FSW bei der NASA

Vier reibrührgeschweißte Aluminum-Dome im Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama

© NASA/MSFC/David Higginbotham, 4. September 2019
    

Vom Ende der 1950er Jahre bis Anfang der 1970er Jahre wurden Schweißverfahren für  die Aluminiumlegierungen der NASA-Raketen Explorer 1, Mercury, Gemini und Saturn entwickelt. Das Schweißen von Aluminiumlegierungen steckte aber noch in den Kinderschuhen. Die Raketen Jupiter, Redstone, Saturn I und Saturn V geschweißt mit MIG und WIG geschweißt, die amerikanisch Gas Metal Arc Welding (GMAW) und Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) genannt werden. Das horizontale Schweißen der Tankstrukturen führte allerdings noch zu erheblichen Schweißnahtqualitätsproblemen insbesondere aufgrund von Porosität und Heißrissbildung.^[1]

Vom Anfang der 1970er bis Mitte der 1980er Jahre wurde der 'External Tank' für das Space Shuttle entwickelt. MIG Schweißen war zu dieser Zeit weiterhin Stand der Technik für die NASA-Raketen. Die Schweißposition wurde von horizontal auf vertikal geändert, um die Porosität zu reduzieren. Aufgrund der langen Dauer zwischen Schweißvorbereitung und Schweißen kam es immer wieder zu Schweißnahtfehlern und Qualitätsproblemen.^[1]

Von Mitte der 1980er bis in die 1990er Jahre wurden Plasmalichtbogenschweißen (PAW) und Plasmalichtbogenschweißen mit variabler Polarität Schweißen (VPPAW) entwickelt, um das WIG-Schweißen zu ersetzen. Dadurch konnte die Anzahl der Schweißnahtfehler erheblich gesenkt werden.^[1]

In den 1990er Jahren nahm NASA am industriell finanzierten Verbundforschungsprojekt GSP 5651 (Group Sponsored Project) am TWI teil, in dem von 1992 bis 1994 das kurz zuvor am TWI erfundene Rührreibschweißverfahren von einer im Labor demonstrierten Methode zu einem industrietauglichen Verfahren entwickelt wurde.^[1] Das Projekt wurde in drei Phasen durchgeführt:

• Phase I bewies, dass FSW ein realistisches und und praktikable Schweißtechnik für das Schweißen von Aluminiumlegierungen der 6000er Serie.^[2]
  
  
• Phase II untersuchte erfolgreich das Schweißen von Luftfahrt- und Schiffsaluminiumlegierungen, 2000er und 5000er. Prozessparameter-Toleranzfelder, metallurgische Eigenschaften und mechanische Eigenschaften für diese Werkstoffe wurden ermittelt.^[2]
  
  
• Phase III erarbeitete relevante Daten für die weitere Industrialisierung des FSW.^[2]       

Rührreibschweißen des "External Tank" des Spaceshuttle

© NASA, 5. März 2010

In den 2000er Jahren wurde das Reibrührschweißen unter anderem für den externen Tank (Außentank) des Space Shuttles eingesetzt, da die für den am externen Tank verwendete Aluminium-Lithium-Legierung 2195, insbesondere bei Reparaturschweißungen, zur Heißrissbildung neigt. Später wurde es auch für das Space Launch System und an NASA-Programmen eingesetzt, vor allem – aber keineswegs nur – für die Raumfahrt.^[1] Dabei spielten Boeing und Lockheed Martin als Hauptlieferanten eine wichtige Rolle. 

Rührreibgeschweißter "External Tank" des Spaceshuttle

© NASA, 5. März 2010

Für die NASA werden mithilfe des Rührreibschweißens große Tanks für Satelliten-Trägerraketen aus hochfesten Aluminiumlegierungen hergestellt. Boeing hat das FSW-Verfahren bei den Zwischenstufenmodulen der Delta-II-Raketen eingesetzt, von denen die erste mit einem rührreibgeschweißten 'Interstage-Module' im August 1999 erfolgreich gestartet wurde.

