Praxisseminar I – FH-Augsburg
Referat am 3.5.2002
Daniel Bechteler
daniel@bechteler.com
Das Reibschweißen
1. Einleitung und Themenübersicht
Das Reibschweißen ist seit über 30 Jahren in der Fertigung eingeführt. Dabei hat es sich bei Großserienschweißungen schon lange einen guten Namen als zuverlässiges und schnelles Verfahren erworben.
Das Reibschweißen ist ein mechanisiertes Schweißverfahren zum Verbinden von Voll- und Hohlquerschnitten ohne Schweißzusatz. Es gehört zu den Pressschweißverfahren bei denen die Wärme durch Bewegung erzeugt wird.
In diesem Referat soll eine Hinführung zum Verständnis des Reibschweißprozesses anhand folgender Themen erfolgen:
2. Die Geschichte des Reibschweißens
3. Der Prinzipielle Aufbau einer Reibschweißanlage
4. Das Prinzip des Reibschweißprozesses
5. Die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe
6. Eine Übersicht über reibschweißbare Querschnitte
7. Eine Abschließende Zusammenfassung der Merkmale
8. Quellennachweis
2. Die Geschichte des Reibschweißens
Die Tatsache, dass durch Reibung Wärme erzeugt wird, ist seit Jahrhunderten bekannt.
Die gezielte technische Nutzung der Reibungswärme zum Verbinden von Metallen soll zum ersten Mal in einem amerikanischen Patent ca. 1890 dargelegt worden sein.
1940-1945 : Über Entwicklungen beim Verbinden von Kunststoffen wird berichtet.
1955-1959 : Das Reibschweißverfahren konnte erstmals zum Stumpfschweißen von
metallischen Werkstoffen eingesetzt.
1960-1965 : In den USA wird ein Patent zum Schwungradreibschweißen angemeldet.
Wenige Jahre später beginnt auch ein deutscher Hersteller mit dem Bau von Reibschweißmaschinen.
Reibschweißmaschine aus dem Jahr 1966
3. Der Prinzipielle Aufbau einer Reibschweißanlage
1. Maschinengestell
2. Spindelstock mit Arbeitsspindel und Lamellenbremse
3. Werkstückaufnahme
4. Werkstückaufnahme als zentrisch spannender Block
5. Arbeitsschlitten
6. Vorschubzylinder
7. Abdreheinheit
8. Spänerutsche
9. Arbeitsraum
10. Hydraulik-Aggregat
11. Antriebseinheit
12. Schaltschrank für die Elektrik
13. Speicherprogrammierbare Maschinensteuerung (SPS) und Controller
zusätzlich: elektrisch abgesicherte Arbeitsraum-Schutztüren (nicht eingezeichnet)weitere Bauformen:
Bei Reibschweißanlagen lässt sich sowohl die horizontale (siehe oben) als auch die vertikale Ausführung realisieren. Selbst dreiteilige Werkstücke, wie sie bei Hinterachsen und Gelenkwellen vorkommen, lassen sich auf Doppelspindel-Reibschweißanlagen in einem Arbeitsgang und damit besonders wirtschaftlich schweißen.
4. Das Prinzip des Reibschweißprozesses
Phase 1: Von zwei Werkstücken, die fest eingespannt sind, wird eins in Drehung versetzt. Durch einen hydraulischen Zylinder werden die Werkstücke an der Schweißfläche miteinander in Kontakt gebracht.
Diese Phase wird auch als Einreibphase bezeichnet.
Die Rauheitsspitzen der Oberflächen schleifen unter wachsenden Axialdruck aufeinander, die Oberflächen ebnen sich ein und die reale Kontaktfläche und damit das übertragene Moment steigt an.
Phase 2: Die Drehung n und die Kraft F1 (Reibkraft) erzeugen Reibung, wodurch die Schweißflächen erwärmt werden.
Die Reibungsvorgänge beim Reibschweißen von artgleichen Werkstoffen kann man sich wie folgt vorstellen: zwischen den Reibpartnern bilden sich – örtlich begrenzte – feste Brücken aus, die durch Haften oder Verschweißen bedingt sind. Durch die Relativbewegungen bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten werden diese Werkstoffbrücken sofort wieder zerstört. Es findet in der Fügeebene ein fortwährendes Haften, Losreißen und Verformen statt, und es kommt zu einem intensiven Austausch der beiden Werkstoffe im Nahbereich der Fügeebene. Diese Phase nennt man wegen den auftretenden Drehmomentschwankungen auch die Schwingphase.
Bei der daran anschließenden Gleitphase hat mit zunehmender Schweißzeit die Temperatur in der Reibebene so weit zugenommen, dass sich die beschriebenen Reibungsmechanismen mit Haften und Losreißen nicht mehr ausbilden. Die Bauteile „gleiten“ nur noch aufeinander. Mit Auftreten dieser Gleitphase wird in der Reibebene ein weitgehend stationärer Zustand erreicht, der nur noch geringen aktiven Beitrag zur Wärmeerzeugung liefert. Spätestens beim Erreichen dieser Gleitphase ist bei artgleichen, gut verformungsfähigen Werkstoffen ausreichend Energie zur Verschweißung in die Bauteile eingebracht.
