Stephan W Kallee
Paper presented at FSW Technology Days at AMAG, Ranshofen, Austria, 24-25 October 2005
Zusammenfassung
Die Automobilzulieferindustrie verwendet das Reibrührschweißverfahren ( Bild 1) für die Serienfertigung von Kraftstofftanks, Türen, Hauben, Leichtmetallfelgen, Spurstangen und Rücksitzlehnen. Der Einsatz für 'Tailor Welded Blanks' und 'Space Frames' aus Aluminium wird erwogenund experimentell entwickelt.
In der Raumfahrtindustrie werden große Raketentanks aus hochfesten Aluminiumlegierungen reibrührgeschweißt. Die erste Rakete mit einer reibrührgeschweißten Zwischenstufe wurde im August 1999 erfolgreichgestartet. Internationale Flugzeugbauer erproben zur Zeit mit großem Erfolg reibrührgeschweißte Düsenflugzeuge. Im Schiff- und Eisenbahnwaggonbau setzen mehrere Firmen das Verfahren ein, um großeAluminiumpaneele herzustellen, die aus Strangpreßprofilen zusammengesetzt werden.
Einführung
Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW) wurde am TWI (The Welding Institute, www.twi.co.uk) im Jahr 1991 erfunden und inzwischen so weit entwickelt, daß es in der Serienproduktion eingesetzt wird. Zur Zeit sind118 Organisationen vom TWI für den Einsatz des Verfahrens lizenziert. Dies sind vor allem Industriefirmen, die ihrerseits bereits mehr als 1300 Patentanmeldungen eingereicht haben.
Bild 1. Verfahrensprinzip und Mikrogefüge von Reibrührschweißnähten
Europäische Patent Spezifikation 0 615 480 B1: 'Improvements relating to friction welding' von WM Thomas, ED Nicholas, JC Needham, MG Murch, P Temple-Smith and CJ Dawes
Reibrührschweißen wird unterhalb des Schmelzpunktes ausgeführt, indem ein sich drehendes Werkzeug in den Schweißspalt gepreßt wird. Das verschleißfeste FSW-Werkzeug hat einen profilierten Stift und eineSchulter mit einem größeren Durchmesser als der Stift. Die Stiftlänge entspricht der erforderlichen Schweißnahttiefe. Das Werkzeug wird entlang der Schweißnaht verfahren, während die Schulter auf dieWerkstückoberfläche gepreßt wird, um den durch die entstehende Reibwärme plastifizierten Werkstoff zusammenzustauchen.
Industrieller Serieneinsatz des Reibrührschweißverfahrens im Automobilbau
Bereits 1998 begann TWI, in einem vertraulichen Verbundprojekt mit den Firmen BMW, DaimlerChrysler, EWI, Ford, General Motors, Rover, Tower Automotive and Volvo die Eignung von reibrührgeschweißten Tailor Welded Blanks zumTiefziehen von Aluminium-Türinnenpaneelen zu erforschen und neue Konzepte für reibrührgeschweißte Gelenkwellen und Spaceframes zu entwickeln. Als Folge der erfolgversprechenden Ergebnisse dieses Projekts werden dasReibrührschweißen und seine Variante, das Reibrühr punkt schweißen (Friction Stir Spot Welding, FSSW), heute weltweit an verschiedenen Standorten in der Serienfertigung von Aluminium-Automobilbauteilen eingesetzt:
Ford in Detroit (USA) setzt einen reibrührgeschweißten Mitteltunnel in der Serienfertigung des Sportwagens Ford GT ein. Dies ist ein tragendes Bauteil, das die Steifigkeit des Chassis erhöht und außerdem alsdampfdichter Kraftstofftank dient ( Bild 2 und 3). Die Position des Tanks bietet gute Gewichtsverteilung und Crashsicherheit. Die an ein Flaschenschiff erinnernde Konstruktion des Kraftstofftanks wird erstmalig industriell eingesetzt: Die mechanischenKomponenten, einschließlich Benzinpumpen, Füllstandssensoren und Dampfregelungsventilen werden zunächst auf einer Stahlschiene angebracht. Dann wird ein einteiliger Tank durch Blasformen um diese Schiene erzeugt. DiesesKonzept maximiert das Füllvolumen und reduziert die Anzahl der Verbindungselemente zum Kraftstoffsystem.
