Thermische Leistung: Warum das FSW-Verfahren für die Industrie eine Wende bedeutet
Bei allen elektronischen oder mechanischen Systemen, die erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist die Fähigkeit zur schnellen Wärmeableitung ein entscheidender Faktor. Und wenn es um die Entwicklung effizienter, abgedichteter und langlebiger Komponenten geht, macht die Art und Weise, wie die Materialien miteinander verbunden werden, den entscheidenden Unterschied.
Hier zeichnet sich das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) aus. FSW ist weit mehr als ein einfaches Schweißverfahren, es ist heute eine leistungsstarke thermische Verbindungstechnik.
FSW – ein Festkörper-Fügeverfahren
Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein Festkörperschweißverfahren, d. h. die Werkstoffe werden bei der Montage nicht geschmolzen.
Ein rotierendes Werkzeug gleitet gegen die zu verbindenden Teile und erzeugt dabei eine lokal begrenzte Hitze, die ausreicht, um das Metall zu erweichen, ohne es zu schmelzen. Der Werkzeugstift rührt dann das erweichte Material, um eine kontinuierliche metallurgische Verbindung zwischen den Teilen herzustellen.
Das Ergebnis:
Und diese Kontinuität ist der Schlüssel zu einer optimalen Wärmeleitung.
Schweißen und Thermotransfer – was Sie wissen müssen
Effiziente Wärmeübertragung basiert auf einem einfachen Prinzip: Wärme fließt besser durch ein homogenes Material als durch unterschiedliche Materialien. Mit anderen Worten: Jede Schnittstelle (Materialdiskontinuität, Luftspalt, Wärmeleitpaste, Lötstelle oder Schraube) führt zu einem Leistungsabfall.
Bei einer verschraubten Baugruppe beispielsweise wird die Schnittstelle zwischen den beiden Teilen mit Wärmeleitpaste gefüllt. Selbst bei Verwendung der besten Pasten bleibt die Wärmeleitfähigkeit weit unter der von festem Metall.
Die einzige Möglichkeit, den Wärmefluss zu optimieren, besteht darin, diese Schnittstelle vollständig zu beseitigen.
Genau das ermöglicht der FSW.
Wie verbessert das FSW-Verfahren die thermische Leistung?
Nahtlose Wärmeableitung
Beim FSW entsteht eine kontinuierliche metallurgische Verbindung. Anstelle von zwei sich berührenden Teilen erhält man ein einziges homogenes Teil, durch das die Wärme frei fließen kann.
Darin liegt der wesentliche Unterschied zum Schrauben oder sogar zum Löten (wo der Schweißzusatz als dritter, oft weniger effizienter Leiter fungiert).
Schweißen von hochleitfähigen Aluminiumlegierungen
FSW öffnet die Tür zu hochleitfähigen Aluminiumlegierungen (Serie 1xxx). Mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 220 W/m.K sind sie ideal für die Wärmeableitung – aber fast unmöglich zu schweißen mit schmelzbasierten Techniken.
Mit FSW können Sie eine 1050er Abdeckung auf eine 6061er Basis schweißen und dabei thermische Leistung und mechanische Festigkeit kombinieren. Dies ist heute die einzige Technologie, die dies möglich macht – ohne Zusatzwerkstoff und ohne Kompromisse.
Aluminium und Kupfer: eine leistungsstarke thermische Verbindung, endlich möglich
Kupfer hat eine noch bessere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium. FSW ermöglicht es, Aluminium mit Kupfer zu verschweißen, was bisher nur sehr schwer möglich war, ohne Defekte oder Korrosion zu verursachen.
Auf diese Weise können Sie kritische thermische Bereiche mit Kupfer verstärken, während Sie für den Rest des Bauteils Aluminium verwenden – eine erhebliche Gewichts- und Kostenersparnis.
Diese hybriden Baugruppen erfordern ein sorgfältiges Management der galvanischen Korrosionsrisiken. Stirweld unterstützt seine Kunden mit Konstruktionsberatung von den ersten Schritten an.
Anwendungen in anspruchsvollen Industriesektoren
FSW-geschweißte Kühlplatten
Unter allen FSW-Anwendungen sind Kühlplatten vielleicht die bekannteste. Das Verfahren erfüllt die anspruchsvollen Anforderungen an diese Art von Bauteilen – thermisch, mechanisch und industriell.
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Teile aus Aluminiumguss
Mit der zunehmenden Verwendung von Aluminiumguss in Sektoren wie der Automobilindustrie (z. B. in Kühlgehäusen) werden neue Schweißlösungen benötigt. FSW ermöglicht es, Aluminiumguss zu schweißen, ohne die mechanische Integrität zu beeinträchtigen.
FSW-Design: Schlüsselregeln für die thermische Leistung
Um die Vorteile des FSW-Schweißens – Abdichtung, Festigkeit, thermischer Wirkungsgrad – voll nutzen zu können, müssen beim Kaltbandschweißen bestimmte Konstruktionsregeln beachtet werden.
Abstand zwischen den Kühlkanälen
Die inneren Kanäle, die das Kühlmittel führen, müssen weit genug voneinander entfernt sein, um ein zuverlässiges Schweißen zwischen ihnen zu gewährleisten.
Je enger die Schweißnähte sind, desto dünner ist das Restmaterial zwischen den Kanälen, was das Risiko von Wandverformungen beim FSW erhöht.
Der Mindestabstand hängt von der Schweißtiefe und dem Werkzeugdurchmesser ab und muss bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.
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Stützstufe unter der Kühlplattenabdeckung
Um der vertikalen Kraft, die das FSW-Werkzeug beim Schweißen ausübt, standzuhalten, muss unter der Abdeckung eine Auflagefläche (oder “Stufe”) angebracht werden.
Die Mindestbreite hängt von der Schweißtiefe und dem Werkzeugdurchmesser ab, ist aber unerlässlich, um die Stabilität der Verbindung zu gewährleisten und lokale Verformungen zu vermeiden.
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