Einsatz von Rührreibschweißwerkzeugen mit mehreren Stiften zur Vermeidung von Oxidansammlungen bei gleichzeitiger Erweiterung der Spaltüberbrückbarkeit

Rührreibschweißen (Friction Stir Welding - FSW) ist ein Festphase-Fügeverfahren bei dem die Reibungswärme zwischen Werkzeug und Werkstück das Material plastifiziert und dieses durch das Werkzeug zu einer Schweißnaht geformt wird. Die Eigenschaft von Aluminium in Verbindung mit Sauerstoff zu oxidieren erfordert bei konventionellen Schweißverfahren eine Nahtkantenvorbehandlung, um die Oxidationsschicht zu entfernen.

Beim Rührreibschweißen hingegen, werden die Oxidpartikel miteingerührt und homogen in dem Schweißgut verteilt. Dabei ist darauf zu achten, dass es durch unzureichende Durchmischungen im Schweißgut zu linienförmigen Ansammlung von Oxidpartikeln in der Schweißnaht kommen kann. Diese können die mechanisch- technologischen Eigenschaften der Schweißnähte vermindern. Ein weiterer Betrachtungspunkt der wegfallenden Nahtkantenvorbereitung sind fertigungsbedingte Maßabweichung in industriellen Anwendungen am Fügestoß, welche dazu führen können, dass ein zu großer Fügespalt entsteht und nicht ausreichend Material dem Prozess zur Verfügung steht. Daraus resultieren Bauteile mit Schweißnahtunregelmäßigkeiten, die zum Ausschuss führen können. Zur Vermeidung eines Spaltes werden erhöhte Spannzeiten und aufwendigere Spannvorrichtungen benötigt, um reproduzierbare Nahteigenschaften zu gewährleisten. Dies erhöht die monetären Aufwendung der Schweißaufgabe und erhöht die Fertigungszeit.

Um diese Effekte zu vermeiden hat sich ein Werkzeug mit zwei bis vier Werkzeugstiften, auf einem koaxialen Teilkreis um die Werkzeugrotationsachse, als geeignet gezeigt. Durch die mehreren Stifte erhöht sich der Durchmischungsgrad des Schweißgutes und die Oxidlinien werden im Schweißgut homogen verteilt. Der erhöhte Durchmischungsgrad hat eine Steigerung der Wärmeeinbringung zur Folge, dies ermöglicht eine Reduzierung der Werkzeugdrehzahlen bei gleichzeitiger Steigerung der Schweißgeschwindigkeit. Hierdurch wird das temperaturbedingte Anwachsen der Oxidpartikel verhindert. Ein weiterer Effekt der erhöhten Stiftanzahl ist die Erhöhung des Schweißnahtvolumens, welches dem Prozess zur Verfügung steht und damit Fügespalte bis zu 50% der Blechstärke ohne Unregelmäßigkeiten überbrücken kann.

Rührreibschweißwerkzeuge mit mehreren Stiften ermöglicht damit die Anforderungen an die Spanntechnik, bei gleichzeitiger Vermeidung linienförmiger Oxidansammlung, zu reduzieren.

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