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Robotergestützte Rührreibschweißzange zur Erstellung von hochqualitativen Steppnähten

Kurzfassung

Eine umfangreich entwickelte Rührreibschweißzange als Werkzeug zur hochqualitativen und kostengünstigen Fügetechnik für Leichtmetalle.

Anwendungsbereiche

Die Schweißzange wurde vor allem für die Anwendung in modernen Fertigungsstraßen entwickelt, z. B. im Fahrzeugbau.

Hintergrund

Das Rührreibschweißen wurde in den 1990er Jahren in England entwickelt. Dabei werden die zu verbindenden Werkstoffe nicht durch Aufschmelzen, sondern durch „Verkneten“ miteinander verbunden. Dies ergibt viele Vorteile gegenüber anderen Schweißmethoden, die Technologie ist ökologischer und sicherer.

Problemstellung

Trotz verfahrenstechnischer Vorteile ist das Rührreibschweißen in der Industrie bislang unterrepräsentiert, da es bisher an einer flexiblen, wirtschaftlichen Anlagentechnik fehlte. Besonders problematisch sind die hohen Prozesskräfte, wodurch ein Gegenhalter am Werkzeug notwendig ist. Außerdem war bisher die hohe Prozesszeit pro Schweißnaht problematisch.

Lösung

Die Rührreibschweißzange der Materialprüfanstalt der Universität Stuttgart kann problemlos in Produktionslinien integriert werden. Der so genannte „Steppwelder“ ist eine Schweißzange für herkömmliche 6-Achs-Industrieroboter und hat die gleiche Größe, wie andere für die Fahrzeugfertigung eingesetzte Schweiß- und Fügezangen. So können auch gewölbte Werkstücke miteinander verbunden werden.  Vor allem können auch Punktschweißungen durch kurze Linienschweißnähte mit höherer Verbindungsfestigkeit ersetzt werden.

Durch einen speziell konstruierten, flexiblen Gegenhalter sind gekrümmte Fertigungsgeometrien bei optimalem Kraftfluss möglich. Die Schweißzange erzeugt in einem Schritt eine kurze Steppnaht, durch aneinanderreihen der Steppnähte lassen sich lange, stoffdichte Multi-Material-Verbindungen herstellen. Durch die geeignete Auslegung der Bauteile und spezielle Gegenhalterkonstruktion konnte die Prozesszeit massiv verringert werden. Die aktuelle Version des Steppwelders erzeugt eine 50 cm lange Naht in 1,5-2 Sekunden und kann damit die in der Automobilproduktion erforderlichen Taktzeiten, verglichen mit dem Clinchen, einhalten.

Abbildung 1:CAD-Entwurf des zweiten Prototyps der Rührreibschweißzange (Steppwelder) (Quelle: Dominik Walz, MPA, Universität Stuttgart)
Abbildung 1:CAD-Entwurf des zweiten Prototyps der Rührreibschweißzange (Steppwelder) (Quelle: Dominik Walz, MPA, Universität Stuttgart)

Vorteile

  • Fügen von Leichtbauwerkstoffen wie hochfesten Aluminiumlegierungen (5XXX, 6XXX, 7XXX artgleich sowie artfremd) und Magnesium ist möglich
  • Mischverbindungen sind möglich, z.B. von Aluminium und Stahl
  • Sehr hohe Schweißnahtqualität
  • Kaum Wärme-, keine Rauch- und Spritzerentwicklung im Schweißprozess
  • Keine Neigung zur Heißrissbildung bei hochfesten Aluminiumlegierungen
  • Niedriger Energieaufwand
  • Keine Zusatzwerkstoffe notwendig
  • Mediendichte Schweißnähte sind herstellbar
  • Einsatzmöglichkeit sowohl als Punkt-, Liniennaht (Steppnaht-), oder 3D-Naht-Schweißzange möglich
  • Schweißzangengewicht von <200 kg ermöglicht den Einsatz an konventionellen Industrierobotern
  • Verhältnismäßig kostengünstige Anlagentechnik

Publikationen und Verweise

Walz, D., Werz, M., & Weihe, S. (2021). A New Concept for Producing High Strength Aluminum Line-Joints in Car Body Assembly by a Robot Guided Friction Stir Welding Gun. In Advances in Automotive Production Technology–Theory and Application (pp. 361-368). Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg.

Walz, D.; Werz, M.; Weihe, S. Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Rührreibschweißzange. In: DVS CONGRESS Große Schweißtechnische Tagung. Essen, 2021.

Exposé
Kontakt
Dr.-Ing. Michael Ott
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Entwicklungsstand
TRL 6 - Technologie in relevanter Umgebung getestet
Patentsituation
DE 102018111496 B4 erteilt
US 11407606 B2 erteilt
Referenznummer
17/076TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.