Phase 3: Während das drehende Werkstück abgebremst wird, erfolgt durch die erhöhte Kraft F2 (Stauchkraft) die Schweißung. Die Zeitpunkte der Einleitung des Brems- und des Stauchvorganges sind unabhängig voneinander möglich. Damit wird eine positive Beeinflussung des Schweißgefüges durch Überlagerung von Druck- und Schubspannungen erreicht.
Als charakteristisches Merkmal der Reibschweißung ist hier die noch glühend- leuchtende Materialwulst um die Schweißfläche herum zu erkennen. Diese kann auf Wunsch durch anschließendes Abdrehen entfernt werden.
Im Einzelnen, leitet das Abschalten des Antriebsmotors die Abbrems- und Stauchphase ein. Nach einer frei wählbaren Zeit wird dann der Axialdruck auf Stauchdruck erhöht.
Es kommt zunächst zu einer Eigenbremsung, d.h. Umsetzung der freien Rotationsenergie in Wärme, bis durch den Bremsvorgang die rotierende Spindel abgebremst wird. Der Stauchdruck wird auch nach Ende der Wegverkürzung eine bestimmte Zeit aufrechterhalten. Mit dem Aufheben der Relativbewegung zwischen den Bauteilhälften kommt es zur Haftreibung und Verschweißen der Proben.Als Anhaltspunkt für gebräuchliche Stauchkräfte kann folgende Tabelle dienen:
Vereinfachte Darstellung des gesamten Reibschweißprozesses:
beteiligte Prozessgrößen in ihrer zeitlichen Abhängigkeit
5. Die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe
Durch Reibschweißen lassen sich mehr Werkstoffe und Werkstoffkombinationen verbinden als mit jedem anderen Schweißverfahren. Einen Überblick gibt untenstehende Tabelle.
Es wird hier ersichtlich, dass beispielsweise Stähle mit sehr hohen Kohlenstoffgehalt oder austenitischen Gefüge, sich mit sich selbst oder kombiniert problemlos fügen. Ebenso wird seit Jahren das Reibschweißen von Aluminium und Kupfer bzw. von Aluminium und Stahl mit Erfolg praktiziert.
Die dabei in der Bindezone erzielten Festigkeitswerte übertreffen meist die Grundfestigkeit. Das liegt an der relativ kurzen Reibzeit (wenige Sekunden) und der intensiven Materialverformung während der Stauchphase.
6. Eine Übersicht über reibschweißbare Querschnitte
Dieses Schaubild lässt erkennen, dass selbst nicht rotationssymmetrische Voll- als auch Hohlquerschnitte reibschweißbar sind.
Die genaue Positionierung der beiden Werkstücke zueinander stellt dabei hohe Ansprüche sowohl an die Positioniereinrichtung, als auch an die Steuerung im Gesamten.
Die Positioniereinrichtung ermöglicht es, durch definiertes Anhalten der Drehbewegung zwei Werkstücke in einer winkelgenauen Position zueinander zu verbinden. Der Bremsvorgang wird durch eine elektronische Steuerung nach einer definierten Kurve geregelt.
Der Gleichstrommotor, geregelt vom Stromrichter und Drehzahlregler, treibt die Spindel mit der erforderlichen Drehzahl an. Nach Reibende bremst er, geführt über den elektronischen Positionsregler, die Spindel definiert ab. Dabei kann eine bis auf 30 Winkelminuten genaue Verschweißung erreicht werden.
7. Eine Abschließende Zusammenfassung der Merkmale
a) positive Merkmale des Reibschweißprozesses:
- viele Werkstoffkombinationen schweißgeeignet
- gute Schweißqualität, auch bei extremen Werkstoffkombinationen
- automatisches oder vollmechanisches Schweißen
- einfaches Integrieren in automatisierte Fertigungslinien möglich
- kurze Schweißzeiten
- kurze Taktzeiten
- nicht ausschließlich rotationssymmetrische Teile
- hohe Genauigkeit der zu verbindenden Teile
- geringer Verzug, symmetrische Wärmeeinbringung
- Pressschweißverbindung
- keine Schweißzusatzwerkstoffe
- geringer Materialverbrauch
- kein Schmelzbad
- geringe Fügetemperatur < Ts
- keine Spritzer, Rauch oder Strahlung
- gute Reproduzierbarkeit – bei angewandter Qualitätssicherung
- gute Parameterüberwachung durch „einfache“ Schweißparameter
b) negative Merkmale des Reibschweißprozesses:
- Begrenzung der zu verschweißenden Bauteilgeometrie
z.B. bei Stahl: - Vollquerschnitt 250mm Æ
- Hohlquerschnitt 900mm Æ bei 6mm Wanddicke
- nur Stumpfschweißungen möglich
- schlechte zerstörungsfreie Prüfmethoden
- hohe Anschaffungskosten
c) Schlussfolgerung:
Gerade für die automatisierte Serienfertigung, z.B. in der Automobilindustrie, ist der Reibschweißprozess innerhalb seines Einsatzbereiches stets die erste Wahl. Kein anderes Verfahren vermag dort dieselbe Reproduzierbarkeit des Ergebnisses, einhergehend mit kurzen Taktzeiten, zu liefern, wie das Reibschweißen.
8. Quellennachweis
Prospekte der Firma KUKA zum Thema Reibschweißen
