SB_21624NLP

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