Stirweld: Druckbehälter

Erfolgsbericht: FSW-Aluminiumdruckbehälter - Der Schlüssel zu weniger Weltraummüll

10:11 min, © Stirweld, 18. Oktober 2024

  

In diesem englisch­sprachi­gen Video stellt Ihnen Kevin Aznar von der Firma Stirweld die kostengünstige FSW-Herstellung von gas- und flüssigkeitsdichten Druckbehältern vor:

  

Druckbehälter sind komplexe Bauteile, die unter anderem in der Luft- und Raumfahrtindustrie aus Aluminium hergestellt werden. Durch das Rührreibschweißen gibt Wege, die deren Herstellung erleichtern.

 

In diesem Video erfahren Sie, warum Aluminium das perfekte Material für die Herstellung von Druckbehältern und Tanks in der Luft- und Raumfahrt ist, und wie das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) eine Schlüsselrolle bei der Flexibilität der Konstruktion spielt.

 

In diesem Video erfahren Sie viel über die einzigartigen Vorteile dieser bahnbrechenden Technologie, wenn es um die Herstellung robuster und leichter Tanks geht - egal, ob Sie ein Ingenieur oder nur neugierig sind.

 

Vom Entwurf bis zur Qualitätskontrolle erfahren Sie, wie Sie Ihren Tank mit unserem Expertenteam herstellen können. Mit der richtigen Unterstützung können Sie hervorragende Ergebnisse erzielen.

 

Bei Stirweld arbeiten Experten in verschiedenen Industriezweigen wie der Automobilindustrie, dem Schiffbau, der Luft- und Raumfahrt und vielen mehr. Wir helfen Ihnen, Hochleistungsschweißnähte mit den geringsten Fehlern zu erzielen. Ob Sie das Schweißen von Batterieträgern oder die Optimierung komplexer Strukturen verbessern müssen, Stirweld hat eine Lösung für Sie.

 

FSW ist eine besondere Technik, die Reibungshitze einsetzt, um Materialien zu verbinden, ohne dass sie schmelzen, was zu robusten, fehlerfreien Schweißnähten führt. Dieser Ansatz bietet bemerkenswerte Vorteile, darunter verbesserte mechanische Eigenschaften und minimierte Eigenspannungen.

 

Für den Schnelleinstieg können Sie an folgenden Stellen starten:

 

00:00 Einführung

 

00:35 Eine gute Lösung für Ihre Herausforderungen? Friction Stir Welding (FSW)

 

00:45 Wie führt man FSW durch und welche Vorteile hat es?

 

01:35 Herstellung von Aluminum-Druckbehältern mit FSW

 

02:34 Schritt 1: Schweißnahtkonfiguration

 

03:43 Schritt 2: Druckbehälterkonstrukion

 

05:23 Schritt 3: Druckbehälterkomponenten und deren Zusammenbau

 

05:46 Schritt 4: Spanntechnik

 

06:52 Schritt 5: Schweißpfad

 

07:26 Schritt 6: Qualitätskontrolle

 

09:28 Fazit: FSW-Anwendungen

 

🚀 Sie denken über die Einführung von FSW nach, wissen aber nicht, wo Sie anfangen sollen? Verlassen Sie sich auf unser Fachwissen. Kontaktieren Sie uns jetzt unter

 

stephan.kallee@alustir.com

 

Die Anzahl der mehr als 10 cm großen Objekte im Weltraum wird heutzutage auf 34.000 geschätzt. Um den Weltraum so weit wie möglich zu erhalten und weitere Verschmutzungen zu vermeiden, werden neue Satelliten sind so konstruiert, dass sie sich am Ende ihrer Lebensdauer zu 100 % auflösen. Kohlenfaser-beschichtete Titantanks lösen sich nicht vollständig auf und werden daher zunmehmend durch rührreibgeschweißte Aluminiumtanks ersetzt.

 

Aluminium mit einem Schmelzpunkt um 600° C verbrennt vollständig, wenn

der Satellit aus seiner Umlaufbahn auf die Erde zurückkehrt. Kollateralschäden werden so vermieden.

 

Was ist das zuverlässigste Verfahren zur Montage Aluminium-Druckbehältern?

 

Friction Stir Welding hat einzigartige Verfahrensvorteile und erzeugt qualitativ hochwertige Schweißnähte mit sehr hoher Festigkeit, selbst in 2000er und 7000er Luft- und Raumfahrtlegierungen

 

Wie können Sie diese Technologie vorteilhaft anwenden?

