RegTemp - Regelung der Temperatur beim Rührreibschweißen

Im Rahmen des DFG-Forschungsprojekts "Regelung der Temperatur beim Rührreibschweißen" (RegTemp) werden am iwb Methoden zur gezielten Regelung der Prozesstemperatur beim Rührreibschweißen entwickelt. Dadurch soll der Einfluss der thermischen Randbedingungen auf den Verlauf der Prozesstemperatur kompensiert werden und somit eine gleichbleibende Nahtqualität gewährleistet werden.

Motivation

Das Rührreibschweißen ist ein Fügeverfahren, welches ein breites Spektrum an Vorteilen bietet. Diese Vorteile ergeben sich hauptsächlich daraus, dass kein Aufschmelzen der Fügepartner stattfindet, sondern stattdessen ein "Verrühren" des entfestigten Werkstoffs erfolgt. Dadurch besteht die Möglichkeit, Legierungen, welche nur als bedingt schweißbar gelten, sowie artverschiedene Werkstoffe zu fügen. Die vorteilhaften mechanischen Nahteigenschaften resultieren aus den metallurgischen Effekten Kaltverfestigung, Ausscheidungshärtung und Rekristallisation. Da es sich bei den letzten beiden Effekten um diffusionsgesteuerte Prozesse handelt, spielt der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf während des Prozesses eine wichtige Rolle. Der Temperaturverlauf hängt hauptsächlich von den Schweißparametern ab, wird jedoch signifikant von den thermischen Randbedingungen beeinflusst. Wenn sich diese während des Prozesses ändern, wirkt sich das unweigerlich auch auf die Prozesstemperatur aus. Beispielsweise kann es beim Schweißen in der Nähe des Bauteilrands zu Wärmestaus kommen und daher zu einem unerwünschten Anstieg der Schweißtemperatur. Die zu hohe Temperatur verursacht eine thermische Schädigung der Naht.

Zielsetzung

Das übergeordnete Ziel des Vorhabens besteht daher darin, durch die Entwicklung einer Temperaturregelung eine gleichbleibende und hohe Nahtqualität hinsichtlich mechanischer Eigenschaften zu gewährleisten. Insbesondere sind dabei die Allgemeingültigkeit und die Robustheit des Regelgesetzes sicherzustellen.

Vorgehen

Zunächst werden geeignete Messverfahren für die Applikation einer Temperaturregelung identifiziert. Dazu werden zum einen Messungen mit einem Einkanal-Pyrometer durchgeführt. Dieses bietet die Möglichkeit der berührungslosen Bestimmung der Oberflächentemperatur. Zum anderen wird ein neues FSW-Werkzeug zur Temperaturmessung entwickelt, welches mit Thermoelementen bestückt wird.

Zusätzlich wird die Korrelation zwischen dem anliegenden Spindelmoment und der Prozesstemperatur untersucht, sodass eine fundierte Aussage über die Tauglichkeit des Spindelmoments als Regelgröße getroffen werden kann. Nachdem ein geeignetes Messsystem gefunden und aufgebaut wurde, werden die grundlegenden Effekte des Wärmeeintrags und der Wärmeleitung während des Rührreibschweißens untersucht. Die aus der Modellierung gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend dazu verwendet, eine geeignete Regelstrategie abzuleiten. Diese wird in einem eigens dafür angeschafften echtzeitfähigen System implementiert. Nach der Implementierung wird eine Analyse und Bewertung der neuen Systemtechnik und der damit erzielten Schweißergebnisse durchgeführt. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Effektivität und somit auf die technologische und wirtschaftliche Sinnhaftigkeit gelegt.

Ergebnisse

In ersten Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass eine Reglung der Temperatur beim Rührreibschweißen möglich ist und zu einer Verbesserung der Nahtqualität an komplexen Bauteilgeometrien führt. Im Zuge der durchgeführten Versuche wurde die Prozesstemperatur mittels Pyrometer oder Thermoelementen im Rührreibschweißwerkzeug erfasst und die Drehzahl der FSW-Spindel durch den Regelungsalgorithmus angepasst. Dadurch war es möglich, die Prozesstemperatur trotz zu erwartenden Wärmestaus konstant zu halten. Dies resultierte in einer Minimierung der Schweißgratbildung, welche eine Folge einer ansteigenden Prozesstemperatur und der damit verbundenen übermäßigen Werkstofferweichung ist.

Danksagung

Das Projekt "Regelung der Temperatur beim Rührreibschweißen" wird von  der DFG gefördert. Besonderer Dank gilt außerdem dem iwb e.V. für die finanzielle Unterstützung bei der Anschaffung des benötigten Echtzeitsystems.