Temperaturmessung: ein wesentlicher Bestandteil für qualitativ hochwertiges Rührreibschweißen
Beim Rührreibschweißen (FSW) handelt es sich um eine Festkörperschweißtechnik, d. h. der Schmelzpunkt des Materials wird nicht erreicht. Die Schweißtemperatur ist daher der wichtigste Parameter, den es zu beherrschen gilt, um eine qualitativ hochwertige FSW-Schweißnaht zu erhalten.
Obwohl es heute Werkzeuge und Verfahren zur Messung der Schweißtemperatur gibt, erweisen sich diese nicht immer als zuverlässig, was die Qualität des FSW-geschweißten Teils beeinflussen kann.
Aufgrund dieser Erkenntnisse und nach jahrelangen Studien und Messungen hat Stirweld ein völlig neues Werkzeug zur Messung der Schweißtemperaturen entwickelt und vermarktet, das eine 100%ige Qualitätskontrolle bei Anwendungen mit Rührreibschweißen (FSW) ermöglicht.
Fehler, die je nach den angewandten FSW-Schweißparametern auftreten
Beim Rührreibschweißen gibt es verschiedene Arten von Fehlern. Die häufigsten Fehler, die beim Rührreibschweißen auftreten, sind auf eine unangemessene Festlegung der Schweißparameter zurückzuführen. Eine qualitativ hochwertige Schweißnaht beruht auf :
Wenn diese vier Parameter richtig eingestellt sind, werden Fehler beim FSW-Schweißen vermieden. Als Nächstes kommt die Schweißtemperatur. Beim Rührreibschweißen hängt die Temperatur der Schweißnaht von zwei der vier folgenden Parameter ab: die Drehgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit. Je schneller sich das Werkzeug dreht und je langsamer es sich vorwärts bewegt, desto heißer wird die Schweißnaht. Umgekehrt gilt: Je langsamer sich das Werkzeug dreht und je schneller es sich vorwärts bewegt, desto kälter wird die Schweißnaht.
Beim Rührreibschweißen gibt es je nach der beim Schweißen eingebrachten Wärme (durch die Drehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit) verschiedene Arten von Fehlern:
Um diese Fehler zu verhindern, besteht die Lösung darin, das richtige Verhältnis zwischen Dreh- und Vorschubgeschwindigkeit zu finden, um so in einem optimalen Betriebsbereich zu sein, der einen qualitativ hochwertigen Schweißvorgang ermöglicht.
Wie die folgende Grafik zeigt, ist eine gute Schweißnaht (die eine fehlerfreie Schweißnaht ist) das Ergebnis eines Verhältnisses von korrekten Parametern im richtigen Verhältnis zueinander. Man spricht dann von Parametern, die innerhalb eines guten Betriebsbereich (Drehgeschwindigkeit, Schweißgeschwindigkeit, Werkzeuggeometrie und Kraftkontrolle) definiert werden.
- Zu heißes Schweißen (orangefarbener Bereich): Entspricht dem Betriebsbereich eines Verhältnisses von zu hoher Drehzahl zu niedriger Schweißgeschwindigkeit. Dadurch besteht die Gefahr, dass Porositäten und/oder Wurmlöcher entstehen.
- Zu kaltes Schweißen (blauer Bereich): entspricht dem Betriebsbereich eines zu geringen Verhältnisses von Drehgeschwindigkeit zu zu hoher Schweißgeschwindigkeit. Dies kann zu Porositäten an der Wurzel der Schweißnaht führen.
- Fehlerfreies Schweißen (grüner Bereich): entspricht dem optimalen
Wie man die Temperatur beim Rührreibschweißen FSW mit vorhandenen Werkzeugen misst?
Derzeit gibt es Verfahren und Werkzeuge zur Messung der Schweißtemperatur. Sie erweisen sich jedoch als unzuverlässig. Wir werden nämlich sehen, dass diese die Temperatur der Wärme, die durch die Reibung zwischen der Werkzeugschulter entsteht, und die Wärme, die am geschweißten Teil abgegeben wird, nicht genau messen, obwohl diese beiden Elemente für die Qualitätskontrolle von FSW-Schweißnähten entscheidend sind.
Temperaturmessung beim Rührreibschweißen mit Wärmebild- oder Infrarotkameras
Wärmebildkameras und Infrarotkameras sind berührungslose Temperaturmessgeräte, die in verschiedenen Situationen zum Einsatz komme
Wie bereits erläutert, befindet sich die beim Rührreibschweißen entstehende Wärme unterhalb der Werkzeugschulter, was im Sichtfeld einer Wärmebildkamera nicht sichtbar ist. Daher platziert man das Messfeld hinter der Reibzone, einige Millimeter vom Schmelzpunkt entfernt.
Da Aluminium ein sehr guter Wärmeleiter ist, gibt es die durch die Reibung verursachte Wärme fast sofort an den Rest des geschweißten Teils ab. Schon wenige Millimeter reichen aus, um enorme Mengen an Wärme zu verlieren (um die 150 – 200 °C).
Außerdem wird bei diesem Messprinzip die Menge an Infrarotstrahlung, die von einem Objekt ausgeht, anhand seines Reflexionsvermögens gemessen. Aluminium ist ebenfalls ein perfekt reflektierendes Material. Die durch Wärme verursachte Strahlung wird perfekt reflektiert und macht die Messung völlig ungenau.
