LinFric - Entwicklung einer hydraulischen Linearreibschweissmaschine

Elmar Raiser (Klaus Raiser GmbH, Eberdingen) und Stephan Kallee (TWI Ltd, Abington)

Paper presented at the International Exchange of Experience at SLV Munich, Germany, on 5 March 2002

1. Einleitung

Das Reibschweißen wird, in seiner Verfahrensvariante Rotationsreibschweißen, seit vielen Jahren in den unterschiedlichsten industriellen Bereichen eingesetzt. Es hat sich als zuverlässiges Fügeverfahren fürhochwertige Verbindungen etabliert. Eine der wenigen Einschränkungen, der diese Verfahrensvariante unterliegt, ist die Tatsache, dass eines der beiden Fügeteile rotationssymmetrisch sein muss.

Um Metalle mit nichtrotationssymmetrischen Querschnittsformen mit der gleichen Qualität zu fügen, wurde das Linearreibschweißen entwickelt. Dieses Verfahren findet bis heute seine Anwendung aufgrund der aufwendigenund teuren Maschinentechnik ausschließlich in der Luft- und Raumfahrt.

Sechs europäische Unternehmen und zwei Forschungsintstitute haben sich 1996 mit dem Ziel zu einem Konsortium zusammengeschlossen, die Kosten für Linearreibschweißmaschinen zu reduzieren. Das Projekt wurde von derEuropäischen Kommission teilfinanziert und soll die Anwendungsbereiche des Linearreibschweißens in anderen Industriezweigen erweitern.

2. Verfahrensprinzip

Beim Linearreibschweißen wird eines der zu fügenden Bauteile in eine translatorische Schwingung versetzt und mit einer definierten Reibkraft axial gegen das fest eingespannte Fügeteil gedrückt, Bild 1.

Bild 1: Prinzip des Linearreibschweißens

Durch die entstehende Reibung erwärmen sich beide Fügeteile. Nach ausreichender Wärmeeinbringung wird die Schwingbewegung in der Mittellage gestoppt und die Axialkraft erhöht (Stauchphase). Hierbei wird Materialaus der Reibebene verdrängt und es entsteht der für das Verfahren typische Schweißwulst, Bild 2.

Die wesentlichen Schweißparameter beim Linearreibschweißen sind:

• Reibdruck
• Stauchdruck
• Amplitude
• Schwingungsfrequenz
• Reibverkürzung oder Reibzeit

Die unterschiedlichen Bewegungsarten zwischen Linear- und Rotationsreibschweißen führen zu deutlich unterschiedlichen Reibungsverhältnissen. Während beim Rotationsreibschweißen nach Überwindung derersten Drehmomentspitze und Erwärmung der Bauteile ein Gleichgewichtszustand mit nahezu konstantem Reibungskoeffizient eintritt, ändern sich die Reibungsverhältnisse beim Linearreibschweißen ständig.Während eines Schwingspieles müssen die Bauteile zweimal relativ zueinander beschleunigt und abgebremst werden. In den Umkehrpunkten der Bewegung muss jeweils die Haftreibung überwunden werden, wührend der Bewegungwirkt dann die Gleitreibung.

Bild 2: Typische Wulstausprägung bei Linearreibschweißungen (liegend Stahl, stehend Titan-Legierung)

Die ständigen Richtungswechsel wirken sich auch auf die notwendige Gestaltung der Spannelemente und die zulässige Ausspannlänge der Teile aus. Im Gegensatz zum Rotationsreibschweißen, bei dem das notwendigeSpannmoment nur schwellend in eine Richtung aufgebracht werden muss, müssen die Spannelemente beim Linearreibschweißen wechselnde Haltekräfte aufbringen.

Dies hat zur Folge, dass sowohl die freie Länge zwischen der Stoßfläche und den Spannbacken als auch die Reibrichtung so gewählt werden müssen, dass auch nach Erwärmung der Bauteile das aufgrund derReibung entstehende Biegemoment nicht zu einem Abknicken der Bauteile führt, Bild 3.

