Zugfestigkeit von FSW-Nähten im Stumpfstoß

Zugproben von Rührreibschweißungen versagen meist in der Wärmeeinflusszone (WEZ), wenn hochfeste Aluminiumlegierungen verwendet werden, die ihre Festigkeit durch eine Wärmebehandlung erhalten haben (kalt- oder warmausgelagerte Legierungen der 6000er, 2000er und 7000 er Serie).

Bei reinem Aluminium (1000 er Serie) und nicht-wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen (3000 er und 5000er Serie) hat die Wärmeeinflusszone meist die selbe Festigkeit wie das Grundmaterial, d.h. diese Proben versagen nach dem Zufallsprinzip entweder im Grundmaterial, in der Wärmeeinflusszone oder in der Schweißnaht.

DIN EN ISO 25239-4:2020-12 — Teil 4:  Spezifikation und Qualifizierung von Schweißverfahren wird in Tabelle 3 der Mindestzugfestigkeitsgrad von Stumpfstößen aufgelistet. Rührreibgeschweißte, künstlich gealterte Legierungen, das heißt solche die wärmebehandelt, ausscheidungsgehärtet oder warmausgelagert sind, versagen bei 60 % bis 80 % der Zugfestigkeit des Grundmaterials.

Da die Zugfestigkeit des Grundmaterials häufig höher als die in den Normen vorgegebene Zugfestigkeit ist, ist auch die Zugfestigkeit in der WEZ entsprechend höher. 

Wenn Strangpressprofile eingesetzt werden, sollte das Strangpressprofil im Bereich der Schweißung und der WEZ etwas dicker als der Rest des Profils sein, um Gewicht und Material zu sparen. Dies ist im Schienenfahrzeugbau durchaus üblich.

Von AluStir vereinfachend überarbeitete Tabelle mit Daten nach Tabelle 3 in ISO 25239-4 

* Für Anmerkungen: Siehe ISO 25239-T4

Insbesondere die Zugfestigkeit von 7000er Legierungen ist im "Schweißzustand" direkt nach dem FSW geringer als nach einer "natürlichen Alterung", d.h. die Festigkeit steigt nach dem Schweißen auch bei Raumtemperatur im Verlauf von mehreren Tagen an.

Es gibt interessante Untersuchungen, bei denen 6000er-Strangpressprofile im T4 Zustand rührreibgeschweißt wurden und anschließend einer T6-Wärmebehandlung unterzogen wurden. Deren Zugfestigkeit war höher als die von nach dem Schweißen nicht wärmebehandelten T6-Profilen und insbesondere die Bruchdehnung war höher als die von T6-Profilen. Bei hohen Anforderungen an die Crashsicherheit, ist das ein durchaus sinnvolles Vorgehen, das aber in der Serienfertigung aus Kostengründen nur selten eingesetzt wird.