Bild 2: Reibrührschweißen des Aluminium-Mitteltunnels des Ford GT
Bild 3: Der Mitteltunnel des Ford GT, in dem der Kraftstofftank untergebracht ist, ist reibrührgeschweißt
Tower Automotive in Grand Rapids (Michigan, USA) produziert Spurstangen für Lincoln Town Cars, die als verlängerte Limousinen eingesetzt werden. In diese werden hochfeste Hinterachsen eingebaut, während der Rest derhinteren Federung unverändert bleibt. Tower Automotive verschweißt dafür mit zwei Spindeln beidseitig gleichzeitig zwei identische Strangpreßprofile. Dies Verfahren führt zu hervorragenderDauerschwingfestigkeit.
Volvo in Torslanda (Schweden) und Ghent (Belgien) bezieht vorgefertigte FSW Paneele für die umklappbaren Rücksitze der Volvo V70 Kombis. Diese werden bei Sapa in Finspång (Schweden) mit einer FSW Maschine mit zweiFSW-Schweißköpfen hergestellt, in der extrudierte Aluminiumhohlprofile gleichzeitig von beiden Seiten verschweißt werden. Die Schweißmaschine hat ein karussellartiges Lade- und Entladesystem, das automatisch voneinem Knickarmoboter bestückt wird.
Mazda in Hiroshima (Japan) benützt Reibrührpunktschweißen für die hinteren Türen und die Motorhaube des Mazda RX-8 ( Bild 4). Die Haube dieses Sportwagens hat eine Aufprallenergie-absorbierende Struktur, um die Auswirkungen von Unfällen mit Fußgängern zu verringern ( Bild 5). Mazda setzt dieses Verfahren ein, um Schweißspritzer zu vermeiden und um den Stromverbrauch im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen zu verringern ( Bild 6).
Bild 4: Roboter-Reibrührpunktschweißen der hinteren Türen des Mazda RX-8
Bild 5: FSSW Motorhaube des Mazda RX-8
Bild 6: Reibrührpunktgeschweißte Aluminiumtüre des Mazda RX-8
Showa Denko in Oyama City (Japan) verschweißt stranggepreßte Endstücke mit ø20-30 mm Rohren, um Spurstangen herzustellen. Das Gummi dieser Federbeinendstücke kann vor dem Reibrührschweißenvulkanisiert werden, weil es während des Schweißens nur zu geringer Hitzeentwicklung kommt.
Simmons Wheels in Alexandria (Australien) hat eine neue Methode entwickelt, um Felgenbänder aus gewalzten Aluminiumblechen einer AlMgSi Legierung herzustellen. Aus dieser wird zuerst eine zylindrische Röhre mit einerFSW-Längsnaht zusammengeschweißt, die dann in mehrere Stücke zersägt wird. Nach dem Schweißen können diese dann spanlos umgeformt und abschließend wärmebehandelt werden. Die Firma hilft jetzt UTAlloy Works in Guandong (China), die FSW-Produktion von Leichtmetallfelgen hochzufahren ( Bild 7-9).
Bild 7: UT Alloy Works in China schweißen aus gewalzten Aluminiumblechen einen FSW Zylinder ...
Bild 8: ... der anschließend mit dem Spinformverfahren umgeformt wird (FSW-Naht unten im Bild) ...
Bild 9: ... und zu einem dreiteiligen Rad für getunte Sportfahrzeuge zusammengeschraubt wird
DanStir in Kopenhagen (Dänemark) kollaboriert jetzt mit einem führenden norwegischen Hersteller von Leichtmetallrädern, um zweiteilige Aluminiumfelgen herzustellen. DanStir verwendet das FSW Verfahren für dieHerstellung von Aluminiumrädern aus spin-geformten Felgenbändern und gegossenen Naben. Dies reduziert das Gewicht eines Rades um 20-25% und gibt dem Automobilzulieferer einen Vorteil gegenüber seinen Mitbewerbern.
Riftec in Geesthacht (Deutschland) bietet Auftragsfertigung und Ingenieursleistungen an, z.B. bei der Installierung von Reibrührschweißrobotern in Automobilfertigungslinien. In einem Automobilbauprojekt haben dieRiftec-Ingenieure reibrührgeschweißte Musterbauteile für eine Studie der Firma Inpro in Berlin erstellt.
