Fügen von Al-Cu-Mischverbindungen mittels Rührreibschweißen

Fügen von Al-Cu-Mischverbindungen mittels Rührreibschweißen

Aufgabenstellung

Detailaufnahme Fügezone: Intensive Vermischung der Kupfer und Aluminiumseite
© Fraunhofer IWS Dresden

Detailaufnahme Fügezone: Intensive Vermischung der Kupfer und Aluminiumseite

Die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahren nicht schweißbare Kombination Kupfer und Aluminium soll stoffschlüssig gefügt werden, Ziel ist eine gute Festigkeit, ein robuster Prozess sowie eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Bauteile. Konkret sollten Mischverbindungen an ebenen, blechförmigen Bauteilen hergestellt werden.

Lösungsansatz

Nahtaufnahme Oberraupe FSW-Schweißnaht
© Fraunhofer IWS Dresden

Nahtaufnahme Oberraupe FSW-Schweißnaht

Das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding, FSW) ist ein mechanisches Fügeverfahren, welches die Fügepartner in der festen Phase verbindet. Am IWS wurde der Prozess hinsichtlich Regelung und Werkzeuggeometrie so erweitert, dass bei geeigneter Prozessführung auch das Fügen artungleicher Metalle möglich ist. Bedingt durch das Fehlen von Schmelzbädern werden unerwünschte schmelzmetallurgische Effekte wie intermetallische Phasen von vornherein weitgehend unterbunden.

Das rotierende FSW-Werkzeug übt über eine sogenannte Schulter Druck auf die Materialoberfläche an der Fügestelle aus und plastifiziert mittels Reibungswärme den Werkstoff. Ein in das Material eingetauchter Pin reguliert den Werkstofffluss. So entsteht ein feinkörniges, thermomechanisch verfestigtes Nahtgefüge mit hohen Festigkeitswerten. Blech- oder streifenförmige Bauteile lassen sich sowohl im I-Stoß als auch im Überlappstoß verbinden.

Ergebnis

Querschnitt FSW-Schweißnaht an Überlappverbindung aus Aluminium und Kupfer, geätzt
© Fraunhofer IWS Dresden

Querschnitt FSW-Schweißnaht an Überlappverbindung aus Aluminium und Kupfer, geätzt

Wie interne Tests zeigen, ist das Fügen von Aluminium und Kupferbauteilen in unterschiedlichen Legierungen und Fügegeometrien möglich. Zugversuche zeigen, dass der Bruch bei optimierten Schweißparametern in der Regel im weniger festen Aluminium-Werkstoff erfolgt.

Im Vergleich zu anderen Verfahren zum Fügen artungleicher Metalle wird eine völlig andere Schweißzone generiert: Die für alle Schmelzschweiß- oder Lötverfahren typische flächig durchgehende Übergangszone zwischen beiden Materialien entsteht beim Rührreibschweißen nicht, da die Materialien gemeinsam verformt und verknetet werden. Vorteilhaft ist dies etwa für die elektrische Leitfähigkeit, diese wird nicht mehr durch eine durchgehende, gering leitfähige intermetallische Zwischenschicht reduziert.