FSW-Temperaturmessung mit Thermoelement
Das Thermoelement ist ein thermisches Messinstrument. Eine Seite des Thermoelements wird mit Metallfäden geschweißt und mit dem Element in Kontakt gebracht, dessen Temperatur gemessen werden soll. Die andere Seite wird auf einer Referenztemperatur (20°C) gehalten.
Um die Temperatur einer Schweißnaht zu messen, wird das Thermoelement dann in das Werkstück eingesetzt – dies erfordert, dass das Werkstück gebohrt und das Thermoelement eingeführt wird. Es ist zu beachten, dass nicht alle Anwendungen gebohrt werden können. Darüber hinaus fügt die Bohroperation der Herstellungsoperation zusätzliche Kosten hinzu.
Zweitens wird das Thermoelement, wie bei der Temperaturmessung mit einer Wärmebildkamera oder Infrarot, einige Zentimeter von der Schweißnaht entfernt platziert, was die Messung unvollkommen macht. Es sollte auch beachtet werden, dass die freigesetzte Wärme je nach Art des verwendeten Aluminiums und seinem Durchmesser nicht gleichmäßig verteilt wird.
Der intelligente Werkzeughalter von Stirweld: das neue Temperaturmesswerkzeug für FSW-Geräte.
Das allererste Werkzeug zur Temperaturmessung an FSW-Geräten von Stirweld vermarktet
Stirweld hat in den letzten Jahren die Möglichkeiten für neue Werkzeuge zur direkten Messung der Temperatur beim Rührreibschweißen untersucht.
Nach Tausenden von Messungen hat Stirweld einen Algorithmus entwickelt, der in einen Werkzeughalter integriert ist, um die Temperatur des Werkstücks zu ermitteln, das mit dem FSW-Schweißwerkzeug geschweißt wird. Diese Messungen basieren auf Tausenden von Berechnungen für verschiedene Aluminiumsorten und Werkzeuggrößen.
Da die Berechnung der Raumtemperatur direkt am Reibungspunkt erfolgt, ermöglicht dies die Messung an der richtigen Stelle, ohne Probleme mit der Reflektivität. Diese Messung bietet eine hervorragende Wiederholbarkeit, da das Gerät die Temperatur mit einer Genauigkeit von +/-2,7 °C misst. Auf dem Markt für FSW-Schweißen bedeutet dies eine bisher unerreichte Messgenauigkeit und eine unvergleichliche Zuverlässigkeit bei der Messung der Schweißtemperatur.
Die Anwendungen des Werkzeugs zur Temperaturmessung an FSW-Geräten.
Qualitätskontrolle
Der intelligente Werkzeughalter zeigt die Schweißtemperaturen sofort an, sodass man den richtigen Betriebsbereich auswählen kann, um eine qualitativ hochwertige FSW-Schweißung zu erhalten.
Wir kennen die ideale Temperatur für jede Anwendung (und die zugehörigen optimalen Dreh- und Vorschubgeschwindigkeiten), für maximale Leistung und um die Qualität der Schweißnähte zu 100% zu kontrollieren.
In der folgenden Grafik sehen wir, dass die optimale FSW-Schweißtemperatur für Aluminium 6060 T6 bei 450 °C und einer Schweißgeschwindigkeit von 3 m/min liegt. Diese Parameter sollten daher übernommen werden, um das Risiko von Fehlern bei diesem Aluminiumtyp auszuschließen.
Abbildung 1 Optimierung der Schweißgeschwindigkeit nach der optimalen Prozesstemperatur
Optimierung der Schweißparameter
Ein weiterer Vorteil ist, in Echtzeit den optimalen Betriebsbereich zu kennen, ist dass man das beste Verhältnis zwischen Vorschub- und Drehgeschwindigkeit bestimmen kann.
In der Industrie ist es das Ziel, die höchstmögliche Produktivität bei möglichst geringem Verlust an Kosten, Zeit und Teilen zu erreichen. Der Werkzeughalter mit Temperaturmessung ermöglicht es, schnell den richtigen optimalen Betriebsbereich zu bestimmen, um möglichst schnell und fehlerfrei zu schweißen.
Wenn die Schmelztemperatur beim Schweißen aufgrund einer hohen Drehzahl und einer niedrigen Vorschubgeschwindigkeit überschreiten wird, wird man Porositäten im oberen Bereich der Schweißnaht haben. Umgekehrt, wenn die Temperatur aufgrund einer niedrigen Drehsgeschwindigkeit und einer hohen Vorschubgeschwindigkeit zu stark absinkt, wird man Porositäten im unteren Bereich der Schweißnaht haben.
Stirwelds Expertise
Der intelligente Werkzeughalter, den wir bei Stirweld entwickelt haben, wurde von Spezialisten für Rührreibschweißen entworfen. Das Werkzeug wurde für anspruchsvolle FSW-Bauteile wie z. B. für Anwendungen in der Raumfahrt, der Luftfahrt oder auch in der Automobilindustrie entwickelt.
Alle unsere FSW-Hybridköpfe und -Spindeln, die für den Einbau in Bearbeitungszentren oder Robotern konzipiert sind, können mit dieser Temperaturmessoption nachgerüstet werden.
Kontaktieren Sie FSW-Experten
Wenn Sie mehr über den intelligenten Werkzeughalter erfahren möchten, der während des FSW-Prozesses die Temperaturmessung ermöglicht, zögern Sie bitte nicht, uns zu kontaktieren.
