IM STUDIENFOKUS: FSW-VERFAHREN AN STAHL

Bereits im dritten Teil unserer Blogreihe zum Rührreibschweißen haben wir die entscheidende Rolle des eingesetzten Werkzeugwerkstoff hervorgehoben. Um Antworten auf die Frage nach dem optimalen Werkzeug für das FSW-Verfahren an Stählen zu finden, führt die SLV Berlin-Brandenburg in Kooperation mit dem FGK Forschungsinstitut für anorganische Werkstoffe – Glas/Keramik Studien durch. 

Zwei Studienziele für das Rührreibschweißen von Stählen

Die Studie umfasst zwei Themenbereiche mit unterschiedlicher Zielsetzung. Im ersten Teil, für den die SLV Berlin-Brandenburg die Hauptverantwortung trägt, geht es um die Übertragung des Rührreibschweißprozesses auf den Bereich der Stahlwerkstoffe. Dabei stehen Baustähle, nichtrostende austenitische Stähle sowie Dualphasenstähle im Fokus. Zielsetzung des zweiten Bereichs ist die Entwicklung keramischer Werkzeuge mit hohen Prozessstandzeiten für das Rührreibschweißen von Stahlwerkstoffen. 
 

Erstes Ziel: Wie lässt sich das Fügeverfahren FSW auf Stahl übertragen?

Die SLV Brandenburg beschäftigt sich bei ihren Untersuchungen damit, Standardparameter zur Durchführung gängiger Schweißverbindungen der gewählten Stähle in Abhängigkeit der Werkstoffdicken zu definieren. Vorgesehen sind hier im Wesentlichen zwei Werkstoffdicken: 2 und 6 mm. Aus den Ergebnissen lassen sich Parameter für andere Werkstoffdicken ableiten. Da sich die Werkstoffe in ihrem thermomechanischen Verhalten unterscheiden, müssen die prozessabhängigen Einflüsse auf die Nahtbildung und die Schweißnahteigenschaften genau betrachtet werden. 
 

Wichtige Parameter als Grundlage für das Rührreibschweißen

Im ersten Schritt geht es darum, die temperaturabhängige Plastizität im Zugversuch der vorgesehenen Stahlwerkstoffe zu bestimmen. Anschließend erfolgen gezielte Variationen der Schweißparameter wie Drehzahl des Werkzeuges oder Schweißgeschwindigkeit. Alles mit dem Ziel, die phänomenologischen Prozesse bei der Schweißnahtbildung zu untersuchen und die daraus resultierenden Eigenschaftsprofile zu betrachten. Anhand dieser Studie lassen sich die optimalen Schweißparameter in Abhängigkeit der verschiedenen Stahlwerkstoffe ableiten. Als wesentliche Regelgröße wird hierbei vor allem die Plastizität der Werkstoffe im Bereich der Schweißtemperatur angesehen. Anhand der Werkstoffkennwerte der zu schweißenden Stahlsorten können die Schweißeignung sowie die orientierenden Prozessparameter hergeleitet und Verfahrensrichtlinien erstellt werden. 
 

Zweites Ziel: Mit welchem Werkzeug gelingt das Rührreibschweißen von Stahl?

Wie bereits erwähnt, geht es im zweiten Teilbereich um die Entwicklung keramischer Werkzeuge mit hohen Prozessstandzeiten für das Rührreibschweißen von Stahlwerkstoffen. Aufgrund der erforderlichen hohen Anwendungstemperaturen und den chemisch-tribologischen Belastungen kommen als potenzielle Werkzeugwerkstoffe nur Sonderlegierungen oder keramische Werkstoffsysteme in Frage. Welche das genau sind, hängt von den Ergebnissen einer phänomenologischen Betrachtung des Schweißprozesses und der annähernden Definition des Anforderungsprofils ab. 

Rührreibschweißversuche an Stahlwerkstoffen

Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden die Werkstoffsysteme gezielt ausgewählt und in Vorstudien auf ihr prinzipielles Einsatzpotential geprüft. Erscheinen die Werkstoffsysteme als geeignet, werden Wechseleinsätze für metallische Werkzeughalter hergestellt. Im Anschluss daran führt die SLV Berlin-Brandenburg Schweißversuche an ausgewählten Stählen mit bekannten Schweißverhalten durch. Sind die Schweißversuche abgeschlossen, können anhand der Werkzeug-Schädigungen Versagenshypothesen abgeleitet werden. Im Anschluss erfolgen entsprechende Anpassungen der Werkstoffsysteme. Ob sie dann für das FSW-Fügeverfahren an Stählen geeignet sind, klären weitere Schweißversuche sowie begleitende Laborexperimente. 
 

FSW und Stahl – ein erstes Fazit

Soll das Rührreibschweißen bei Stählen zum Einsatz kommen, führt an der Entwicklung eines geeigneten Werkstoffsystems für die Werkzeuge kein Weg vorbei. Erfreulich ist, dass die bisherigen Versuche sehr vielversprechend waren. Und das zeigt: Das notwendige Potenzial ist sowohl auf der Werkzeugseite als auch auf der Verfahrensseite vorhanden. Über den Fortgang der Arbeiten berichten wir weiter.