 

Das einzige Verbrauchsmaterial ist das FSW-Werkzeug, das aus einem Stift und einer Schulter besteht. Der Stift dringt in das Material ein. Dank der Rotation entsteht Reibung zwischen der Schulter und den Teilen, die die Bauteile erwärmt, die geschweißt werden sollen. Dieses Verfahren ist ein Pressschweißverfahren, das keinen Zusatzwerkstoff erfordert. Es gibt nur wenige Verbrauchsmaterialien. Ein FSW-Werkzeug kann oft mehr als 1 km lange Schweißnähte erzeugen.

 

Was sind die Verfahrensvorteile?

 

• Schweißen von Aluminium der Legierungsklassen 2.000, 6.000 und 7.000 ist ohne Rissbildung oder Porosität möglich.
• Hervorragende Wiederholgenauigkeit, wodurch 100 %ige Dichtheit erzielt wird.
• Geringere Reduzierung der mechanischen Eigenschaften als bei anderen Verfahren. Die Wärmeeinflusszone hat nahezu die selben Eigenschaften wie das Grundmaterial.
• Hohe mechanische Festigkeit dank des Schweißens in der festen Phase unterhalb des Schmelzpunkts der Werkstücke.

Aluminium-Druckbehälter mit FSW herstellen?

 

Lassen Sie uns nun über die von der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzten Aluminiumdruckbehälter sprechen: Sie werden im Weltraum eingesetzt. Das ist, was uns interessiert. Heute zeigen wir Ihnen einen Aluminiumtank, der in Zusammenarbeit mit CNES, dem französischen Zentrum für Weltraumforschung (Centre national d’études spatiales)  entwickelt wurde.

 

Mehrere Aluminiumrohre zu einem Tank zusammenzuschweißen ist eine anspruchsvolle Aufgabe, aber noch anspruchsvoller ist es, einen Behälter für ein bestimmtes Volumen so herzustellen, dass er dem Druckunterschied standhält und dabei so leicht wie möglich bleibt. Gleichzeitig wollten wir beweisen, dass FSW gar nicht so kompliziert ist, wie viele annehmen.

 

Wir haben diesen Tank als konzeptionelles Beispiel dafür entwickelt, was mit der Supertechnologie FSW erreicht werden kann. Wir haben das Reibschweißverfahren mit einem FSW-Kopf implementiert, der auf einer CNC-Maschine montiert ist und dem Verfahren durch das Konstanthalten der Anpresskraft eine unglaubliche Wiederholgenauigkeit verleiht.

 

In diesem Video werden wir alles erklären und den gesamten Prozess enthüllen.

 

Bitte beachten Sie, dass dies nicht die einzige Lösung ist, sondern nur eine von vielen. Wir möchten Ihnen jetzt von der vorläufigen Entwurfsphase bis zum Drucktest vorstellen:

 

SCHRITT 1: Schweißnahtkonfiguration

• Wenn Sie ein FSW-Produkt entwerfen, besteht der erste Schritt darin, die Art der Schweißnaht und die Form des Produkts zu verstehen und zu analysieren, die am besten für dieses Projekt geeignet zu sein scheint.
• Wir haben zwei Schweißarten identifiziert: Orbital- oder Radialschweißen:
• • Beim Orbital- oder Umfangsschweißen steht die FSW-Werkzeugachse senkrecht auf der Oberfläche des zylindrischen Rohrs
  • Beim Radial oder Kreisnahtschweißen steht die FSW-Werkzeug senkrecht auf der Stirnfläche der Kappe, parallel zur Längsachse des Rohres

• Nach der Analyse scheint das Radialschweißen die am besten geeignete Lösung zu sein. Diese Konfiguration wird in einer einzigen Ebene ausgeführt. das Bauteil wird mit einer Spannvorrichtung fixiert, um es während des Schweißvorgangs an Ort und Stelle zu halten. Das Werkzeug des FSW-Kopfes folgt einem Pfad in dieser Schweißebene der spezifisch für das gewünschte Projekt - ist in diesem Fall ein Kreis. 
• Bei dieser Anwendung bietet das Radialschweißen eine Reihe von Vorteilen:  Das Rohr kann die Schweißkräfte aufnehmen, so dass keine ausgeführt es sind also keine zusätzlichen Teile wie ein Spanndorn oder eine feste Unterlage erforderlich sind, was die Kosten senkt
• Unbewegliche Spannwerkzeuge sind viel einfacher zu konstruieren als drehbare Vorrichtungen.
• Wie bereits erwähnt, bewegt sich das FSW-Werkzeug nur in einer Ebene
• Die einzige Herausforderung ist überschüssiges Material im zu schweißenden Bereich. Es hat jedoch eine bedeutende Qualität eine größere Homogenität der Wärmeeinflusszone

