 in Eintauch- und Verweilphase,
Schweißphase und Rückzugsphase unterteilt. Zu Beginn der Eintauch- und
Verweilphase wird das vorpositionierte Rührreibschweißwerkzeug in Rotation versetzt
und unter konstanter Axialkraft in die Verbindungszone der Bauteile gedrückt. Die
Relativbewegung des Rührreibschweißwerkzeugs zu den ortsfesten Fügepartnern
generiert zunächst Reibungswärme [14]. Die Eintauchphase des
Rührreibschweißwerkzeugs wird dabei solange fortgesetzt bis die Schulter in Kontakt
mit der Werkstückoberfläche steht. Dies kann positions- oder kraftgesteuert erfolgen
[11]. Die Positionssteuerung ist ein "Verfahren zum Beibehalten der beim Schweißen
notwendigen Position des Rührreibschweißwerkzeuges“. Die Kraftsteuerung hingegen
ist ein "Verfahren zum konstant halten der für das Schweißen erforderlichen Kraft auf
das Rührreibschweißwerkzeug“ [12]. Im Anschluss folgt die Verweilphase. Es handelt
sich dabei, um den Zeitabstand zwischen dem Aufliegen der Schulter auf der
Werkstückoberfläche und dem Beginn der Schweißphase [12]. Innerhalb dieser Phase
kann der erforderliche Wärmeeintrag eingestellt werden. Nach Ablauf der Eintauchund
Verweilphase erfolgt der Übergang in die Schweißphase. Innerhalb der
Schweißphase wird das Rührreibschweißwerkzeug entlang der Stoßflächen, der zu
fügenden Bauteile, geführt [14]. Durch die Betrachtung von Drehrichtung und
Bewegung des Rührreibschweißwerkzeugs in Schweißrichtung kann die Schweißnaht
in zwei Bereiche eingeteilt werden. Zeigen der Bahngeschwindigkeitsvektor des
Rührreibschweißwerkzeuges und der Vektor der Translationsbewegung in eine