Heftnaht-FSW

Rührreibschweißen von Heftnähten


Heftnaht-Rührreibschweißen mit unvollständiger Verschweißung (Friction stir tack welding with partial penetration) für den externen Tank des Spaceshuttle für die NASA

© NASA , 21. Oktober 2019

Am Marshall Space Flight Center in Alabama wurde 2003 ein FSW-Werkzeug mit im Verhältnis zur Blechdicke ungewöhnlich kurzem Pin für das Heftschweißen von Werkstücken aus Aluminium-Legierungen entwickelt. Damit werden Heftnähte mit unvollständiger Verschweißung in der selben Aufspannung hergestellt, die anschließend mit einem andern FSW-Werkzeug zum vollständigen Verschweißen verwendet wird. 

 

 

Wenn die Spannvorrichtung nicht dafür ausreicht, den beim Reibrührschweißen durch die Werkzeugkräfte und die thermische Ausdehnung entstehenden Kräften zu widerstehen, ist  es notwendig, die Werkstücke zu heften, um sie während des Rührreibschweißens zusammen­zu­halten, weil ein Rührreibschweißwerkzeug zum vollständigen Verschweißen während des Schweißens eine große Kraft ausübt, die dazu neigt, die Werkstücke auseinander zu pressen. In vielen Fällen ist möglich, die Werkstücke durch WIG- oder MIG-Schweißen zusammenzuheften, was aber insbesondere bei hochfesten Aluminiumlegierungen umständlich und zeitaufwendig sein kann und so viel Schaden verursachen kann, dass eine Nacharbeit erforderlich ist.

 

Das FSW-Heften hat diese Nachteile nicht. Außerdem können das FSW-Heften und anschließend, nach einem Werkzeugwechsel, das vollständige Verschweißen mit der selben FSW-Maschine in der selben Aufspannung durchgeführt werden.[1]

   

 

Das FSW-Werkzeug für das FSW-Heften ähnelt dem Werkzeug für das vollständige Rührreibschweißen eingesetzt wird, es hat aber eine schmalere Schulter und einen kürzeren Stift. Der kürzere Stift erzeugt eine geringere Trennkraft zwischen den Werkstücken, so dass eine Klemmung ausreicht, um die Werkstücke zusammenzuhalten.

 

Dieses Werkzeug erzeugt eine kontinuierliche oder intermittierende partielle Heftnaht (d.h. eine durchgehende Längsnaht oder eine Steppnaht mit unvollständiger Durchschweißung). Die Heftnaht wird anschließend durch die Wirkung des größeren Werkzeugs, das beim Voll-Rührreibschweißen verwendet wird, aufgerührt.

 

Das Entwicklungsprojekt wurde von Gerald W. Bjorkmann, Johnny W. Dingler und Zachary Loftus von Lockheed Martin Corp. für das Marshall Space Flight Center der NASA durchgeführt.[1]

 

Ein FSW-Werkzeug, das speziell zum Heftnahtschweißen von 8,1 mm dicken Raketentanks aus der Aluminium-Lithium-Legierung 2195 entwickelt wurde (Pin-Länge: 1,27 mm, Pin-Durchmesser: 8,6 mm). Bei anderen Legierungen oder andren Wandstärken sind oft unter­schiedliche Werte für die Pin-Längen und Schulterdurchmesser erforderlich.

© NASA

   


Das FSW-Heften ist auch beim vollautomatischen FSW-Schweißen von GIS- und GIL-Rohren auf der Baustelle sinnvoll, da diese sonst oft nicht fest genug eingespannt werden können. Beim FSW-Schweißen von AA5083 Blechen mit transportablen FSW-Maschinen auf Schiffswerften hat sich hingegen das MIG-Heften bewährt. 

 

Wenn aufgrund der Bauweise der FSW-Maschine kein FSW-Werkzeug mit einem zurückziehbaren Stift (retractable pin tool) eingesetzt werden kann, muss eine Prozedur zum Füllen des beim Heftschweißen entstehenden Endlochs entwickelt werden. Dazu können folgende Optionen erwogen werden:

  • Heftschweißnaht über die volle Länge, so dass nur ein Endloch verbleibt, wo auch beim nachfolgenden FSW-Schweißprozess mit voller Durchschweißung das Endloch verbleiben wird
       
  • Parken der Heftnaht-Endlöcher in einem unkritischen Bereich, z.B. bei wassergekühlten Kühlkörpern und Wärmetauschern oder bei Batteriekästen in der Elektromobilität

  • Reparatur des Endlochs mit  WIG- oder MIG-Schweißen, dem Reibkegel-Lochschweißen oder der Reibhohlraumbearbeitung 
       
  • Parken der Endöcher in einem Ablaufblech (run-off tab), z.B. bei Rohrleitungen oder Tanks, wenn dadurch keine Fehler in die Schweißnaht eingebracht werden

  • Wenn das Heftschweißwerkzeug sehr viel kleiner ist als das Werkzeug für die endgültige Schweißung ist, kann bei weniger kritischen Bauteilen ein artgleicher Aluminiumbolzen eingeschlagen werden, wenn gewährleistet ist, dass dieser anschließend z.B. durch eine entsprechende CNC-Nahtführung, ordentlich verrührt wird, was durch eine metallographische Verfahrensqualifikation nachzuweisen ist

Das Heften ist nicht immer unproblematisch, falls im gehefteten Zustand durch einen Krantransport oder durch die thermische Ausdehnung beim Schweißen Risse im Grundmaterial entstehen, werden diese in Abhängigkeit von ihrer Länge beim anschließenden Rührreibschweißen nicht verrührt.

   

AluStir hat viel Erfahrung mit der für das FSW-Schweißen erforderlichen Spanntechnik bzw. den gegebenenfalls in Erwägung zu ziehenden Heftnähten. Bitte kontaktieren sie uns per E-mail (stephan.kallee@alustir.com) oder Telefon (+49 6024 636 0123), falls Sie dazu Fragen haben.

    

Quellennachweise

  1. Marshall Space Flight Center, Alabama: Tool for Friction Stir Tack Welding of Aluminum Alloys. The same setup can be used for tack welding and full friction stir welding. In: NASA Tech Briefs, MFS-3131, Band 27, Nr. 1, Januar 2003 (auch als Scan der gedruckten Version auf Google Books).