Gerührt, nicht geschmolzen – innovatives Schweißen

TRENNEN UND VERBINDEN
Gerührt, nicht geschmolzen –
innovatives Schweißen
D
urch Rührreibschweißen (Englisch
Friction Stir Welding, abgekürzt FSW)
lassen sich technisch reine Metalle,
Legierungen und Mischverbindungen qualitativ hochwertig stoffschlüssig verbinden.
Im Rührreibschweiß-Verfahren erzeugt ein
sich drehender Pin an der Nahtstelle durch
Reibung die benötigte Prozesswärme. Der
Werkstoff wird viskos und entlang der
Nahtstelle durch das rotierende Werkzeug
verrührt; beim Abkühlen entsteht dann eine
feste Verbindung. Neue Automatisierungsmöglichkeiten, wie durch den Einsatz eines
Industrieroboters in Verbindung mit einer
präzisen Kraftregeleinheit, ermöglichen das
Erreichen höchster Qualitätsanforderungen
und Effektivitätsziele, bei deutlich geringeren Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Schweißprozessen. Während
beim Lichtbogenschweißen typischerweise
hohe Mengen an Draht und Schutzgas benötigt werden, erfordert das Rührreibschweißen keine solchen Zusatzwerkstoffe.
Stetig steigende Anforderungen der Branche in Bezug auf Schweißgeschwindigkeit,
Oberflächengüte, geringen Bauteilverzug
Robotergestützte
Schweißanlage für Luftfahrtanwendungen.
und hohe Dichtigkeit erfordern eine stetige
Weiterentwicklung des FSW-Prozesses.
Prämierte Technik
Grenzebach ist eine internationale Unternehmensgruppe mit Fertigungsstätten auf
der ganzen Welt und mehr als 1600 Mitarbeitern. Zum Grenzebach-Portfolio im Bereich des Rührreibschweißens gehört nicht
nur die vielfach eingesetzte Roboterlösung
für komplexe Schweißaufgaben im dreidimensionalen Raum, sondern auch MehrAchs-Portalanlagen in unterschiedlichen
Dimensionen sowie Einzelmaschinen und
Anlagen in den Bereichen Orbitalschweißen und Sonderanlagenbau. Mit diesen
Rührreibschweiß-Systemen hat Grenzebach in der FSW-Technologie neue Einsatzbereiche eröffnet und unterstützt damit
bereits zahlreiche Anwendungen in industriellen 24/7-Serienproduktionen. Im Vergleich zu klassischen RührreibschweißKonzepten überzeugen die schlüsselfertigen Anlagen von Grenzebach insbesondere
durch produktspezifische Komplettlösungen für unterschiedlichste Abmessungen
Bild: Grenzebach
PETER SEIDL UND MARKUS WEIGL
und Komplexitäten an Bauteilen beziehungsweise Aufgabenstellungen. Das
Herzstück jeder Grenzebach-FSW-Anlage
ist die übergeordnete Anlagensteuerung,
die sogenannte Master Control Unit. Hier
findet die komplette Prozesslenkung und
-überwachung statt. Es werden über die
Bedieneinheit Sollwertvorgaben aufgenommen, prozessrelevante Sensorinformationen der Anlage erfasst, Rechenalgorithmen
ausgeführt und resultierende Prozesssignale ausgegeben. Mitunter eine der wichtigsten Informationen ist die Kompressionskraft, die über ein System aus Kraftaufnehmern hochdynamisch rückgemeldet wird
und mit den einzelnen Achsen der Führungsmaschine den Kraftregelkreis darstellt. Diese Anlageneinheit trägt maßgeblich zu der erzielbaren Schweißgüte und
Oberflächenbeschaffenheit bei. Auf diese
Weise wird bei entsprechender Führungsmaschine eine volle 3D-Fähigkeit und sogar
das Fügen in Zwangslagen wie in Überkopfoder Querposition mit geforderter Schwerkraftkompensation ermöglicht.
