Rührreibschweißen: Kostengünstiges Schweißen hochschmelzender Werkstoffe wie Stahlblech

Veröffentlichungszeit:

2025-06-11

Honda hat eine für Serienprodukte geeignete Technik zum Reibrührschweißen von Stahl und Aluminiumlegierungen entwickelt, und die Tohoku-Universität (Japan) und Hitachi haben ein Rührwerkzeug aus Kobaltlegierung entwickelt, mit dem sich hochschmelzende Metalle wie Stahl und Titan schweißen lassen. Das Reibrührschweißen (FSW: Friction Stir Welding), das bisher im Serienmaßstab auf niedrigschmelzende Metalle wie Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Magnesiumlegierungen beschränkt war, wird nun auf höherschmelzende Metalle wie Stahl ausgeweitet*1.

*1 Unter Normaldruck liegt der Schmelzpunkt von Aluminium bei 660℃, von Kupfer bei 1083℃ und von Magnesium bei 651℃. Eisen hingegen schmilzt erst bei 1539℃ und Titan sogar erst bei 1727℃.

Die Reibungswärme erweicht das Metall zu einem zähflüssigen Zustand

Rührreibschweißen bezeichnet eine Technik, bei der ein Rührwerkzeug mit einem Vorsprung (Rührstift) an der Spitze eines Zylinders von oben auf die zu verschweißende Stelle von zwei stumpf gestoßenen Platten (Grundwerkstoff) oder zwei überlappenden Platten gedrückt und dabei gedreht wird, um die beiden Platten miteinander zu verschweißen.

Die durch die Reibung zwischen dem rotierenden Rührstift und dem Blech entstehende Wärme lässt das Metall um den Rührstift herum zu einer zähflüssigen Masse erweichen, wodurch der rotierende Rührstift in das Blech eindringen kann. Auf diese Weise vermischt sich das um den Rührstift herum erweichte Metall (plastisches Fließen), sodass die beiden Metallbleche zu einer Einheit verschmelzen, oder es bildet sich an der Fügefläche der beiden Metallbleche eine metallische Bindung, durch die beide zu einer Einheit verbunden werden.

Früher fehlte ein hochtemperaturbeständiger Rührkopf.

Das Rührreibschweißen hat die folgenden vier Vorteile: (1) Da ohne Aufschmelzen des Grundwerkstoffs geschweißt wird (Festphasenschweißen), treten nach dem Schweißen nur geringe Verformungen und Schweißfehler auf, wodurch sich die Produktqualität verbessern und die Kosten senken lassen; (2) es spart mehr Energie als das Schmelzschweißen; (3) es ist kein Schutzgas erforderlich; (4) es ist geräuscharm und erzeugt keinen Staub. Zudem ist die Technik auch beim Schweißen ungleichartiger Werkstoffe sehr wirksam und findet daher in der Branche große Beachtung; durch die Auswahl geeigneter Werkstoffe für die einzelnen Bereiche lassen sich voraussichtlich Effekte wie Leichtbau erzielen*2. Wie jedoch eingangs erwähnt, waren die Werkstoffe, bei denen das Rührreibschweißen auf Serienniveau eingesetzt werden konnte, bisher auf niedrigschmelzende Metalle beschränkt.

*2 Im Vergleich zum Schmelzschweißen, einem Flüssigphasen-Schweißverfahren, bei dem der Grundwerkstoff aufgeschmolzen wird, ist die Schweißtemperatur beim Rührreibschweißen niedriger, und die eingebrachte Schweißwärme lässt sich leicht über die Einstellung der Schweißbedingungen steuern. Dadurch kann die Bildung intermetallischer Verbindungen, der Hauptverursacher einer verringerten Schweißfestigkeit, leicht reduziert werden. Durch die Verringerung der Dicke der intermetallischen Schicht lässt sich die Festigkeit der Schweißstelle erhöhen. Wird beim Rührreibschweißen zu stark gerührt, entstehen ebenfalls große Mengen intermetallischer Verbindungen.

Der Grund dafür, dass das Rührreibschweißen bisher auf niedrigschmelzende Metalle beschränkt war, ist das Fehlen kostengünstiger, hitzebeständiger Rührwerkzeuge, die sich für die Serienfertigung eignen. Beim Rührreibschweißen von Aluminiumlegierungen werden in der Regel Rührwerkzeuge aus Stahlwerkstoffen wie Werkzeugstahl verwendet. Beim Schweißen hochschmelzender Metalle wie Stahl und Titanlegierungen wird mit solchen Werkzeugen im Hochtemperaturbereich, in dem diese Metalle erweichen, auch das Rührwerkzeug weich, wodurch es stark verschleißt und unbrauchbar wird. Zwar wurden Rührwerkzeuge aus Nichtstahlwerkstoffen wie Keramik und Wolfram-Rhenium-Legierungen entwickelt, doch sind diese sehr teuer und für die Serienfertigung nicht geeignet.

