Grenzebach Gerührt, nicht geschmolzen – innovatives Schweißen

Autor / Redakteur: Peter Seidl und Markus Weigl / M.A. Frauke Finus

Das roboterunterstützte Rührreibschweißen verbindet unterschiedlichste Materialien mit ausgezeichneter Nahtqualität ohne Zusatzwerkstoffe wie Schutzgas zu benötigen. Ein Experte auf diesem Gebiet ist Grenzebach Maschinenbau: Auf der Euroblech 2014 gewann Grenzebach in der Kategorie Verbinden mit dem Rührreibschweißen den Euroblech-Award der Blechnet.

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Robotergestützte Schweißanlage für Luftfahrtanwendungen.
Robotergestützte Schweißanlage für Luftfahrtanwendungen.
(Bild: Airbus Helicopters)

Durch Rührreibschweißen (Englisch Friction Stir Welding, abgekürzt FSW) lassen sich technisch reine Metalle, Legierungen und Mischverbindungen qualitativ hochwertig stoffschlüssig verbinden. Im Rührreibschweiß-Verfahren erzeugt ein drehender Pin an der Nahtstelle durch Reibung die benötigte Prozesswärme. Der Werkstoff wird viskos und entlang der Nahtstelle durch das rotierende Werkzeug verrührt; beim Abkühlen entsteht dann eine feste Verbindung. Neue Automatisierungsmöglichkeiten, wie durch den Einsatz eines Industrieroboters in Verbindung mit einer präzisen Kraftregeleinheit, ermöglichen das Erreichen höchster Qualitätsanforderungen und Effektivitätsziele, bei deutlich geringeren Produktionskosten im Vergleich zu konventionellen Schweißprozessen. Während beim Lichtbogenschweißen typischerweise hohe Mengen an Draht und Schutzgas benötigt werden, erfordert das Rührreibschweißen keine solchen Zusatzwerkstoffe. Stetig steigende Anforderungen der Branche in Bezug auf Schweißgeschwindigkeit, Oberflächengüte, geringem Bauteilverzug und hoher Dichtigkeit erfordern eine stetige Weiterentwicklung des FSW-Prozesses.

Prämierte Technik

Grenzebach ist eine internationale Unternehmensgruppe, mit weltweiten Fertigungsstätten und mehr als 1600 Mitarbeitern. Zum Grenzebach-Portfolio im Bereich des Rührreibschweißens gehört nicht nur die vielfach eingesetzte Roboterlösung für komplexe Schweißaufgaben im 3-dimensionalen Raum, sondern auch Mehr-Achs-Portalanlagen in unterschiedlichen Dimensionen, sowie Einzelmaschinen und Anlagen in den Bereichen Orbitalschweißen und Sonderanlagenbau. Mit diesen Rührreibschweißsystemen hat Grenzebach in der FSW-Technologie neue Einsatzbereiche eröffnet und unterstützt damit bereits zahlreiche Anwendungen in industriellen 24/7-Serienproduktionen. Im Vergleich zu klassischen Rührreibschweißkonzepten überzeugen die schlüsselfertigen Anlagen von Grenzebach insbesondere durch produktspezifische Komplettlösungen für unterschiedlichste Abmessungen und Komplexitäten an Bauteilen beziehungsweise Aufgabenstellungen. Das Herzstück jeder Grenzebach-FSW-Anlage ist die übergeordnete Anlagensteuerung, die sogenannte Master Control Unit. Hier findet die komplette Prozesslenkung und -überwachung statt. Es werden über die Bedieneinheit Sollwertvorgaben aufgenommen, prozessrelevante Sensor-Informationen der Anlage erfasst, Rechenalgorithmen ausgeführt und resultierende Prozesssignale ausgegeben. Mitunter eine der wichtigsten Informationen ist die Kompressionskraft, die über ein System aus Kraftaufnehmern hochdynamisch rückgemeldet wird und mit den einzelnen Achsen der Führungsmaschine den Kraftregelkreis darstellt. Diese Anlageneinheit trägt maßgeblich zu der erzielbaren Schweißgüte und Oberflächenbeschaffenheit bei. Auf diese Weise wird bei entsprechender Führungsmaschine eine volle 3D-Fähigkeit und sogar das Fügen in Zwangslagen, wie in Überkopf- oder Querposition mit geforderter Schwerkraftkompensation ermöglicht.

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Im Hinblick auf das Reibwerkzeug ist beim Rührreibschweißen zwischen den konventionellen Werkzeugen, die sich durch eine gleichermaßen drehende Schulter- und Stiftgeometrie auszeichnen, sowie neuartigen Werkzeugen mit stehender Schulter, zu unterscheiden. Grenzebach konzipiert und nutzt vor allem mehrteilige Werkzeugvarianten auf Basis des Prinzips einer stehenden Schulter, die auf eine gemeinsame Entwicklung mit EADS / Airbus zurückgeht. Durch die alleinige Rotation des innenliegenden Reibstiftes muss die Schulter nicht länger rotationssymmetrisch ausgebildet sein, sondern kann im Bereich der Kontaktfläche mit dem Blechwerkstoff eine longitudinale (längs-gerichtete) Form aufweisen. Derartige Formen eignen sich für schlanke Nähte, hohe Vorschubgeschwindigkeiten und auch das Engspaltschweißen. Wird die kufenförmige Gleitfläche zudem unter einem gewissen Winkel ausgeführt, so können mit dem Reibwerkzeug auch Tailored Blanks, das heißt Schweißverbindungen an Blechen unterschiedlicher Dicke und Beschaffenheit, realisiert werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit die längs-gerichtete Gleitfläche im Flankenbereich derart geometrisch zu verändern, dass auch Kehlnähte mittels Rührreibschweißen ausgeführt werden können. Auszeichnungen wie der Euroblech-Award, den Grenzebach im Rahmen der Euroblech 2014 von MM Maschinenmarkt und Blechnet für das innovativste Produkt in der Kategorie Verbinden erhalten hat, zeigen die Besonderheit der kunden- und anwendungsspezifischen Grenzebach-Reibwerkzeuge.

Hohe Bauteilgenauigkeit

Durch das Zusammenwirken eines anforderungsgerechten Anlagenkonzepts, maßgeschneiderter Reibwerkzeuge und einer geregelten Prozessführung lassen sich mit automatisierten FSW-Anlagen gleichbleibend hochwertige Schweißnähte erzeugen. Die geschweißten Verbindungen weisen neben guten „inneren Werten“, das heißt guten stofflichen Eigenschaften, auch eine hervorragende Oberflächenqualität auf. Durch den kraftgebundenen und auch -geregelten Fügevorgang kann zudem Einfluss auf die Deformation und damit den verbleibenden Verzug des Bauteils genommen werden, sodass im Vergleich zu anderen Schweißverfahren nur geringe Bauteilverformungen zu vermerken sind. Dieser Sachverhalt macht sich besonders bei Komponenten wie Plattenwärmetauschern und Leichtbauelementen positiv bemerkbar, weshalb das Rührreibschweißen zunehmenden Einzug in die unterschiedlichsten Branchen hält und zu effizienten Produktionsprozessen beiträgt. Am Hauptsitz von Grenzebach in Hamlar, nähe Augsburg, stehen FSW-Versuchsanlagen für kundenspezifische Probeschweißungen und Testversuche, bereits ab einer Schweißung, zur Verfügung. Somit werden Material, Werkzeug und andere Einflüsse frühzeitig aufeinander abgestimmt, um einen bestmöglichen Einsatz beim Kunden zu gewährleisten.

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