Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einsatz des Rührreibschweißens für das Fügen von Stählen unterschiedlicher Güte in Verbindung mit einer gleichzeitigen Entwicklung entsprechender neuartiger keramischer Werkzeuge

Das Rührreibschweißen hat sich in den letzten Jahren als zukunftsträchtiges Schweißverfahren in der Aluminium und Magnesium verarbeitenden Industrie etabliert. Es zeichnet sich insbesondere durch seine hohe Wirtschaftlichkeit und seine besonders guten Schweißnahtqualitäten aus. Das Verfahren ermöglicht es im einlagigen Prozess Blechdicken bis 20mm (Aluminium) ohne Nahtvor- bzw Nachbearbeitung problemlos zu schweißen. Zudem sind die Schweißnahtfestigkeiten auf Grund des nicht schmelzbildenden Schweißprozesses und daraus resultierenden geringen Wärmeeintrag exzellent. Im Rahmen des Projektes soll die Eignung des Schweißverfahrens auf allgemeine Baustähle bis hin zu höherfesten Stählen untersucht werden. Hierbei wird insbesondere die Wechselwirkung der thermomechanischen Eigenschaften der zu schweißenden Stähle auf die Prozessparameter und die Nahtqualität betrachtet, um dann an Hand der durchzuführenden Untersuchungen Hypothesen zum Nahtbildungsprozess abzuleiten. Es werden Richtlinien erarbeitet anhand derer die anwendende Industrie die Schweißeignung ihrer Werkstoffe, sowie die zu wählenden Prozessparameter ableiten kann. Zur wirtschaftlichen Umsetzung des Schweißverfahrens sind zudem Entwicklungen im Bereich der Schweißwerkzeuge erforderlich. Die bis dato untersuchten und eingesetzten Werkstoffe zeigen keine ausreichende Beständigkeit bzw. sind nicht in gleichbleibender Qualität verfügbar. Es sollen keramische Werkstoffe auf deren Eignung hin untersucht werden und durch gezielte Anpassung der Werkstoffeigenschaften Systeme entwickelt werden, welche den hohen Anforderungen des Schweißprozesses Stand halten. Die Eignung wird neben Labor- und Technikumsversuchen auch im Rahmen von industriellen Schweißungen bei den Unternehmen des PbA überprüft. Zielsetzung ist hierbei, mit den aktuell besten Werkzeugen aus PcBN gleichzuziehen bzw. diese zu schlagen, wobei die Verfügbarkeit und Anschaffungskosten der zu entwickelnden keramischen Werkzeuge deutlich günstiger werden.

Ergebniszusammenfassung:

Das wichtigste Entwicklungsziel war die wirtschaftliche Erweiterung des Rührreibschweißen für das Fügen von Stahlwerkstoffen. Aufgrund von Anfragen, hauptsächlich aus den Bereichen Schiffbau, Offshore, Fahrzeugbau und Sonderanwendungen und Forderungen seitens des Projektbegleitenden Ausschusses wurden Stahlverbindungen verschiedener Güten geschweißt und untersucht. Zu nennen sind da u.a.: S235, S355, S690, CrNi18-10 und H800. Es wurden Blindnähte, Stumpfstöße und Überlappstöße geschweißt. Bei zwei Stahlsorten wurde der Stumpfstoß auch doppelseitig, zur Erfassung größerer Dicken gearbeitet. Zusätzlich wurde geprüft, ob eine Verwendung von Schutzgas nötig ist und ob damit Vorteile verbunden sind.

Werkstofftechnische Untersuchungen wie Zugprüfungen, Biegeprüfungen, Röntgen usw., zeigten an allen getesteten Proben durchweg Gütewerte, die im Bereich des Grundwerkstoffes liegen.

Der zweite Punkt des Projektes war die Werkzeugentwicklung. Bisher werden bei FSW-Stahlschweißungen Wolfram-Legierungen eingesetzt, aber auch andere metallischen Sonderwerkstoffe z.B. Tantalbasiswerkstoffe und Vollhartmetalle. Eine andere Variante ist polykristallines kubisches Bornitrid (PcBN).

Für dieses Vorhaben wurden keramische Werkstoffsysteme favorisiert. Wichtig dabei war es die Wechselwirkungen, zu schweißender Werkstoff und keramisches Werkzeug, zu verstehen. In Ableitung aus dem Versuchen und den anschließenden labortechnischen Untersuchungen hat sich ein Werkstoffsystem herauskristallisiert, Silizium-Nitrit (Si2N4, Nichtoxidkeramik). Dieser Werkstoff hat sich bei allen getesteten bestens Stählen bewährt. Oxidkeramiken, obwohl leichter herzustellen, konnten hingegen nicht überzeugen.

Letztendlich kann gesagt werden, dass der Werkstoff Si2N4 im Wesentlichen schon Einsatzreife erlangt hat. Das konnte durch Ergebnisse in den Referenzversuchen eindeutig belegt und bestätigt werden. Somit konnte ein auch ein Werkzeug-Werkstoffsystem für das Rührreibschweißen an Stahl verifiziert werden.