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Reibrührschweißen: Erfindung, Innovationen und Industrialisierung

Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M. Thomas

TWI Ltd

Paper presented at Seminar 'Rührreibschweißen (FSW) - ein modernes Fügeverfahren', Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) Berlin-Brandenburg, 20. März 2002

English version

Zusammenfassung

Reibrührschweißen ist, seit es am TWI im Jahr 1991 erfunden worden ist, [1,2] so weit entwickelt worden, daß es in der Serienfertigung eingesetzt wird. Zur Zeit sind 67Organisationen für den Einsatz des Verfahrens lizenziert. Dies sind Industriefirmen, Universitäten und Forschungsinstitute, die bereits mehr als 440 Patentanmeldungen eingereicht haben. [3] Maschinen für die Forschung und Serienfertigung sind erhältlich und schließen Komplettinstallationen von bis zu 16 m Schweißnahtlänge ein.

Einführung

Reibrührschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein patentiertes Fügeverfahren, das vor 10 Jahren am TWI erfunden wurde [1,2] ( Bild 1). Die Schweißungenwerden unterhalb des Schmelzpunktes in der festen Phase ausgeführt, und die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und der geringe Verzug werden der geringen Wärmeeinbringung zugeschrieben.

Erprobte Schweißprozeduren für Probestücke und Prototypen werden detailliert erstellt werden. Genauso wichtig ist der ausführliche Vergleich von verschiedenen Schweißmaschinen ( Bilder 24 und 25
€ Projektes wird 2½ Jahre dauern, während denen 6 Schwerpunkte bearbeitet werden sollen ( Tabelle 3). Die Aufgabenstellung ist, die Schweißbarkeit durch Machbarkeitsstudien mit Roboternund Portalmaschinen nachzuweisen und Methoden zur Schweißnahtgütebeurteilung und zur Qualitätssicherung zu entwickeln ( Tabelle 4). Das Projekt hat zur Zeit 33 Teilnehmer und ist offen für weitereKollaborateure aus EUREKA Ländern.
Tabelle 3. Schwerpunkte des EuroStir ® Projekts
(1)
Werkzeuggestaltung
(2) Werkstoffspektrum
(3) FSW Produktivität
(4) FSW Flexibilität
(5) Mech. Eigenschaften
(6) Öffentlichkeitsarbeit
Tabelle 4. Zielsetzungen des EuroStir ® Projekts, teilfinanziert durch Großbritannien (51%), Frankreich (21%), Deutschland (10%), Schweden (9%), Dänemark (7%) undPolen (2%)
(a) Hochgeschwindigkeitsschweißen (>2 m/min) von Aluminiumblechen
(b) Schweißen von Aluminiumlegierungen mit mehr als 20 mm Dicke
(c) Reibrührschweißen von artfremden Werkstoffen, z. B. Guß zu gewalztem Blech sowie Aluminium zu Magnesium oder Stahl
(d) Roboterschweißen, dreidimensionales und kraftkompensierendes Reibrührschweißen mit an Zwirnspulen erinnernden 'Bobbin' Werkzeugen
(e) Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, z. B. in der WEZ
(f) Entwicklung von Prozeduren für Ti, Ni, Edelstahl Rostfrei und ferritischen Stählen
(g) Industrialisierung von (a)-(f) für reale Bauteile und Einsatz in der Serienfertigung
(h) Industrieller Einsatz durch 50% der Teilnehmer in 5 Jahren
),der es möglichen Anwendern erlaubt, über Kapitalinvestitionen zu entscheiden. Die Rolle von Dienstleistungen durch Job-Shops hat sich als Katalysator für Investitionen bewährt. Ein wichtiges Projektziel ist dieEinrichtung von mindestens 25 Anwendungszentren in Europa über die nächsten 5 Jahre.

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Bild 24. Vorführung des Neos Tricept 805 Reibrührschweiß-Roboters bei der EuroStir ® Jahreshauptversammlung in der GKSS
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Bild 25. Die Esab SuperStir TM Portalmaschine am TWI - die größte Labormaschine der Welt für Prototypen bis 8 x 5 x 1 m (siehe www.eurostir.co.uk)

Die Öffentlichkeitsarbeitsphase des EuroStir ® Projekts wird im wesentlichen durch die Industrie finanziert und wird ebenfalls 2½ Jahre dauern. Sie schließt Seminare, Workshops,Lohnauftragsfertigung und kostengünstige Machbarkeitsstudien für mögliche Anwender ein, die sich entschließen, nicht über die Job-Shops bedient werden zu wollen. Kosten-Nutzen-Rechnungen werden in dieser Phaseeine starke Rolle spielen.

