FSW-geschweißte versteifte Platten

Versteifte Platten werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt. In der Luft- und Raumfahrt bestehen die Teile hauptsächlich aus 2000er- oder 7000er-Aluminium. Die 2000er-Serie zeichnet sich durch große Robustheit und hohe Hitzebeständigkeit aus. Die Aluminiumfamilie 7000 wird wegen ihrer hohen mechanischen Festigkeit geschätzt. Diese Legierungen verfügen über hervorragende technische Eigenschaften, sind jedoch anfällig für Korrosion. Sie gelten auch als schwer schweißbar, außer im FSW-Verfahren. 

Im Schiffbau werden versteifte Platten aus Aluminium 5000 hergestellt, das für seine gute Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit anerkannt ist. 

Versteifte Platten in großen Längen: Böden für Fähren – Marine Aluminium Norway

Versteifte Aluminiumplatten verfügen über eine besondere Geometrie (T-förmige, rechteckige, dreieckige, omegaförmige Versteifung). Diese geometrische Besonderheit macht es schwierig, sie mit herkömmlichen Verfahren zu schweißen. Außerdem werden die Versteifungen mithilfe einer Technik namens „Extrusion“ hergestellt. Bei diesem mechanischen Herstellungsverfahren wird ein Material unter Druck in ein bestimmtes Format gepresst. Die erhaltenen Teile können Abweichungen in der Geometrie, der Dicke und der Ebenheit aufweisen. Daher ist es unerlässlich, den Schweißvorgang mit dem FSW-Kopf durch Kraftkontrolle und nicht durch Positionskontrolle durchzuführen.

Versteifte Platten werden häufig in verschiedenen industriellen und zivilen Bereichen eingesetzt: in der Luft-und Raumfahrt, im Bauwesen, in der Automobilindustrie, in der Luftfahrt und im Schiffbau. Die Versteifung bietet nämlich verschiedene Vorteile für die Hightech-Industrie. Ihr Hauptvorteil besteht darin, die Biegesteifigkeit der Platte deutlich zu erhöhen und gleichzeitig ein minimales Volumen an zusätzlichem Material zu gewährleisten. Stirweld arbeitet bei der Herstellung dieser versteiften Strukturen insbesondere mit Kunden aus der Luft- und Raumfahrt und der Schifffahrt zusammen.

Die Luft- und Raumfahrt ist ein Sektor, in dem versteifte Platten viele Anwendungen finden. Mit versteiften Platten können lange, flache Strukturen ersetzt werden. Durch das FSW-Schweißen dieser versteiften Platten kann die spezifische Leistung des Bauteils verbessert werden. Das Rührreibschweißen vermeidet das Bohren beim Nieten und die damit verbundene Verringerung der mechanischen Festigkeit (insbesondere bei Ermüdung aufgrund der durch das Nietloch erzeugten Spannungskonzentration).

Selbstversteifende Platten werden für den Boden von Luftfahrzeugen und Flugzeugen verwendet. Die Eclipse 500, die als leichtes Düsenflugzeug eingestuft wurde, war mit selbstversteifenden Platten aus Aluminium ausgestattet.  

Die versteiften Platten werden auch für die Herstellung von Aluminiumtanks verwendet. Diese kleineren und leichteren Strukturen können große Tanks ersetzen, wodurch Platz geschaffen und das Gewicht der Ausrüstung verringert wird.

Versteifte Platten für die Luft- und Raumfahrt: Zusammenbau durch FSW und Biegen von T-Profilen.

Die Verbindung der Haut und der Versteifung, aus denen die versteifte Platte besteht, erfolgt meist durch mechanische Fügeverfahren. Die gebräuchlichsten Verbindungstechniken sind Nieten und Schrauben.

Das Kleben von Metallen ist ein neueres Fügeverfahren, das sich ebenfalls weiterentwickelt. Das Fügen durch Kleben wird vor allem in der Luftfahrtindustrie eingesetzt. Diese Technik gewährleistet jedoch eine geringere Festigkeit im Vergleich zu den anderen bestehenden mechanischen Verfahren. Außerdem erfordert das Kleben von Aluminium eine extreme Sauberkeit der zu klebenden Oberflächen, was ein umweltschädliches und teures chemisches Beizen erforderlich macht. 

Es ist sehr schwierig, versteiften Platten mit klassischen Lichtbogenschweißverfahren wie WIG oder MIG zu schweißen: Vorhandensein von Porosität oder Kleben in der Schweißnaht, Heißrissbildung bei bestimmten nicht schweißbaren Aluminiumlegierungen (6000, 2000 und 7000). Die verwendeten Aluminiumlegierungen (6000, 2000 und 7000) und die Geometrie der Teile erfordern eine anspruchsvollere Schweißtechnik wie FSW. Warum ist das so? Weil wir beim FSW den Schmelzpunkt nicht erreichen, sodass keine Gefahr von Porosität, Kleben oder Heißrissen besteht.

