Reibschweißen Schweißgefüge sekundenschnell fügen

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Maxon Motor GmbH

Ob LKW-Achse oder Getriebewelle: Komplexe Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen miteinander zu verbinden, ist aufwendig und bietet oftmals nicht die gewünschte Qualität. Für die Verbindungstechnik Reibschweißen kein Problem: Anders als konventionelle Schweißmethode fügt sie zahlreiche Werkstoffe mit geringem Energieaufwand kostengünstig und prozesssicher zusammen.

Komplexe Werkstücke werden häufig durch Urformen, Umformen oder spanabhebende Verfahren gefertigt. Das ist aufgrund mehrerer Bearbeitungsschritte ein großer, kostenintensiver Aufwand inklusive langer Taktzeiten. Außerdem entsteht bei der mechanischen Bearbeitung von Bauteilen aus dem Vollen ein hoher Materialverlust.

Was vielen in der industriellen Produktion nicht bekannt ist: Reibschweißen ist eine kostengünstige Alternative für die Fertigung vieler, teils komplexer Bauteile. Eingesetzt wird es in verschiedenen Branchen, beispielsweise in der Medizintechnik – etwa bei der Fertigung von Hüftgelenkprothesen –, der Automobilbranche, im Maschinen- oder Stahlbau.

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Größte Reibschweißmaschine mit Stauchkraft von 1.250 kN

Die Klaus Raiser GmbH & Co. KG aus dem baden-württembergischen Eberdingen (Hochdorf) hat sich unter anderem auf das Reibschweißen und den Bau von Reibschweißmaschinen spezialisiert. Schon Anfang 1970er Jahre erkannte der Firmengründer Klaus Raiser das Potenzial und setzte sich zum Ziel, die vielfältigen Möglichkeiten, die diese Technologie mit sich bringt, industriell nutzbar zu machen. Heute entwickeln und bauen die Experten auch präzise und energieeffiziente Reibschweißmaschinen – von der Einzelmaschine bis zur automatisierten Fertigungszelle abgestimmt auf die jeweiligen Anforderungen.

Von ganz groß bis ganz klein: Zum Lohnreibschweißen steht Raiser ein umfangreicher Maschinenpark zu Verfügung. Die größte Reibschweißmaschine beispielsweise hat eine maximale Stauchkraft von 1.250 kN und kann Bauteil-Längen auf der stehenden Seite von bis zu 6 m realisieren. Zu den Service-Leistungen zählen:

• Entwicklung der Fügezonengeometrie

• Fertigung der Schweißkonstruktionen

• Übernahme aller erforderlichen Vor- und Nachbereitungen

• Herstellung einbaufertiger Komponenten

Betriebe, die weder über das entsprechende Know-how noch über eine geeignete Maschine für diese Technologie verfügen, sind bei Raiser genau richtig. Dank modernster Prüf- und Überwachungsmethoden werden höchste Qualitätsstandards erfüllt.

Dr. Elmar Raiser, Geschäftsführer bei Klaus Raiser, erklärt die Kernkompetenz des Unternehmens: „Beim Reibschweißen ist der Schlüssel zum Erfolg lediglich eine Kombination aus Reibung und Druck. Das bedeutet, dass keine zusätzliche Energie, beispielsweise in Form von Strom, zugeführt werden muss. Die Reibbewegung reicht aus. Vor allem das hochproduktive Rotationsreibschweißen, eine spezielle Art des Reibschweißens, rentiert sich aus vielerlei Gründen.“

Kupfer mit Stahl schnell und einfach verschmelzen

Im Gegensatz zu anderen Fügeverfahren werden Werkstücke also nur durch Reibung gegeneinander und Pressdruck verbunden. Um zwei Teile gleicher oder auch unterschiedlicher Materialien fest zusammenfügen zu können, muss eines feststehend sein und das zweite in Bewegung gebracht werden. Beim Rotationsreibschweißen muss eines der Fügeteile eine drehsymmetrische Rotationsebene haben. Außerdem müssen Drehzahl und wirkende Kraft vorher definiert werden.