Bild 3: Bevorzugte Reibrichtung unterschiedlicher Profile

Das Linearreibschweißen kann für nahezu alle Metalle und deren Legierungen eingesetzt werden, z.B. für Titan, Stahl, Edelstahl, Aluminum und intermetallische Werkstoffe, und sogar für Verbundwerkstoffe mitmetallischer Matrix. ^[1,2] Ähnlich wie beim Rotationsreibschweißen sind eine schmale Wärmeeinflußzone und ein feinkörniges Gefüge in der Wärmeeinflußzone wesentliche Merkmale einerLinearreibschweißverbindung, Bild 4.

Bild 4: Metallograpischer Schliff durch eine Linearreibschweißverbindung aus TiAl6V4

Beim Linearreibschweißen bietet sich prinzipiell die Möglichkeit, mehrere Schweißungen parallel in einem Arbeitsgang auszuführen. Dabei kann es sich um mehrere gleichzeitig ausgeführteSchweißverbindungen an einem Bauteil handeln oder um das parallele Reibschweißen mehrerer Einzelbauteile.

Des weiteren wird das Bauteilspektrum auf eine Vielzahl neuer Schweißquerschnitte und Geometrien erweitert, z.B. linienförmige, rechteckige oder auch eine Vielzahl nichtrotationssymmetrischer Bauteilquerschnitte. Hierbeiist nur minimale Oberflächenvorbereitung notwendig. Es zeichnet sich ab, dass damit in naher Zukunft die Lösung einer Vielzahl fügetechnischer Aufgaben möglich wird.

3. Maschinen- und Steuerungskonzept

Die LinFric ^® -Linearreibschweißmaschine ähnelt in ihrem Grundaufbau einer Standard-Rotationsreibschweißmaschine, Bilder 5 und 6. Das nicht oszillierende Fügeteil wird auf dem Axialschlitten mittels Zentrumsspanner gespannt. Über einen Axialanschlag wird die Reib- und Stauchkraft vom Axialzylinder auf das Bauteil aufgebracht.Die maximale Axialkraft beträgt 200 kN.

Bild 5: Schematische Darstellung der LinFric ^® - Linearreibschweißmaschine ^[3]

Bild 6: LinFric ^® - Linearreibschweißmaschine

Bild 7: Zentrumsspanner auf der Oszillatorseite

Das oszillierende Fügeteil wird ebenfalls über Zentrumsspanner in den sogenannten Oszillatorschlitten eingespannt, Bild 7. Dieser ist zur Aufnahme der Reib- und Stauchkraft hydrostatisch gelagert. Um die bewegte Masse so gering wie möglich zu halten, wurde die Konstruktion des Oszillatorschlitten mittels Finite-Elemente-Methodeoptimiert.

Die Oszillationsbewegung wird über einen hydraulischen Antrieb erzeugt, wie er in herkömmlichen Schwingversuchsmaschinen zum Einsatz kommt. Zur Reibungserzeugung können Schwingungen mit einer Frequenz von f = 25-125Hz und einer Amplitude von bis zu ±3mm erzeugt werden. Der hydraulische Oszillator ermöglicht ferner, den Schwingungsverlauf von der Sinusform abweichend zu verändern, Bild 8. Dies ermöglicht eine optimale Anpassung an die Fügeteilgeometrie und die zu verschweißenden Werkstoffe.

Bild 8: Von der Sinusform abweichender Schwingungsverlauf

Die Schwingbewegung wird in vertikaler Richtung ohne Massenausgleich ausgeführt. Ein Aufschwingen der Maschine wird über Zusatzgewichte im Maschinenbett und die Verwendung von Dämpfungselementen alsMaschinenfüße verhindert. Die Gesamtmasse der Maschine ohne Hydraulikaggregat beträgt 12 Tonnen.

Der Oszillator wird über 8 Akkumulatoren durch ein Hydraulikaggregat angetrieben, so dass ein Ölfluß von bis zu 750 l/min erzeugt werden kann.

Die Bedienung der Maschine erfolgt über verfahrbares Bedienungspult mit einem Industrie-PC. Hierüber werden alle notwendigen Schweißparameter und -daten eingegeben. Die unterschiedlichen Schweißprogrammekönnen bauteilbezogen archiviert und bei Bedarf wieder geladen werden.