SCHRITT 2: Druckbehälterkonstrukion

• Wir begannen damit, uns nach zwei verschiedenen Formen zu fragen
• • kapselförmiger Tank aus einem Zylinder mit zwei Endkappen oder
  • kugelförmiger Tank (siehe Video)
• Überraschenderweise ist die Spannung, die in der Nähe der Schweißnaht auftritt bei gleichem Innendruck und einer größeren Kontaktfläche bei einem kugelförmigen Tank viel höher in der kapselförmigen Ausführung. Außerdem ist die innere quadratische Oberfläche bei einem kapselförmigen Tank größer als bei einem kugelförmigen Tank, so dass für das gleiche Volumen eine größere Dicke dieser Verbindungszone erforderlich ist, um den maximal erwarteten Betriebsdruck aufzunehmen und sich dem Berstdruck zu nähern.
• Da eine möglichst geringe Masse ein wichtiger Entwicklungsaspekt des Projekts im Hinblick auf seine Anwendung ist, bevorzugen wir die kapselförmigen Lösung, um unsere Studie fortzusetzen.
• Sobald die Art der Schweißnaht und die Form ausgewählt wurden, konnten wir mit dem Entwurf der Verbindung zwischen diesen Teilen fortfahren. Dies war in der Tat der komplizierteste Bereich zum Zeichnen und Verstehen.
• In dieser Konfiguration ist die Schweißnaht Schälkräften ausgesetzt. Um diese zu minimieren, fügten wir ein Gewinde hinzu. Dies erleichterte auch die Platzierung und den Halt in der geschweißten Zone.
• Sobald die allgemeine Lösung gefunden wurde, war der nächste Schritt die Simulation, deren Ziel ist es war, den besten Kompromiss zwischen dem Gewicht und der mechanischen Festigkeit zu erreichen.
• Sehr viele Iterationen wurden dann durchgeführt: Es wurden insgesamt mehr als 50 Profile gezeichnet und simuliert, bevor wir das ultimative Ziel erreichten: Eines schönen Morgens erhielten wir kohärente und zufriedenstellende Simulationsergebnisse. Jetzt hatten wir das endgültige Design und es war an der es ist Zeit, mit dem nächsten Schritt zu beginnen.

SCHRITT 3: Druckbehälterkomponenten und deren Zusammenbau

 

Der Aluminiumtank besteht aus drei verschiedenen Teilen: Dem Rohr und zwei Endkappen. Um die Montage zu erleichtern, haben wir ein Kerbe entworfen. Dadurch und mit Hilfe eines Spezialwerkzeugs können wir die beiden Endkapppen mit dem Rohr verschrauben, um den Tank für das Rührreibschweißen vorzubereiten.

 

SCHRITT 4: Spanntechnik

 

für das Rührreibschweißen muss das Bauteil während des gesamten Vorgangs an Ort und Stelle bleiben. Daher ist eine spezielle Spannvorrichtung erforderlich. Das Design der Spannvorrichtung für das Rührreibschweißen umfasst mehrere technische Schritte, um eine genaue Positionierung und Einspannung während des Schweißvorgangs sicherzustellen.

 

Der erste Schritt beim Design bei der Konstruktion der Spannvorrichtung bestand darin, das Rohr mit einem Messwerkzeug auszurichten und es sicher zu spannen. Dadurch wurde sichergestellt, dass das Rohr während des Schweißvorgangs unverschieblich und richtig positioniert entlang der X- und Y-Achse ausgerichtet blieb.

 

Die richtige Positionierung und Unterstützung sind für die Aufrechterhaltung der Schweißqualität unerlässlich. Der zweite Schritt bestand schließlich darin, eine eingeschraubte Maske zu verwenden, um sicherzustellen, dass während des Schweißvorgangs Bewegungen in Richtung der Z-Achse verhindert werden. Dieser Schritt ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Stabilität und Präzision, was zu hoher Schweißnahtqualität und hoher Festigkeit führt.

 

Schritt 5: Schweißpfad

 

Wir beginnen mit der Schweißnaht Nummer eins am Innendurchmesser. Diese Konfiguration kann durch den Vorschub zu einer für die Festigkeit nachteilhaften internen Verformung führen (Hooking and Thinning). Die innere Verformung ist wie eine unvollständige Anhafuftung zwischen den beiden Teilen, die eigentlich miteinander vermischt werden sollten.