Sobald sich die beiden Teile unter diesen Bedingungen berühren, verschwinden zunächst oberflächliche Rauheiten. Das führt zu einer Vergrößerung der Berührungsfläche. Als Energielieferant sorgt die Reibbewegung dann für ansteigende Wärme in der Kontaktzone. Dr. Elmar Raiser: „Je intensiver die Reibung dabei ist, desto höher steigt die Temperatur. Dadurch entstehen Mikroreibschweißungen, sozusagen kleine Brücken zwischen den beiden Materialien, sodass ein Austausch der beiden Werkstoffe stattfinden kann.“ Dabei sei die Temperatur hoch genug, um die beiden Materialien – trotz unterschiedlicher Schmelzpunkte – miteinander zu verbinden. Obwohl es dabei nicht über die schmelzflüssige Phase hinaus geht, bewirkt der intensive Kontakt ein ,Verschmelzen‘ der Werkstoffe. „Genau das macht ein Verschweißen unterschiedlicher Materialien wie beispielweise Kupfer mit Stahl oder Aluminium mit Stahl möglich“, betont Raiser.

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Wenn sich eine ausreichend starke Kontaktzone und die verfahrenstypische Materialwulst um die Schweißfläche gebildet haben, kann die (Rotations-)Bewegung gestoppt werden. Anschließend wird der Druck zwischen den Komponenten erhöht, bis sie sich vollständig miteinander verbunden haben. Dadurch erhält man eine sichere und feste Verbindung.

Kostengünstig in größeren Stückzahlen fertigen

Insbesondere die technologischen Vorteile, die das Reibschweißen mit sich bringt, bestärken viele Unternehmen, sich an Raiser zu wenden. „Anwender, die ihre Bauteile mithilfe des Reibschweißens fertigen lassen, bemerken schnell, wie wirtschaftlich sich das in ihrer Produktion auswirkt“, fügt Dr. Kaiser hinzu. Statt beispielsweise eine gewünschte Geometrie mit großem Materialverlust aus dem Vollen heraus zu fräsen, sei es weniger Aufwand und zudem viel günstiger, zwei fertig bearbeitete Bauteile per Reibschweißen zusammenzufügen. Das lohne sich besonders für Halbzeuge.

Reibschweißen ist ein gut reproduzierbares Verfahren, bei dem hohe Qualitätsstandards einfach eingehalten werden können. Durch strukturierte Arbeitsabläufe und kurze Prozesszeiten lassen sich auch Bauteile leicht in größeren Stückzahlen herstellen. Ein Beispiel ist die Herstellung von Kolbenstangen: Bisher wurden die Rohteile aufwendig aus Schmiedeteilrohlingen gefertigt und anschließend gedreht, geschliffen und einzeln verchromt. Beim Reibschweißen wird bereits verchromtes Stangenmaterial eingesetzt, das auf die benötigte Länge zugeschnitten wird. Das nicht zu verschweißende Ende wird fertig bearbeitet, sodass das Kopfteil oder Auge mit der Stange verschweißt wird.

Neben den kurzen Taktzeiten ist es nicht weniger die einfache Prozessüberwachung, die für die hohe Produktivität dieses Verfahrens verantwortlich ist: Die nötigen Werte wie Druck, Zeit und Drehzahl sind für den Anwender leicht kontrollier- und steuerbar. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist auch, dass die reibgeschweißten Bauteile beispielsweise keine anschließende Dreh- oder kostspielige Wärmenachbehandlung erfordern. Das verkürzt die Prozesszeiten zusätzlich auf ein Minimum.

Kein Ausschuss beim Reibschweißen

Mit dem Reibschweißverfahren lassen sich hochwertige und vor allem feste Schweißgefüge fertigen. Diese zeichnen sich durch eine hohe Verbindungsgenauigkeit aus. „Die homogene, äußerst stabile Verbindung der beiden Werkstücke ist aufgrund der Vollverschweißung sogar fester als die beiden Grundmaterialien. Von der hohen Qualität haben wir schon viele Kunden überzeugen dürfen“, so Dr. Raiser. „Außerdem gibt es beim Reibschweißen praktisch keinen Ausschuss!“

Für viele Branchen ist Reibschweißen eine lohnenswerte Verbindungstechnik, da sich gleiche und auch unterschiedliche Werkstoffe in verschiedenen Abmessungen zusammenfügen lassen. Damit können Anwender vielfältige Kombinationsmöglichkeiten realisieren sowie unterschiedliche, sogar komplexe Geometrien, die durch Zerspanung oder Gießen nur sehr aufwendig zu fertigen wären.

„Nur durch Reibung und Druck innerhalb weniger Sekunden eine solch große Fertigungssicherheit zu erreichen – das stellt speziell für die moderne Massenfertigung eine enorme Produktivität dar“, so Dr. Raiser. „Ich bin mir sicher, dass die Möglichkeiten des Reibschweißens noch längst nicht ausgeschöpft sind!“ (jup)

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