Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung der Spatlüberbrückbarkeit und Vermeidung von linienförmigen Ansammlungen in der Schweißnaht durch den Einsatz von Werkzeugen mit mehreren Schweißstiften

Das im Jahr 2013 ausgelaufene Hauptpatent des TWIs (The Welding Institute, Cambridge, UK) bezüglich der Nutzung der Rührreibschweißtechnologie führt inzwischen zu einer erhöhten Nachfrage des Rührreibschweißens vor allem im Bereich der kleinen und mittleren Unternehmen, welche die Lizenzzahlungen bis dato besonders abschreckte.

Durch die exzentrische Stiftanordnung des MPT wird ein größeres Werkstoffvolumen plastifiziert und von der nacheilenden Schulter in die Fügezone extrudiert. Damit wird eine zeitaufwendige Positionierung der Bauteile minimiert, die Fertigungskosten reduziert und die Wirtschaftlichkeit der kmU gesteigert, da gerade im Bereich der Kleinserienfertigung die Nebenzeiten einen hohen Anteil der Fertigungszeit ausmacht. Die natürliche Oxidschicht an der Oberfläche wird durch das rotierende MPT aufgebrochen, zerkleinert und in die Rührzone der Schweißnaht eingebracht. Durch den verbesserten Materialfluss wird eine homogene Verteilung der Oxidpartikel gewährleistet, wodurch gleichbleibende mechanische Eigenschaften entlang der Schweißnaht garantiert werden. Durch das MPT können die kmU Oxidlinien freie Schweißnähte und erhöhte Spalttoleranzen realisieren ,ohne zusätzlichen Aufwand in die Nahtkantenvorbereitung und Aus-richtung zu investieren.

Folgende Ziele sollen mit dem Projekt MPT erreicht werden: Verbesserung der Spaltüberbrückbarkeit zur Steigerung der Bauteiltoleranzen und Reduzierung von Zwischenzeiten, Vermeidung von linienförmigen Ansammlungen von Oberflächenschichten in der Schweißnaht, Reduzierung des Probenvorbereitung bzw. Steigerung der mech.-tech. Eigenschaften, Erhöhung der Robustheit gegen Materialimperfektion (z. B. Gießporen, Reduzierung der Investitionskosten für Rührreibschweiß-Maschinen, da eine bessere Durchmischung geringere Drehzahlen und damit einen einfacheren Maschinenaufbau bedeuten:

Der PA ist ausgewogen mit KMU und Großunternehmen besetzt und vertritt sowohl die Anwender als auch die Werkzeughersteller. Der konkrete Nutzen des Projektes wird sein, dass die Spaltüberbrückbarkeit durch die Werkzeuggestaltung erreicht und die Aufwendungen für komplizierte Vorrichtungen verringert werden. Weiterhin kann durch eine gute Durchmischung des Schweißgutes eine Erhöhung der mechanisch-technologischen Gütewerte der Schweißverbindung erreicht werden.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte im Forschungsprojekt gezeigt werden, dass durch die Verwendung von Mehrstiftwerkzeugen Spalten von bis zu 75 % der Fügeteildicke überbrückt und linienförmige Ansammlungen in der Schweißnaht vermieden werden können. Durch eine heiße Schweißung mit einem Drehzahl- zu Vorschub-Verhältnis von 3:1 kann die Fähigkeit zur Überbrückung von kleinen Fügespalten bei Einstiftwerkzeugen gesteigert werden. Nachteilig wirkt sich der Hang zur Bildung von linienförmigen Ansammlungen bei diesen „heißen“ Schweißungen in der Schweißnaht aus. Durch die Aufbringung einer Markerschicht aus Wolframcarbid auf die Fügestöße konnte die Bildung von linienförmigen Ansammlungen bzw. die Plastifizierung der jeweiligen Werkzeuge nachgestellt werden. Die Untersuchungen haben ergeben, dass die Plastifizierung bei Mehrstiftwerkzeugen deutlich über der von Einstiftwerkzeugen liegt. Somit können durch die Verwendung von Mehrstiftwerkzeugen linienförmige Ansammlungen verringert bzw. vermieden werden. Stichpunktartig wurden die mechanisch-technologischen Eigenschaften bei Blechen mit Oxidschicht und ohne Oxidschicht betrachtet. Ein Einfluss der Oxidschicht konnte dabei nicht festgestellt werden.

Die Untersuchung der Spaltüberbrückbarkeit stellte einen zentralen Punkt in diesem Forschungsvorhaben dar. Dazu wurden Schweißungen im Stumpfstoß unter den Abstufungen von 0,3 mm / 0,6 mm und 0,9 mm, bei einer Blechdicke von 4 mm durchgeführt. Mit den Mehrstiftwerkzeugen konnten durchweg gute bis sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Dies kann auf die hohe Plastifizierung unter Hinzunahme von genügend Material in die Schweißzone zurückgeführt werden. Als herausragend hat sich das Zweipinwerkzeug mit 8 mm Stiftkreisdurchmesser dargestellt. Trotz zunehmendem Fügespalt ist keine Abnahme der Zugfestigkeit zu verzeichnen. Ebenfalls liegt die erreichte Bruchdehnung weit über dem der restlichen Werkzeuge. Die Mehrstiftwerkzeuge mit einem Stiftkreisdurchmesser von 8 mm überschritten die notwendige Festigkeit nach Norm.