Das Nieten ist ein Verfahren, um zwei oder mehr Teile dauerhaft miteinander zu verbinden. Die zu verbindenden Teile werden durchbohrt, um den Niet darin zu platzieren. Das Nieten wurde zusammen mit der intensiven Nutzung von Stahl entwickelt und ist die bekannteste und renommierteste Art der endgültigen Verbindung. Die Hauptvorteile der Nietverbindung sind die Haltbarkeit der Verbindung und ihre Präzision. Im Gegensatz zum Schrauben hat das Nieten den Vorteil, dass keine Gewinde eingeführt werden müssen. Allerdings können die Vibrationen und die zyklische Ermüdung der Strukturen, an denen die versteiften Platten montiert werden, zu einer beginnenden Rissbildung im Nietloch führen.  Eine regelmäßige Kontrolle der Nieten ist daher notwendig, um die Zuverlässigkeit der Konstruktion langfristig zu gewährleisten. Das Bohren der zu verbindenden Komponenten macht das Bauteil außerdem anfällig für Korrosion.

Beim Verschrauben werden zwei oder mehr Teile durch Zusammendrücken mithilfe einer Befestigungsschraube zusammengefügt.

Wie beim Nieten kann auch das Bohren für die Montage der versteiften Platte zu einer Schwäche der endgültigen Struktur führen.  Tatsächlich beinhaltet diese Befestigungstechnik eine Bohrung, die das zusammengesetzte Teil anfällig für Korrosion und zyklische Ermüdung macht.

FSW ist das 1991 vom Welding Institute erfundene Verfahren des Rührreibschweißens (engl. friction stir welding). Bei diesem Verfahren werden zwei oder mehr Teile im festen Zustand miteinander verbunden, indem sie durch einen rotierenden Stift in einen pastösen Zustand gebracht werden.

Diese disruptive Technologie hat unter anderem das Schweißen von Aluminiumlegierungen ermöglicht, die als unlösbar galten. Das Friction Stir Welding erleichtert auch das Schweißen von Teilen, die sich in Material, Geometrie oder Dicke unterscheiden.

Das FSW-Schweißen bietet eine Reihe von Vorteilen bei der Herstellung von versteiften Platten. Diese disruptive Technologie findet daher zahlreiche Anwendungen in der Industrie. Die wichtigsten Vorteile des FSW-Schweißens von versteiften Platten sind die Haltbarkeit, die Wasserdichtigkeit sowie die Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit.

Das Rührreibschweißen ist eine endgültige und irreversible Verbindungsmethode. Es hat den zusätzlichen Vorteil, dass keine Bohrungen oder Anbringung von Außenelementen erforderlich sind. Diese Verbindungstechnik ermöglicht es, das korrosionsfreie Aussehen der Aluminiumplatte beizubehalten. Nach dem Schweißen und Anbringen der versteiften Platte ist keine weitere Kontrolle erforderlich, um sicherzustellen, dass die Befestigungen fest sitzen.

Darüber hinaus kann das FSW-Schweißen der Haut und der Versteifungen viel schneller erfolgen als bei mechanischen Verbindungsmethoden. Die Zeitersparnis ist bei sehr großen Platten noch größer.

Die Zeitersparnis ist darauf zurückzuführen, dass FSW keine Vorbereitung und Entfettung der Teile vor dem Schweißen erfordert. Ebenso ist eine Nachbearbeitung nach dem Schweißen nicht unbedingt erforderlich. Diese verschiedenen Vorteile des FSW verleihen ihm einen umweltfreundlichen Aspekt.

Die Verwendung des Rührreibschweißens führt auch zu Kosteneinsparungen bei der Anschaffung und der Produktion. Der Stirweld FSW-Schweißkopf kann in bestehende Werkzeugmaschinen eingebaut werden, wodurch die Investitionskosten wesentlich geringer sind als z. B. bei einer Spezialmaschine.  In Bezug auf die mechanische Festigkeit ermöglicht das Rührreibschweißen die Herstellung von steifen, dichten und hochfesten Platten. Diese innovative Schweißtechnik bewahrt die mechanischen Eigenschaften der geschweißten Metalle. Beim FSW-Schweißen wird der Schmelzpunkt der Materialien nicht erreicht.

Mit FSW lassen sich auch breitere und dünnere versteifte Platten herstellen.

Denn die Breite eines Profils ist normalerweise auf 300 mm begrenzt, die maximale Breite einer Extrusionsdüse. Das Rührreibschweißen ermöglicht es, diese Begrenzung durch das Zusammenfügen mehrerer Aluminiumteile zu überwinden. Die Profiloptimierung in Verbindung mit dem FSW reduziert zudem unnötige Formen und sorgt so für leichtere und stärkere Platten. 

Parallel zu diesen Schweißtests kann Stirweld eine Prototypenstudie für den Zusammenbau der versteiften Platten durchführen. Diese Studienphase ermöglicht es, den Kunden bei der Integration des FSW in seinen industriellen Prozess zu begleiten.

Das Stirweld-Team bleibt anschließend während der Industrialisierungsphase beim Kunden unterstützend tätig.

Das Zusammenfügen der versteiften Platten erfordert ein Verfahren, das Festigkeit und die Fähigkeit, große Bleche zu verbinden, miteinander verbinden muss und gleichzeitig die Festigkeit und Leichtigkeit der Strukturen gewährleistet.

FSW ist eine ausgereifte Verbindungstechnik, die in der Automobilindustrie (Batteriebehälter), im Eisenbahnwesen (Waggonrohlinge), in der Luftfahrt und im Schiffbau (Bodenplatten) bereits demokratisiert wurde. Diese Rührreibschweißtechnik setzt sich heute als eine geeignete Lösung für die Herstellung von versteiften Platten durch. Stirweld hat Kunden wie Ariane beim FSW-Schweißen der versteiften Platten, aus denen die Trägerraketen der Ariane 6 bestehen, unterstützt.