Konzepte zur Übertragbarkeit von Prozessparametern des Rührreibschweißens

Abstract

Der Einsatz von Aluminiumlegierungen hat sich als eine Schlüsselkomponente in zahlreichen Leichtbaukonzepten etabliert. Ein wichtiger Aspekt bei der industriellen Anwendung von Aluminiumwerkstoffen ist mit ihrer Schweißeignung verbunden. Das Rührreibschweißverfahren bietet eine einfache, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Fügen von solchen Materialien. Die Integration dieses Verfahrens in den Fertigungsprozessketten kleiner und mittelständischer Unternehmen ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Dazu gehören beispielsweise die unzureichenden Informationen über die Randbedingungen des Schweißprozesses sowie die begrenzte Übertragbarkeit von Prozessparametern auf unterschiedliche Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Schweißparameterstudien an drei Aluminiumlegierungen (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O und EN AW-6016) durchgeführt. In einer Reihe von Experimenten, realisiert an einer Rührreibschweißanlage und zwei Werkzeugmaschinen, konnten die verbindungsspezifischen Prozessfelder für die jeweilige Werkstoff-Blechdicken-Konfiguration ermittelt werden. Die Prozessfelder umfassen unterschiedliche Kombinationen der Hauptschweißparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit des Schweißwerkzeugs sowie Anpresskraft Fz auf den zu schweißenden Halbzeugen. Die Eignung der Parametersätze für die gestellte schweißtechnische Aufgabe wurde anhand des Vergleichs der mechanischen und der mikrostrukturellen Eigenschaften der hergestellten Verbindungen beurteilt. Für jeden Versuchswerkstoff wurden gezielt zwei Gruppen von Parametersätzen gewählt. Mit der ersten Gruppe konnte keine direkte Übertragbarkeit der guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Verbindungen auf die unterschiedlichen Anlagen gewährleistet werden. In der zweiten Gruppe wurden Parametersätze betrachtet, mit denen, unabhängig von den verwendeten Schweißanlagen, eine wiederholbar gute Qualität der Verbindungen erzielt werden konnte. Die Wiederholung und die weiterführende thermographische Analyse solcher Parametersätze haben aufgezeigt, dass die Abweichungen in der Qualität der Schweißverbindungen bei einer relativ geringen Wärmeeinbringung in der Fügezone auftreten d.h., dass die unterschiedlichen Steifigkeiten der Versuchsanlagen nur bei ungünstigen Randbedingungen der Prozessführung eine messbare Reduktion der Qualität der Verbindungen verursachen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der Einfluss der Anlagensteifigkeit und der Positioniergenauigkeit beim Fügen von dünnen Halbzeugen und von Werkstoffen mit hoher Festigkeit zunimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden als Grundlage für die Entwicklung eines analytischen Modells verwendet. Letzteres beschreibt die Zusammenhänge zwischen den, beim Rührreibschweißprozess auftretenden Anpresskräften und dem Schweißsystem, das aus den zu fügenden Halbzeugen und der entsprechenden Schweißvorrichtung (Rührreibschweißanlage und/oder Werkzeugmaschine) besteht. Die Konzeption dieses Modells ermöglicht eine praxisnahe und einfache Ermittlung von Prozesskräften für unterschiedliche Anwendungsfälle, unter Berücksichtigung der Maschinensteifigkeit, der Abmessungen der Schweißwerkzeuge sowie der temperaturabhängigen Materialeigenschaften der Halbzeuge. Die Verknüpfung der o. g. Einflussgrößen erlaubt die deutliche Verbesserung bestehender Ansätze zur Übertragbarkeit von Rührreibschweißparametern.

The use of aluminum alloys for the manufacturing of key components in numerous lightweight design concepts has been successfully established during the last years. An important aspect in the industrial application of aluminum is its weldability. The friction stir welding process provides a simple, environmentally friendly and economical method for joining of aluminum alloys. The integration of this welding technology in the manufacturing process chains of small and medium-sized enterprises is associated with a number of challenges. These include the incomplete information about the boundary conditions of the welding process as far as the limited portability of process parameters on different welding facilities. In this work, welding parameter studies were carried out on three aluminum alloys (EN AW-5454-O, EN AW-5754-O and EN AW-6016). The material- and sheet thickness-specific process fields for each alloy were determined in a series of experiments on different welding facilities. The suitability of the parameter sets for the welding task was assessed by comparing the mechanical and microstructural properties of the welds. The targeted selection of friction stir welding parameter sets for the further analysis was based on the mechanical properties of the welds. In order to understand the portability mechanisms on different welding facilities two groups of parameter sets were selected. The first one includes the sets used by the processing of joints, which impact strength and breaking elongations were not affected by the variations of process conditions, such as the rigidity of the used welding equipment. The second one includes the sets, which exhibits a higher degree of sensitivity for the change of the welding machines. The repeated execution and the thermographic analysis of some of the above specified parameter sets have shown, that the deviations in the quality of the second group of welds can be due to the overlapping of two effects: the relatively low heat input in the joint zone and the different stiffness of the welding facility. Moreover, it was shown that the influence of the system stiffness increases by welding of thin aluminum sheets and materials with high strength. The gained results and experience were used as a basis for the development of an analytical model, which allows the derivation of the relation between the contact forces, occurring during the welding process, and the welding system, consisting of the aluminum sheets and the welding facility. The design of this model allows a practical and simple determination of process forces for different applications, taking into account the rigidity of the machine, the dimensions of the welding tools and the temperature-dependent material properties and thicknesses of the parts to be welded. The combination of the above listed factors allowed the significant improvement of existing approaches on the portability of friction stir welding parameters.