Ausgangssituation

Das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding - FSW) ermöglicht das stoffschlüssige Fügen bisher mittels konventioneller Schmelzschweißverfahren nicht oder nur schwer schweißbarer Werkstoffe. Aufgrund der auftretenden Prozesskräfte werden derzeit in der Industrie Spezialanlagen mit hohen Steifigkeiten eingesetzt. Ziel des Kooperationsverbundes für robotergestütztes Rührreibschweißen ("RoboFSW") ist es, Schwerlastroboter für die flexible 3D-Bearbeitung von Aluminiumbauteilen zu optimieren. Das Konsortium besteht dabei aus Airbus Deutschland GmbH, Bremen, EADS Deutschland GmbH, München, KUKA Roboter GmbH, Augsburg, sowie dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München.

Vorteile des FSW

Das Verfahrensprinzip des FSW basiert auf der Plastifizierung der zu verschweißenden Materialien sowie dem Materialfluss, der durch eine Werkzeugrotation und eine Relativbewegung des Werkzeuges zu den Werkstücken bewirkt wird.

Mit diesem Verfahren können primär niedrigschmelzende Werkstoffe wie beispielsweise Aluminium und dessen Legierungen gefügt werden. Auch andere Materialien/Legierungen wie solche auf der Basis von Mg, Cu, Ti oder St können mittels Rührreibschweißen gleichartig oder auch als Mischverbindungen ohne Zusatzwerkstoff gefügt werden.

Die Art der Verbindung gestaltet sich sehr variabel. So sind neben dem Stumpfstoß auch der T-Stoß oder Überlappverbindungen möglich.

Gegenüber Schmelzschweißverfahren sind folgende Potentiale von FSW zu nennen:

• sehr gute mechanische Eigenschaften
• keine Porenbildung
• Mischverbindungen möglich
• einfache Prozessführung
• Reproduzierbarkeit einer hohen Nahtgüte
• geringe Schweißspannungen und ‑verzug
• Umweltverträglichkeit
• keine Rauche, Stäube und Gase
• kein speziell ausgebildetes Fachpersonal nötig
• hoher Prozesswirkungsgrad
• kein Zusatzwerkstoff erforderlich
• geringe Wärmeeinwirkung

Querschliff einer typischen FSW-Naht

Einsatz eines Knickarmroboters

Der Einsatz von Schwerlast-Knick­arm­robotern zum FSW stellt einen Ansatz dar, mit dem das wirtschaftliche Fügen dünnwandiger Querschnitte möglich wird. Der Grund dafür ist, dass sich Schwerlast-Knickarmroboter durch wesentlich geringere Investitionskosten auszeichnen, verglichen mit den sonst üblichen FSW-Sonderschweißanlagen bzw. Fräsbearbeitungszentren. Des Weiteren weisen sie einen großen und offenen Bearbeitungsraum auf, wodurch die Bearbeitung auch großer Bauteile ermöglicht wird. Die Herausforderung beim Einsatz derartiger Roboter liegt in der variablen Steifigkeit des Systems, die von der Ausladung des Roboters sowie der Orientierung des Werkzeuges im Raum abhängig ist. Um da­raus resultierende Positionierungsfehler zu kompensieren, müssen entsprechende Lage- und Kraftregelungssysteme in das System integriert werden.

Beschreibung des Systems

Die aufgebaute Versuchsanlage besteht aus einem Schwerlastroboter, welcher von KUKA Roboter GmbH modifiziert wurde, um die maximal anwendbaren Prozesskräfte gegenüber der Standardversion zu steigern. Somit kann das System nun Prozesskräfte von 12 kN und mehr über einen weiten Bereich im Arbeitsraum bereitstellen. Am Flansch des Roboters ist eine elektrisch angetriebene FSW-Spindel befestigt. Diese Spindel kann Drehzahlen bis 2500 U/min bereitstellen. Zwischen der Spindel und dem Schweißkopf befindet sich eine Kraftmesseinheit, die einen kraftgeregelten FSW-Prozess erlaubt. Die ggf. erforderliche Zustellung des Werkzeuges wird dabei nicht durch eine Zusatzachse realisiert, sondern durch den Roboter selbst übernommen.

Die prinzipielle Eignung des Roboters zum Schweißen großflächiger Bauteile konnte gezeigt werden. Untenstehende Abbildung demonstriert dies am Beispiel einer Schweißung von zwei Flugzeugrumpfteilen mit einer Gesamtnahtlänge von ca. 2,5 m, die in zwei Teinähten realisiert wurde (Video, 20 MB):

Ein Beispiel für das Schweißen von dreidimensionalen Konturen zeigt dieses Video (avi, 50 MB)

Die Flexibilität der Anlagentechnik erlaubt zudem das Schweißen extrem gekrümmter Oberflächen (Video, wmv, 55 MB)