Erprobung neuer Werkzeugmaterialien beim Rührreibschweißen von Stahl

Rührreibschweißen von Aluminium stellt im Regelfall kein Problem mehr dar. Die Kunden der SLV Berlin-Brandenburg, NL der GSI mbH werden entsprechend beraten und betreut. Wenn es dann allerdings um das Rührreibschweißen von Stählen geht, ist die Situation schon eine ganz andere. Hier sind nach wie vor Probleme vorhanden; in erster Linie beim Werkzeug. Während beim Schweißen von Aluminium ein warmfester Arbeitsstahl ausreichend ist, sieht das bei den Stählen wesentlich anders aus. Diese Werkzeuge dürfen auch bei hohen Schweißtemperaturen (etwa 1100 °C) nicht ihre Festigkeit verlieren und sollten zusätzlich relativ verschleißfest sein. Zur Zeit üblich sind Werkzeuge aus Wolfram-Rhenium und PCBN; aber auch Vollhartmetalle besitzen eine gewisse Eignung. Allerdings ist fast allen diesen Materialien gemein, dass sie eine nicht ausreichende Standfestigkeit besitzen um das Rührreibschweißen für Anwender im Stahlbereich attraktiv zu machen. Eine Ausnahme bildet hier PCBN (Polykristalines kubisches Bornitrid). Dieses besitzt eine entsprechende Standfestigkeit, ist aber sehr teuer und der Bezug ist schwierig.

Um diesen Umstand abzuhelfen, hatte sich die SLV Berlin-Brandenburg mit mehreren Partnern zusammengeschlossen und entwickelte ein Werkzeugmaterial, dass den Anforderungen entsprach, aber billiger ist als PCBN und in Deutschland bezogen werden kann.

Um den Einstieg in diese Entwicklung zu vereinfachen wurden Parameter an normalfesten Schiffbaustahl Grad A (eine spezielle Forderung aus dem maritimen Bereich liegt hier vor) mit einer Mindeststreckgrenze von 235 N/mm2, einer Zugfestigkeit von 400-520 N/mm2 und einer Materialdicke von 4 mm mit Werkzeugen aus Wolfram-Rhenium ermittelt. Danach kam die neue Werkzeuglegierung zum Einsatz. Diese Werkzeuge besitzen eine metallische Basis aus Tantal. Schon die ersten Versuche zeigten, dass sich die Werkzeuge wesentlich besser als Wolfram-Rhenium-Werkzeuge verhalten. Diese Tantal-Basislegierung zeigte auch keine Affinität zu Stahl, was sich in einer sehr guten Nahtoberfläche wiederspiegelt. Die Erwartungen an dieses Material wurden vorerst übertroffen. Nach einigen Versuchen, auch mit anderen Legierungszusammensetzungen des Werkzeuges wurden vorerst folgende technische Parameter ermittelt:

Eindringgeschwindigkeit des Werkzeuges: 10 mm/min

Verweilzeit (Plastifizierungszeit): 0,5 sek

Schweißgeschwindigkeit: 12 mm/min

Kraft in Z-Richtung: 20 kN

Umdrehung des Werkzeuges: 700 min-1

Weitere wichtige Einflüsse: 

• Es wurde beim Start der Eintauchbereich vorgewärmt (schont das Werkzeug)
• Eintauchen erfolgte mit 1900 min-1 (ebenfalls werkzeugschonend)
• Es wurde auf einer Unterlage mit Walzzunder (verhindert Anhaften des Bauteils) geschweißt

Allerdings zeigte sich nach 4 Meter Schweißnaht, dass ein Längenverlust des Pins (Rührstift) auftrat. Abhilfen dafür wurden von der Universität Duisburg-Essen untersucht. Weitere Legierungselemente machten den Werkstoff widerstandfähiger. Zeitgleich wurden PCBN-Beschichtungen im my-(µ)-Bereich durch die Fa. Materion vorgenommen. Danach führte die SLV Berlin-Brandenburg weitere Schweißversuche durch. Hierbei konnte die Schweißgeschwindigkeit bei Erhalt der Nahtqualität auf 500 mm/min erhöht werden. Unsere Schweißnahtlängen zum Ende des Projektes erreichten 10 Meter und mehr. Damit wurde die erste Zielsetzung erreicht.

Weitere Werkstofftechnische Untersuchungen (Bruchmechanik) werden z.Z. noch am HZG in Geesthacht durchgeführt. Wir wollen mit unseren Partnern ein Rührreibwerkzeug „Made in Germany“ für das Stahlschweißen mit Erfolg zu Ende entwickeln. Die erste Anwendung im Schiffbau ist schon geplant: Einsatz des Werkzeuges im Rahmen einer Sechs-Meter-Rührreibschweißanlage der Firmen IMG und Loitz-Robotik. Diese Maschine gibt es schon. Forschung und Wirtschaft konnten hier gleichzeitig zu einem kleinen Erfolg geführt werden.

Dieses war ein Kooperationsprojekt und wurde durch ZIM (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand - Kooperationen) unter dem Förderkennzeichnen VP2349001PK9 gefördert.