Friction Stir Link in Waukesha (Wisconsin, USA) ist ein auf die Automobilindustrie spezialisiertes Dienstleistungsunternehmen. Die Angebote umfassen FSW Verfahrensentwicklung, Technologietransfer, Serienfertigung in kleinen undmittleren Losgrößen und FSW Systemintegration ( Bild 10-12).
Bild 10: CNC gesteuerte Reibrührpunktschweißzange an einem Knickarmroboter bei der Firma Friction Stir Link in Detroit
Bild 11: Die Firma Friction Stir Link bietet Vorserienentwicklung, Systemintegration und Lohnauftragsschweißungen von Aluminium Spaceframes an
Bild 12: Die Firma Friction Stir Link fügt tiefgezogene Karosseriebauteile durch Reibrührpunktschweißen
Industrieller Einsatz des Reibrührschweißverfahrens in anderen Verkehrsindustrie-Sektoren
Im Eisenbahnwaggonbau setzen inzwischen mehrere japanische, deutsche und britische Unternehmen reibrührgeschweißte Aluminiumhohlprofile ein, aus denen Wagenkästen gebaut werden. Dies führt wegen der genauenToleranzen zu guter Verarbeitbarkeit mit MIG Robotern und wegen des geringen Verzugs zu einer ästhetischen Außenseite der Züge. Darüber hinaus wird eine bessere Crashsicherheit bei Unfällen erwartet.
Die ersten Serieneinsätze des Reibrührschweißverfahrens fanden in Schweden und Norwegen statt, um große Aluminiumpaneele aus Strangpreßprofilen herzustellen. Diese werden inzwischen weltweit fürHochgeschwindigkeitsfähren, Bohrinseln, Luftkissenfahrzeuge und Kreuzfahrtschiffe eingesetzt. Große vorgefertigte FSW-Aluminiummodule können in Werften zeitsparend in Schiffe eingebaut werden.
Boeing hat bereits fünf ESAB SuperStir TM Maschinen installiert, um Treibstofftanks für Raketen zu verschweißen. Eine horizontale Maschine schweißt Delta II Tanks von innen, und zwei vertikale Maschinen werden für Delta IV Tanks von außeneingesetzt ( Bild 13). Airbus in Filton bei Bristol (GB) hat im Herbst 1999 eine Powerstir TM -Maschine von Crawford Swift in Halifax (GB) in Betrieb genommen, wo sie für die Herstellung von Prototypen von Aluminiumflügeln für Flugzeuge verwendet wird ( Bild 14).
Bild 13. ESAB SuperStir TM Maschine bei Boeing in Decatur (Alabama) für Flüssiggastanks der Delta IV Raketen
Bild 14. Crawford Swift Powerstir TM Maschine bei Airbus mit 3 CNC Achsen, 60kW Leistung, 100kN (10t) Kraft
Die Firmen Eclipse Aviation in Albuquerque (New Mexico), Lockheed Martin in Michoud (Louisianna), Airbus in Bremen, Institut de Soudure in Metz (Frankreich) und einige Forschungslabors haben hydraulisch angetriebene FSW-Maschinenvon MTS in Eden Prairie (Minnesota) bezogen. Vor kurzem hat Eclipse Aviation die erste Abnahme des Reibrührschweißverfahrens durch die Federal Aviation Administration (FAA) für den Einsatz im Flugzeugbau erhalten ( Bild 15-16).
Bild 15. FSW Portal bei Eclipse Aviation zum Schweißen von Aluminium Flugzeugkabinen
Bild 16. Take-off beim ersten Testflug eines reibrührgeschweißten Eclipse 500 Düsenflugzeugs
Schlußfolgerungen
- Die Automobilzulieferindustrie setzt das Reibrührschweißverfahren im Serieneinsatz für die Herstellung von Alumiumteilen aus Blechen und Strangpreßprofilen ein.
- Reibrührschweißen wird im Schiff- und Eisenbahnwaggonbau für die Serienfertigung von Aluminiumpaneelen aus AlMgSi und AlMg Strangpreßprofilen eingesetzt.
- Die Luft- und Raumfahrtindustrie setzt das Verfahren erfolgreich für die Herstellung von Raumfähren aus hochfesten Aluminiumlegierungen ein und untersucht die Schweißmöglichkeit für zivile und militärische Flugzeuge.