 

Dies ist ein Defekt und wir müssen ihm entgegenwirken. Wir wenden zwei konzentrische Schweißnähte in entgegengesetzter Richtung an, mit einem Abstand von 1 mm zwischen den beiden Durchmessern der Schweißpfade. Mit dieser Konfiguration haben wir zwei Gleichlaufseiten und unsere Erfahrung zeigt, dass eine akzeptable innere Verformung erreicht wird. Daher sind zwei Schweißnähte an jedem Ende der Aluminiumrohre erforderlich.

 

Schließlich wird eine Entgratung durchgeführt, um die Schweißnahtoberfläche zu reinigen:

 

Schritt 6: Qualitätskontrolle

 

Jetzt ist es Zeit, unsere Schweißnähte zu überprüfen. Hierfür führen wir einen Blasentes im Wasserbad durch. Der Innendruck des Druckbehälters wird auf 7 bar erhöht und dann ins Wasser getaucht. Der Test ist erfolgreich, wenn keine Blasen aufsteigen: "No bubble, no trouble" (Keine Blasen, kein Problem).

 

Wenn dieser erste Test bestanden wurde, fahren wir mit den zerstörenden Tests fort: Zuerst haben wir einen metallografischen Querschnitt durchgeführt, um nach Hohlräumen oder Porosität in der Schweißnaht zu suchen. Nach dem ersten zerstörenden Test führten wir mit einem zweiten Tank führten Drucktest bis zum Bersten durch. Der Druck wurde schrittweise stufenweise erhöht, bis der Betriebsdruck von 180 bar erreicht wurde. Beim Erreichen dieses Wertes wurden die Ventile 30 Minuten lang geschlossen, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden warem.

 

Die erste Stufe war abgeschlossen. Der Tank kann dem Betriebsdruck standhalten. Er wird während der Nutzungsdauer auftreten. Nach der Beaufschlagung mit 180 bar gingen wir zurück auf Umgebungsdruck, um zu prüfen, ob der Druck keine Verformungen nach der Belastung verursacht hat. Kehrt das Material zu seinen Anfangsmaßen zurück, sprechen wir vom elastischen Bereich.

 

Dann erhöhten wir den Druck auf 20 % mehr als dem Betriebsdruck, um zu prüfen, ob es im elastischen Bereich bleibt, also sind es etwa 216 bar, 20 % Drucktest, hier noch einmal, Mission abgeschlossen, nur der Bersttest muss noch mit einem Koeffizienten von 1,5 bestanden werden, das heißt 270 bar.

 

Wir werden den Tank beanspruchen bis er platzt, und ich hoffe, dass er das oberhalb von 270 bar tut. Schließlich platzte der Druckbehälter bei 324 bar.

 

Und da haben Sie es: Die Simulation eines durch Rührreibschweißen geschweißten Aluminiumtanks. Wir hoffen, dass Sie der Prozess von A bis Z für Ihre nächsten Projekte inspiriert, und wir werden da sein, um Sie beim Friction Stir Welding zu unterstützen.

 

Fazit: FSW-Anwendungen

 

Mit unserer Expertise im Reibschweißen können Sie ehrgeizige Konzepte in erfolgreiche Ergebnisse umsetzen. Mit dieser Supertechnologie können Sie eine Vielzahl von Teilen in verschiedenen Industriezweigen herstellen, wie etwa Wasser-Glykol-gekühlte Kühlplatten, Kühlkörper, versteifte Paneele, Stromschienen und vieles mehr. Sehen Sie sich unsere anderen Videos an, um zu verstehen, was mit dem Rührreibschweißen möglich ist. Lassen Sie Ihr Projekt nicht in der Umlaufbahn zurück. Kontaktieren Sie uns noch heute, um herauszufinden, wie wir Ihnen helfen können, nach den Sternen zu greifen.

 

 

In Stirweld's Webinar "Revolutionizing Aluminum Tank Manufacturing by Friction Stir Welding" (Revolution der Herstellung von Aluminiumtanks durch Rührreibschweißen) finden Sie grundlegende Informationen über FSW-Tanks. Wenn Sie daran interessiert sind, können Sie sich den kompletten Mitschnitt kostenlos anschauen, indem Sie sich über folgenden Link anmelden, als ob Sie an einem der kommenden Webinare teilnehmen wollen:

 

Sehen Sie sich die vollständige Aufzeichnung des Webinars KOSTENLOS an:🎥 https://bit.ly/4hIHqsl

 

 Wenn Sie noch mehr erfahren möchten, können Sie Stirweld's deutschsprachige Website oder Stirweld's YouTube-Kanal besuchen. Dort finden Sie eine sehr dedizierte deutschsprachige Verfahrensbeschreibung.