Zur Prozessüberwachung stehen prinzipiell zwei unterschiedliche Wege zur Verfügung. Einerseits können die aufgezeichneten Axialkraft-, Weg- und Schwingungsverläufe über eine Programmverwaltung überwachtwerden. Andererseits steht eine Auswertung der zeitlichen Verläufe mittels Fuzzy-Logic zur Verfügung. Hierbei erfolgt eine Bewertung der einzelnen Signalverläufe mit Referenzkurven. Als Ergebnis wird eineÜbereinstimmung mit der Referenzkurve in Prozent angegeben. Der Vorteil dieser Auswertelogik liegt darin, dass keine scharfen Grenzen vorliegen, die zur Beurteilung der Schweißnahtqualität herangezogen werden, sondernder Prozessverlauf als Ganzes beurteilt wird.

Tabelle 1: Technische Daten der LinFric ^® - Linearreibschweißmaschine

4. Anwendungsbeispiele

Das Linearreibschweißen wird heute weltweit von allen großen Triebwerksherstellern zum Fügen von Turbinenschaufeln aus Titan- und Nickelbasislegierungen eingesetzt. MTU-München hat mit demLinearreibschweißen von Verdichter-Rotoren für das Triebwerk des Eurofighters die erste Serieneinführung begonnen. ^[4]

Hierbei wird das Rotorblatt (blade) über den rechteckigen Flansch aufgenommen und auf den Rotor (disk) geschweißt, Bild 9. Mit diesem Verfahren wird sowohl die Neufertigung als auch die Reparatur sogenannter Blisks (= bladed disks) durchgeführt.

Bild 9: Linearreibgeschweißte Blisk

Ähnliche Anwendungsgebiete findet man auch bei stationären Gasturbinen. Ein industrieller Einsatz wurde jedoch bisher, wie auch in anderen Industriezweigen, durch die hohen Investitionskosten für eineLinearreibschweißmaschine verhindert. Durch das innovative Maschinenkonzept konnten diese Kosten erheblich gesenkt werden, so dass davon auszugehen ist, dass in Zukunft das Linearreibschweißen auch zur Herstellung von Blisksfür Gasturbinen eingesetzt werden wird.

Das Linearreibschweißen erweitert auch das Anwendungsgebiet des Reibschweißens auf Profil- und Querschnittsformen, die bisher nicht durch Reibschweißen gefügt werden können. Beispielhaft seien hierfürT-Stöße an Rechteckprofilen, Schweißungen an der Mantelfläche von Rundstäben oder das Anschweißen mehrerer Profile an eine Platte genannt, Bild 10.

Bild 10: Mögliche Verbindungsformen durch das Linearreibschweißen

5. Zusammenfassung

Das Linearreibschweißen bietet vielfältige Anwendungsfelder in Industriezweigen, in denen es bisher aufgrund der hohen Maschinenkosten nicht wirtschaftlich einsetzbar ist. Durch die Berücksichtigung eines innovativen,neuen Maschinen- und Antriebskonzeptes ist es mit der Entwicklung der LinFric ^® - Linearreibschweißmaschine gelungen, die Investitionskosten wesentlich zu reduzieren. Es ist davon auszugehen, dass dadurch das Linearreibschweißen in anderen Industriezweigen wie z.B. derAutomobil- und Kraftwerksindustrie Anwendung findet.

6. Literatur

1. Nicholas, E.D.: Linear friction welding. 3. Internationale DVS-Tagung 'Abbrennstumpf- und Reibschweißen mit verwandten Verfahren', Stuttgart, 5.u.6. Dez. 1991, DVS-Bericht 139, S.18 ff
2. Nentwig, A.W.E.; Appel L.: Untersuchungen zum Linearreibschweißen von Metallen. Schweißen und Schneiden 47 (1995), H.8, S.648 - 653
3. Linfric
4. Knoth, U; Schneefeld D.; Kupetz B.: Rotations- und Linearreibschweißen von Flugtriebwerks-Komponenten. 10. Erfahrungsaustausch, Reibschweißen", 29.03.2000, SLV München