Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulativ gestützte Charakterisierung eines momentenreduzierten Rotationsreibschweißprozesses

Das Reibschweißen findet aufgrund seiner prozessbedingten Vorteile wie einer hohen Prozessstabilität sowie der zuverlässigen Verbindungsqualität in vielen Industriebereichen Einsatz. Dabei besteht der Fügeprozess hinsichtlich der Prozessparametrierung seit 50 Jahren annähernd unverändert. Das Reibmoment als Reaktionsgröße erreicht prozessbedingt sowohl beim Anreiben als auch in der Bremsphase lokale Maxima. Eben diese machen es nötig, dass Bauteile mittels ausreichend hoher Kräfte durch die Spannmittel zwecks Kraftschluss vorgespannt werden. Die damit verbundene massive konstruktive und somit kostenintensive Ausführung der Spannmittel, einhergehend mit dem Verschleiß im Falle von Bauteilschlupf, reduziert die Verfahrenswirtschaftlichkeit. Darüber hinaus verringern sich die übertragbaren Vorspannkräfte auf das Bauteil mit steigender Drehzahl in Folge wirkender Zentrifugalkräfte und somit der Verfahrensanwendungsbereich. Weiterhin ist zum jetzigen Zeitpunkt die Reibschweißtechnologie für dünnwandige Rohrbauteile nicht einsetzbar, da die notwendigen Vorspannkräfte aufgrund der geringen Steifigkeit zu einem Beulen dieser führen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die notwendigen Vorspannkräfte durch Momentenreduktion unter Beibehalt der verbindungsbildenden Qualitätskriterien zu reduzieren, wodurch sich der Technologieanwendungsbereich auf dünnwandige Rohrbauteile erweitert. Als innovativen Ansatz verfolgt das Vorhaben dabei die prädiktive, simulative Prozessvorentwicklung. Die bestehenden Prozessparametrierungsvorschriften werden als Ergebnis des Projektvorhabens derart erweitert, dass eine direkte Umsetzung für Maschinenhersteller als auch Anwender ermöglicht wird. Für kmU ergibt sich nebst der Wirtschaftlichkeitssteigerung in Folge niedrigeren Spannmittelverschleißes auch die Erweiterung des Anwendungsbereiches auf das Reibschweißen dünnwandiger Rohrbauteile, woraus sich im globalen Vergleich ein Wissens- und Technologievorsprung ableitet.

Ergebniszusammenfassung:

Grundsätzlich treten hohe, lokale Reibmomentenmaxima prozessbedingt beim Reibschweißen auf. Dies verhindert eine weitere Reduktion der Wandstärke von Rohrbauteilen im Rahmen des Leichtbaus, da die hohen Vorspannkräfte zum Beulen der Rohre führen würden. Genau hier ist das erhebliche, industrielle Interesse definiert. Könnte man die Reibmomentenmaxima minimieren, könnten Vorspannkräfte reduziert und somit die Reibschweißtechnologie im Anwendungsspektrum erweitert werden. Dies würde eine Verfahrenssubstitution und somit ein erhebliches Kosteneinsparpotential ermöglichen. Der Nachweis der experimentellen Machbarkeit wurde über den innovativen Ansatz realisiert, dass in enger Zusammenarbeit mit Anlagenherstellern zunächst Anlagen überhaupt befähigt wurden, diese neuen Prozessabläufe zu realisieren und die gesamte neuartige Prozessentwicklung mit einer prädiktiven Prozesssimulation unterstützt wurde, welche in-situ-Einblicke in das Prozessgeschehen ermöglicht. Im Rahmen des geförderten Projektes wurde für 2 Werkstoffkombinationen zunächst beschränkt auf Vollwellenmaterial untersucht, welche Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und -größen hinsichtlich der Momente bestehen. Diese Erkenntnisse wurden anschließend genutzt, anhand prozessparametrischer Variation (Drehzahl und Kraft) die Anreib- und Bremsmomente gezielt zu reduzieren und anschließend die verbindungsbildenden Qualitätskriterien der Schweißverbindung zerstörend und zerstörungsfrei zu prüfen. Es konnte hierbei festgestellt werden, dass hinsichtlich statischer Festigkeit und Aufhärtung der Fügezone eine momentenreduzierte Schweißverbindung ähnlich gute Verbindungseigenschaften wie eine etablierte Schweißung aufweist. Anschließend wurden die gesammelten Erkenntnisse auf Rohrbauteile übertragen. Eine direkte Übertragung auf die industrielle Anwendungszwecke, beispielsweise das Reibschweißen dünnwandiger Rohre, ist somit gegeben und untermauert den enormen Praxisbezug des Forschungsprojektes.