Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

FriCoat – Untersuchungen zum Rührreibschweißen von beschichteten Aluminiumblechen

Rührreibschweißen ist ein kaltes, stoffschlüssiges Fügeverfahren. Neben Längsnähten können mit zahlreichen Varianten auch Punktverbindungen erzeugt werden. Da die Werkstoffe nicht aufgeschmolzen werden, können auch bedingt schmelzschweißbare Werkstoffe sicher gefügt werden. Rührreibschweißen ist deshalb in Anwendungen möglich, in denen bisher bevorzugt mechanische Fügeverfahren verwendet wurden, beispielsweise für Aluminiumlegierungen. Zum Rührreibschweißen kann durch einen Werkzeugwechsel auch eine Fräsanlage verwendet werden, was das Verfahren für KMUs interessant macht.

Beim Übertragen der bisherigen Ergebnisse zum Rührreibschweißen auf Aluminiumbauteile ohne metallisch blanke Oberflächen können trotz guter Festigkeitswerte Fehler auftreten, deren Auswirkungen bisher nicht ausreichend untersucht sind. Die Oberflächen von Aluminiumbauteilen in der Praxis weisen jedoch oftmals Schmiermittelrückstände aus der Teilherstellung (Tiefziehen, Extrudieren, Fräsen) auf oder müssen gegen Verschleiß und Korrosion beschichtet werden. Diese Beschichtung erfolgt in aufwendigen Bädern oder Sprühanlagen, die die maximale Produktgröße begrenzen. Werden große beschichtete Baugruppen gefügt, müssen bisher mechanische Fügeverfahren oder Klebstoffe verwendet werden, die nicht das volle Werkstoffpotential nutzen und aufwendiger sind. Bisher werden zudem Bauteile und Fräsanlagen aufwendig von Schmierstoffen gereinigt und erst nach dem Fügen als unhandliche Baugruppe beschichtet.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Zusammenhänge zwischen Prozess, Werkstoff und Oberflächenzustand systematisch zu untersuchen, Randbedingungen für einen sicheren Fügeprozess zu identifizieren und diese in Anwendungshinweise für KMUs zu überführen, sodass Vorarbeiten reduziert und fertig beschichtete Bauteile direkt gefügt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens war, die Zusammenhänge zwischen Prozess, Werkstoff und Oberflächenzustand systematisch zu untersuchen, nach Möglichkeit Randbedingungen für einen sicheren Fügeprozess zu identifizieren und diese in Anwendungshinweise für KMU zu überführen, sodass Vorarbeiten reduziert und fertig beschichtete Bauteile direkt gefügt werden können.

Es wurden Aluminiumbleche aus verschiedenen Legierungen in unterschiedlichen Blechdicken im Stumpf- und Überlappstoß verschweißt in den Beschichtungszuständen blank, eloxiert, passiviert, imprägniert (nur Gusswerkstoff) oder mit Schmierstoff kontaminiert.

Die größten Herausforderungen entstehen beim Rührreibschweißen von im Vorfeld beschichteten Blechen für alle untersuchten Legierungen und Beschichtungen beim Überlappstoß, da sich dabei im Wurzelbereich beinahe nicht aufgebrochene, zusammenhängende Reste der Beschichtungen anordnen. So kommt es dort zu keiner Verbindung zwischen den Schichten, welche nicht verrührt werden.

Die Eloxierung stellte aufgrund der größten Schichtdicke und ihrer spröden Eigenschaften eine große Herausforderung dar.

Mit einer anwendungsspezifischen Anpassung der Werkzeuggeometrie ist es jedoch möglich, sowohl eloxierte als auch konversionsbehandelte Bleche mit guten statischen Festigkeiten und ohne Oberflächenfehler mittels Rührreibschweißen zu fügen. Besonders für die dünnere Beschichtung infolge einer Konversionsbehandlung auf Zirkoniumbasis ist es für bestimmte Parametersätze auch mit den zu Beginn des Vorhabens eingesetzten Werkzeugen mit konischem Pin möglich, Schweißungen auf dem Festigkeitsniveau der unbeschichteten Bleche durchzuführen.

Für die industrielle Anwendung bedeutet das, dass während unbeschichtete Bleche sich innerhalb großer Parameterfenster mit guten mechanischen und optischen Eigenschaften verschweißen lassen, muss für beschichtete Bleche mehr Aufwand in die Wahl der Werkzeuggeometrie und Parameterfindung investiert werden.