Im Hinblick auf das Reibwerkzeug ist
beim Rührreibschweißen zwischen den
konventionellen Werkzeugen, die sich durch
eine gleichermaßen drehende Schulter- und
Stiftgeometrie auszeichnen, sowie neuartigen Werkzeugen mit stehender Schulter,
zu unterscheiden. Grenzebach konzipiert
und nutzt vor allem mehrteilige Werkzeugvarianten auf Basis des Prinzips einer stehenden Schulter, die auf eine gemeinsame
Entwicklung mit EADS/Airbus zurückgehen.
Bild: Airbus Helicopters
Das roboterunterstützte Rührreibschweißen verbindet unterschiedlichste Materialien mit ausgezeichneter Nahtqualität, ohne Zusatzwerkstoffe wie Schutzgas
zu benötigen. Ein Experte auf diesem Gebiet ist Grenzebach Maschinenbau: Auf
der Euroblech 2014 gewann Grenzebach in der Kategorie Verbinden mit dem
Rührreibschweißen den Euroblech-Award der Blechnet.
Mehrteiliges Reibwerkzeug von Grenzebach.
Bild: Grenzebach
TRENNEN UND VERBINDEN
Durch die alleinige Rotation des innen liegenden Reibstiftes muss die
Schulter nicht länger rotationssymmetrisch
ausgebildet sein, sondern kann im Bereich
der Kontaktfläche mit dem Blechwerkstoff
eine longitudinale (längsgerichtete) Form
aufweisen. Derartige Formen eignen sich
für schlanke Nähte, hohe Vorschubgeschwindigkeiten und auch das Engspaltschweißen. Wird die kufenförmige Gleitfläche zudem unter einem gewissen Winkel
ausgeführt, so können mit dem Reibwerkzeug auch Tailored Blanks, das heißt
Schweißverbindungen an Blechen unterschiedlicher Dicke und Beschaffenheit, realisiert werden. Darüber hinaus besteht die
Möglichkeit, die längsgerichtete Gleitfläche
im Flankenbereich geometrisch derart zu
verändern, dass auch Kehlnähte mittels
Rührreibschweißen ausgeführt werden
können. Auszeichnungen wie der Euroblech-Award, den Grenzebach im Rahmen
der Euroblech 2014 von MM Maschinenmarkt und Blechnet für das innovativste
Produkt in der Kategorie Verbinden erhalten
hat, zeigen die Besonderheit der kunden-
Beispielhafte FSW-Anlage bestehend aus:
Zellensteuerung/Leitstand, FSW-Spindel mit
Reibwerkzeug, Führungsmaschine (hier: Roboter), Schaltschränken, Bearbeitungsstation
1 und 2 und Zellensicherheit.
und anwendungsspezifischen GrenzebachReibwerkzeuge.
Hohe Bauteilgenauigkeit
Durch das Zusammenwirken eines anforderungsgerechten Anlagenkonzepts, maßgeschneiderter Reibwerkzeuge und einer
geregelten Prozessführung lassen sich mit
automatisierten FSW-Anlagen gleichbleibend hochwertige Schweißnähte erzeugen.
Die geschweißten Verbindungen weisen
neben guten „inneren Werten“, das heißt
guten stofflichen Eigenschaften, auch
eine hervorragende Oberflächenqualität auf. Durch den kraftgebundenen und auch -geregelten
Fügevorgang kann zudem Einfluss
auf die Deformation und damit den verbleibenden Verzug des Bauteils genommen
werden, sodass im Vergleich zu anderen
Schweißverfahren nur geringe Bauteilverformungen zu vermerken sind. Dieser Sachverhalt macht sich besonders bei Komponenten wie Plattenwärmetauschern und
Leichtbauelementen positiv bemerkbar,
weshalb das Rührreibschweißen zunehmenden Einzug in die unterschiedlichsten
Branchen hält und zu effizienten Produktionsprozessen beiträgt. Am Hauptsitz von
Grenzebach in Hamlar nahe Augsburg stehen FSW-Versuchsanlagen für kundenspezifische Probeschweißungen und Testversuche bereits ab einer Schweißung zur
Verfügung. Somit werden Material, Werkzeug und andere Einflüsse aufeinander
abgestimmt, um einen bestmöglichen Einsatz beim Kunden zu gewährleisten.
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