Beschreibung
P 1136 – Einsatz des Rührreibschweißens für das Fügen von Stählen unterschiedlicher Güte in Verbindung mit einer gleichzeitigen Entwicklung entsprechender neuartiger keramischer Werkzeuge
Das wichtigste und erste Entwicklungsziel in dem Vorhaben war die wirtschaftliche Erweiterung des Rührreibschweißens (FSW – Friction Stir Welding) für das Fügen von Stahlwerkstoffen, auch mit hohen Festigkeiten. Viele bisherige Erfahrungen, die in der SLV Berlin- Brandenburg vorhanden sind und auch experimentelle Anwendungen flossen mit in die Bearbeitung des Projektes ein. Aufgrund von Anfragen, hauptsächlich aus den Bereichen Schiffbau, Offshore, Fahrzeugbau und Sonderanwendungen und Forderungen seitens des Projektbegleitenden Ausschusses (PA) wurden Stahlverbindungen verschiedener Güten geschweißt und untersucht. Zu nennen sind da u.a.: S235, S355, S690, CrNi18-10 und H800. Es wurden Blindnähte, Stumpfstöße und Überlappstöße geschweißt. Bei zwei Stahlsorten wurde der Stumpfstoß auch doppelseitig, zur Erfassung größerer Dicken gearbeitet. Zusätzlich wurde geprüft, ob eine Verwendung von Schutzgas nötig ist und wie man das optimal gestalten könnte (einfache Gasdüse über dem Rührreibwerkzeug, Schleppdüse usw.). Im weiteren Verlaufe des Projektes wurde darauf verzichtet. Es konnten keine signifikanten Vorteile festgestellt werden. Werkstofftechnische Untersuchungen wie Zugprüfungen, Biegeprüfungen, Röntgen usw. bestätigen diese Tendenz. Die getesteten Proben zeigten durchweg Gütewerte, die im Bereich des Grundwerkstoffes liegen.
Der zweite wichtige Punkt des Projektes war die Werkzeugentwicklung. Das ist auch der wesentlichste Umstand dafür, dass FSW an Stählen nicht sonderlich (außer Anwendungen im universitären oder institutionellen Bereich der Forschung) verbreitet ist. Während des Rührreibschweißprozesses bei Stählen sind die Rührreibwerkzeuge enorm hohen Temperaturen ~1200°C (bei z.B. Aluminium nur ~500°C), korrosivem sowie abrasivem Verschleiß ausgesetzt. Hauptsächlich werden bei FSW- Stahlschweißungen WolframRhenium-Legierungen eingesetzt (WRe05, WRe25), aber auch andere metallische Sonderwerkstoffe, wie z.B. Tantalbasiswerkstoffe und Vollhartmetalle. Eine andere Variante sind Werkzeuge aus polykristallinem kubischem Bornitrid (pcBN).
Eine weitere, vielversprechende und wesentlich wirtschaftlichere Möglichkeit bieten konventionelle keramische Werkstoffsysteme. Speziell diese Systeme wurden im Forschungsvorhaben von der SLV Berlin-Brandenburg und der FGK GmbH aus Höhr- Grenzhausen untersucht. Wichtig dabei war es die Wechselwirkungen, zu schweißender Werkstoff und keramisches Werkzeug, zu verstehen. In Ableitung aus den Versuchen und den anschließenden labortechnischen Untersuchungen hat sich ein Werkstoffsystem herauskristallisiert, Siliziumnitrid. Dieser Werkstoff, chemische Formel Si3N4, eine Nichtoxidkeramik, hat sich bei allen getesteten Stählen bestens bewährt. Oxidkeramiken, obwohl leichter herzustellen, konnten hingegen nicht überzeugen. Erst im Laufe des Projektes und auch erst gegen Ende konnten hier, durch spezielle geometrische und chemische Anpassungen, an einigen Oxidkeramiken Verbesserungen erzielt werden. Aber auch dies ist ein wichtiges Ergebnis aus dem Forschungsvorhaben: Das Verstehen der Versagensmechanismen und deren Wirkungen auf die verschiedenen keramischen Werkstoffsysteme.
Letztendlich kann aber gesagt werden, der Werkstoff Si3N4 hat im Wesentlichen seine Einsatzreife erlangt. Das konnte durch die Ergebnisse in den Referenzversuchen eindeutig belegt und bestätigt werden. Somit ist zumindest ein Werkstoffsystem für das Rührreibschweißen an Stahl verifiziert.
Veröffentlichung:
Mai 2021
Autoren:
R. Boywitt, Dr.-Ing. M. Emmel