Freilegung frischer Stahloberflächen ohne Rühren

Die von Honda entwickelte Technik zum Schweißen von Stahl und Aluminiumlegierung mittels Reibrühren dient dem Fügen überlappender Grundwerkstoffe aus Stahl und Aluminiumlegierung. Ihr wichtigstes Merkmal besteht darin, dass nur die Aluminiumlegierung gerührt wird, nicht aber der Stahl (untere Darstellung in Abb. 1). Dadurch lässt sich eine zu hohe Temperatur des Rührwerkzeugs verhindern.

Dass Stahl und Aluminiumlegierung verschweißt werden können, ohne den Stahl zu rühren, liegt daran, dass sich zwischen Stahl und Aluminiumlegierung eine metallische Bindung bildet. Das heißt, bei dieser Technik wird der Stahl nicht gerührt, sondern es werden der Beschichtungsfilm und der Oxidfilm von der Stahloberfläche entfernt. Auf diese Weise wird die frische Oberfläche des Stahls freigelegt, und zwischen ihr und der durch das Rühren aktivierten Aluminiumlegierung bildet sich eine metallische Bindung. Durch das Vorhandensein dieser metallischen Bindung werden Stahl und Aluminiumlegierung zu einer Einheit verbunden*3.

*3 Gelangt Wasser o. Ä. zwischen Stahl und Aluminiumlegierung, kommt es zu bimetallischer Korrosion (galvanische Korrosion). Diese Technik verhindert dieses Phänomen, indem ein Silikonfilm zwischen Stahl und Aluminiumlegierung eingefügt wird.

Honda hat diese Technik im vorderen Hilfsrahmen des neuen „Accord“ für den nordamerikanischen Markt eingesetzt und dabei mehrere Effekte erzielt (Abb. 2). Konkret ist der Hilfsrahmen nicht nur um 25 % leichter als der bisherige Stahl-Hilfsrahmen, sondern der Stromverbrauch beim Schweißen sinkt auch um etwa 50 %. Zudem wurde mithilfe dieser Technik die Konstruktion der Anbindungsstellen zwischen Hilfsrahmen und Fahrwerk geändert, wodurch sich die Steifigkeit dieser Anbindungsstellen um 20 % erhöhte, was zur Verbesserung der Fahrdynamik beiträgt.

Anwendungsbereiche durch neue Werkstoffe erweitern

Andererseits haben die Tohoku-Universität, Hitachi, Ltd. und Hitachi Metals Precision Instruments ein hochtemperaturbeständiges, preisgünstigeres Rührwerkzeug entwickelt und damit den Anwendungsbereich des Rührreibschweißens erweitert (Abb. 3). Das Material dieses Rührwerkzeugs wurde gemeinsam von der Tohoku-Universität und Hitachi, Ltd. entwickelt; die Serienfertigungstechnik für dieses Material und das Rührwerkzeug (Gussteil) wurde gemeinsam von Hitachi, Ltd. und Hitachi Metals Precision erfolgreich entwickelt. Mit diesem Rührwerkzeug kann Rührreibschweißen an hochschmelzenden Metallen wie Stahl, Titanlegierungen und Zirkoniumlegierungen durchgeführt werden; der Verkaufsstart ist für den Herbst 2013 geplant. Obwohl Hitachi Metals Precision Instruments erklärt, „der Preis werde künftig noch besprochen“, dürfte er in einer Preisklasse liegen, die eine Verwendung in der Serienfertigung erlaubt.

Der von der Northeastern University und anderen für Rührköpfe beim Rührreibschweißen entwickelte Werkstoff ist eine Kobaltlegierung, in der intermetallische Verbindungen verteilt sind, die auch bei hohen Temperaturen hohe Festigkeit behalten. Konkret ist in der kobaltbasierten Legierung Co3(Al, W) verteilt. Entscheidend ist, wie Co3(Al, W) gleichmäßig und fein verteilt werden kann und wie Verteilungsmenge und Korngrenzenform dem gewünschten Zustand nahekommen. Dazu wurden eine sinnvollere Zusammensetzung und Wärmebehandlungsmethode verwendet.

Die derzeit vorgesehenen Werkstoffe für dieses Rührwerkzeug sind Kohlenstoffstahl, hochfester Stahl, Titanlegierungen (Ti-6Al-4V usw.), Reintitan und Kupferlegierungen. Obwohl der Einsatz dieses Rührwerkzeugs bei manchen Werkstoffen aufgrund von Festigkeit, Dicke und anderen Gründen schwierig ist, handelt es sich bei den Schweißobjekten im Großen und Ganzen um Werkstoffe, bei denen die Temperatur des Rührwerkzeugs (Verbindungstemperatur) beim Rührreibschweißen höchstens etwa 1000℃ beträgt.

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