Beim Start von Mars Odyssey im April 2001 wurden die ersten druckbeaufschlagten FSW-Tank-Strukturen verwendet. Die Raumsonde Mars Odyssey hob mit einer Delta-II-Rakete ab, wodurch die die Festigkeit und Qualität der längsnahtgeschweißten Rührreibschweißverbindungen an allen drei zylindrischen Tankkomponenten bewiesen wurde.^[3][4]

Boeings Flüssig-Sauerstoff- und Flüssig-Wasserstoff-Tanks für die 42 m langen Common Booster Cores der Delta IV-Rakete.^[3]

© Boeing

Die Rührreibschweißtechnologie für die Common Booster Cores der Delta IV-Rakete erhöht die Schweißnahtfestigkeit um 30 bis 50% und senkt die Zykluszeit um fast 80%. Bis Juli 2001 wurden insgesamt 2100 m fehlerfreie Rührreibschweißnähte für Delta II-Raketen und 1200 m für die größere Delta IV-Rakete hergestellt.^[3][4] 

   
Das FSW-spezifische Design von Delta IV brachte eine Kostenersparnis von 60 % und reduzierte die Fertigungszeit von 23 auf 6 Tage. Der Temperaturbereich, dem die FSW-Nähte während des Betriebs ausgesetzt sind, beträgt -195°C bis +183°C.^[4]

40 m hoher rührreibgeschweißter Wasserstoff-Tank für die erste Rakete von NASAs "Space Launch System" in  NASAs Michoud Assembly Facility in New Orleans^[9]

© NASA/MAF/Steven Seipel
   

Lockheed Martin Space Systems, Michoud Operations konstruierte und baute den Space Shuttle External Tank in der NASA Michoud Assembly Facility in New Orleans (USA). Bei der Prozessentwicklung und den groß angelegten Demonstrationen wurden sowohl elektromechanische als auch hydraulische Anlagen eingesetzt. Das Unternehmen konstruiert und montiert auch große Aluminium- und Verbundwerkstoffstrukturen für die Luft- und Raumfahrt und andere Anwendungen.

Reibrührgeschweißter Tankboden von NASAs Oberstufe der Ares I Rakete im Marshall Flight Center

© NASA/MSFC, 14. Juli 2009

Die NASA entwickelt derzeit im Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama (USA), Hardware und Systeme für die Ares I. Die Rakete wird ab 2015 die Orion-Besatzungskapsel zur Internationalen Raumstation starten und sechs Astronauten sowie kleine Druckfracht-Nutzlasten transportieren. Die Ares I ist ein einzelner, fünfsegmentiger, wiederverwendbarer Feststoffraketenbooster, der vom wiederverwendbaren Feststoffraketenmotor des Space-Shuttle-Programms abgeleitet ist. Ares I kann seine 25 t Nutzlastkapazität nutzen, um Ressourcen und Vorräte zur Raumstation zu bringen oder um Nutzlasten im Orbit zu "parken", damit sie von anderen Raumfahrzeugen, die zum Mond oder anderen Zielen fliegen, abgeholt werden können.

Rührreibgeschweißtes, 6,7 m hohes Tanksegment im Vertical Weld Cente, Michoud

© NASA, 30. Juli 2013

Jennifer Takeshita, die FSW-Leiterin bei Teledyne Brown Engineering, vergleicht ein Model des Orion Stage Adapter (OSA) mit 12 Halterungen für CubeSats im Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama

© NASA, Beverly Perry, 26. Mai 2016

Teledyne Brown Engineering setzt das Rührreibschweißen für den Orion Stage Adapter (OSA) und den Launch Vehicle Stage Adapter (LVSA) für Artemis 1 ein. Beim ersten Start des Space Launch System (SLS), Amerikas Schwerlastrakete der nächsten Generation, wird der Orion-Stufenadapter (OSA) 12 CubeSats ins Weltall transportieren.

Die rührreibgeschweißte Launch Vehicle Stage Adapter (LVSA) für Artemis 1 vor dem Gebäude 4707 des Marshall Space Flight Center im August 2017

© NASA, Charles Beason

Ingenieure des Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama (USA) und des Langley Research Center in Hampton, Virginia (USA) kamen 2005 auf die Idee, einen Raketen- Treibstofftank mit einem Durchmesser von fünf Metern komplett aus der Aluminium-Lithium-Legierung 2195 zu fertigen und dabei das rührreibgeschweißte Rohlinge und das Spinforming einzusetzen.