Schlußfolgerungen

  • 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.
  • Reibrührschweißen kann auch für Kupfer, Blei, Magnesium, Zink und Titanlegierungen eingesetzt werden sowie für Bau- und Edelstahl.
  • Die Experimente mit Whorl TM , MX Triflute TM , MultiStage TM , and Skew-stir TM Werkzeugen haben bisher vielversprechende Ergebnisse erzielt, und das einlagige Reibrührschweißen von 1-50 mm dicken Platten industrietauglich gemacht.
  • Insgesamt 33 Unternehmen haben sich im EuroStir ® Projekt zusammengeschlossen, um das Reibrührschweißen aus den Labors in die industrielle Fertigung zu bringen.

Literaturverszeichnis

  1. Thomas W M, Nicholas E D, Needham J C, Murch M G, Temple-Smith P and Dawes C J (TWI): 'Improvements relating to friction welding'. European Patent Specification EP 0 615 480 B1. l2.espacenet.com/dips/viewer?PN=EP0615480

  2. Midling O T, Morley E J, Sandvik A (Norsk Hydro, rights transferred to TWI): 'Friction stir welding'. European Patent Specification EP 0 752 926 B1. l2.espacenet.com/dips/viewer?PN=EP0752926

  3. 440 FSW patents is available

  4. Thomas W M, Nicholas E D, Needham J C, Temple-Smith P, Kallee S W K W, Dawes C J (TWI): 'Friction stir welding', UK Patent Application GB 2 306 366 A. l2.espacenet.com/dips/viewer?PN=GB2306366

  5. Connect, July/August 2000.

  6. Connect No. 113, July 2001, p.3.

  7. TWI Bulletin, Nov/Dec 2000. (for TWI Industrial Members only)

  8. www.danstir.dk/superstir.htm and www.eurostir.co.uk/eurostir_danstir.html

  9. Connect September/October 1998.

  10. Connect Nov 97.

  11. Bulletin, November/December 1995. (for TWI Industrial Members only)

  12. Backlund J, Norlin A, Andersson A: 'Friction stir welding - weld properties and manufacturing techniques'. 7th Inalco Conference, Cambridge, 15-17 April 1998, ISBN 1 85573 417 6, www.woodhead-publishing.com/engineering/welddesign.html#inalco

  13. Midling O T, Oosterkamp L D, Bersaas J: 'Friction stir welding aluminium - Process and applications'. 7th Inalco Conference, Cambridge, 15-17 April 1998, ISBN 1 85573 417 6, www.woodhead-publishing.com/engineering/welddesign.html#inalco

  14. 'European recommendations for aluminium alloy structures fatigue design', European Convention for Constructional Steelwork, No 68, 1992.

  15. Wykes D H (Boeing): 'Adjustable pin for friction stir welding tool', United States Patent 5,697,544.

  16. 'Programmable friction stir welding process', Holt E S, Lang J L (Rockwell), United States Patent 5,713,507.

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  18. Rosen C D (Rockwell): 'Friction stir welding total penetration technique', United States Patent No 5,611,479.

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  20. Thomas W M, Fielding P B, Nicholas E D and Temple-Smith P: 'Friction stir - the way ahead. Identify yourself with FSW'. Connect, Jan 99,

  21. Enomoto M, Tasaki S, Nishikawa N, Iwai I, Hashimoto T (Showa): 'Friction welding method', European Patent Application EP 0 867 254 A1.

  22. Kawasaki T, Sagawa T, Ezumi M (Hitachi): 'Friction stir welding and friction stir welding apparatus'. European Patent Application EP 0 947 280 A1.

  23. www.boeing.com/defense-space/space/delta/id/inde0601.pdf (needs 30sec)

  24. www.boeing.com/companyoffices/gallery/images/space/delta_iv/delta_iv_mfg.htm

  25. Talwar R, Bolser D, Lederich R and Baumann J: 'Friction stir welding of airframe structures'. Second International Symposium on FSW, Gothenburg, 26-28 June 2000.

  26. eurostir_nl1e.html

  27. Minneman T, Beduhn B, Skinner M: 'MTS Systems receives order for friction stir welding system'. www.mts.com/pr/pr990908.html and www.mts.com/pr/2001/pr20010703_2.htm

  28. Velocci A L: 'Eclipse presses ahead amid wide skepticism'. Aviation Week & Space Technology, 16 Oct 2000.

  29. 'Cabin Right-Hand Panel Assembly' and 'Friction Stir Welded Lower Panel Assembly at Albuquerque'. www.eclipseaviation.com/progress/index.htm

  30. Photograph: www.engr.sc.edu/research/fsw/apparatus/apparatus.html

  31. www.mcetechnologies.com/stirnich.htm

  32. Thompson J: 'FSW for cost savings in contract manufacturing'. Second International Symposium on Friction Stir Welding, Gothenburg, 26-28 June 2000 and www.gentool.com/pages/fabrication.html

  33. The start and navigation page for information on EuroStir ® is: www.eurostir.co.uk