Die Herstellung eines typischen Doms aus der früher in der Raumfahrt verwendeten Aluminium-Kupfer-Legierung 2219 erforderte acht Gore-Paneele oder kuchenförmige Teile, zehn Schweißschritte und mehrere Arbeitsgänge und Prüfungen, um diese Teile zu einem Tankdomzusammenzusetzen.

Bei der neuen Herstellungsmethode werden zwei handelsübliche Aluminium-Lithium 2195-Platten verwendet, die durch Reibrührschweißen verbunden werden, um einen ausreichend großen Ausgangsrohling herzustellen. Der geschweißte Plattenrohling wird dann durch Drehen geformt, um den einteiligen Tankdom herzustellen.^[5]

Die NASA arbeitete mit MT Aerospace in Augsburg, zusammen, um deren patentiertes konkaves Rotationsformverfahren und Werkzeuge zur Herstellung neuer Tankböden für Raketentreibstofftanks zu nutzen (Friction Stir Welded Spin-Formed Dome).

Der Herstellungsprozess begann mit dem Rührreibschweißen (FSW) von kleinen Metallplatten zu einer großen Metallplatte, dem sogenannten Rohling. Dieser Rohling wurde dann durch Spinforming spanlos umgeformt, um einen gewölbten Tankboden herzustellen. Die gezeigte einteilige Kuppel mit einem Durchmesser von 5,5 Metern wurde aus einem Rohling aus der Aluminium-Lithium-Legierung 2195 hergestellt. 

Da die derzeit kommerziell erhältlichen Plattengrößen die Größe der Tankböden begrenzen, bestand das Ziel darin, FSW- und Spinforming-Technologien und Herstellungsprozesse zu entwickeln, um die Herstellung von größeren, leichteren und stärkeren Kraftstofftanks ermöglichen.

Die Herstellung einer 5,5 Meter langen Kuppel demonstrierte, dass durch Spinforming und FSW eine hochfeste Aluminiumlegierung eine Kuppel hergestellt werden kann, die größer ist als die ursprüngliche Kuppel mit einem Durchmesser von einem Meter. Nächste Schritte: Entwicklung des Herstellungsprozesses für zukünftige Anwendungen auf andere Legierungen und alternative Architekturen. Von dieser Technologie werden Schwerlastträgerraketen, Raumfahrzeuge, Habitate und Rover profitieren.^[6]

Video: Tory Bruno zeigt und erklärt die ersten Rührreibschweißarbeiten an der 'Vulcan'

Von 32:01 bis 39:50 © SmarterEveryDay

United Launch Alliance, ein Joint Venture von Lockheed Martin und Boeing, wird 2021 die neu konstruierte Rakete "Vulcan Centaur" ins All schicken.^[7]

1. Bob Carter (NASA Glenn Research Center, Advanced Metallics Branch): Introduction to Friction Stir Welding (FSW).
      
2. Akshansh Mishra, Adarsh Tiwari, Mayank Kumar Shukla und A. Razal Rose: Analysis of Tools used in Friction Stir Welding process. International Journal of Current Engineering and Technology,  Vol.8, No.6 (Nov./Dez. 2018), P-ISSN 2347–5161.
      
3. Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M. Thomas: Industrialisation of friction stir welding or aerospace structures. Structures and Technologies - Challenges for Future Launchers, Third European Conference, 11.-14. Dezember 2001, Straßburg, Frankreich.
      
4. Daniela Lohwasser und Zhan Chen: Friction Stir Welding: From Basics to Applications. S. 130-133.
      
5. NASA Spins Manufacturing Technology to Forge New Tank Hardware. 24. März 2010.
      
6. Friction stir welded spin-formed dome - NASA is developing and testing new and innovative technologies that will enable the future of safe and efficient human exploration. NASA Exploration Highlights, 26. April 2010.
          
7. Will Robinson-Smith: ULA Demos Vulcan Centaur Rocket Assembly, Shows New Welders. 14.-15. November 2018
      
8. Andrew A. Schorr, Stephen D. Creech, Michael Ogles and David Hitt (NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama): Space Launch System Spacecraft and Payload Elements: Making Progress Toward First Launch. Conference Paper, AIAA Space Forum, September 2016.
      
9. Ken Kremer: NASA’s First SLS Mars Rocket Fuel Tank Completes Welding.
   
   
10. Philip Sloss: SLS Core Stage team recovering from consequences of weld pin change. 8. Mai 2017.