Schwungrad-Reibschweißen

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1 Schwungrad-Reibschweißen

2 Reibschweißen Die MTU Aero Engines ist Deutschlands führender und einziger unabhängiger Triebwerkshersteller und weltweit eine feste Größe. Sie entwickelt, fertigt und betreut zivile und militärische Luftfahrtantriebe sowie Industriegasturbinen. Technologisch führend ist die MTU bei Hochdruckverdichtern und Niederdruckturbinen sowie Herstell- und Reparaturverfahren. Eine Schlüsseltechnologie zur Fertigung von Verdichterrotoren ist das Reibschweißen. Dieses Fügeverfahren eignet sich vor allem für die Herstellung von Rotoren, die aus höher belastbarem Material bestehen und wesentlich größer sind als herkömmliche Modelle. Solche Rotoren werden für die nächste Generation von Triebwerken benötigt. Mittels Reibschweißen können Rotoren kompakter und hochintegral aus Titan- und Nickelbasiswerkstoffen gefertigt werden. Dadurch werden sie leichter, was den Kraftstoffverbrauch senkt. KUKA SRS1000 Reibschweißanlage (25 m lang, 6 m hoch, kg schwer).

3 Anlagentechnik Die MTU-Triebwerksspezialisten in München verfügen über vier Reibschweißmaschinen darunter die präziseste Anlage der Welt: Die Hochpräzisionsanlage KUKA RS 1000, die über ein Doppelspindelkonzept verfügt, wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes entwickelt und von der Firma KUKA Schweißtechnik gebaut. Zielsetzung war, eine größere Bandbreite von Bauteilen mit höchster Genauigkeit zu verschweißen. Die Präzision während des Bearbeitungsprozesses ist weltweit einmalig sie liegt im Zehntelbereich und das bei Stauchkräften von bis zu Tonnen. Die KUKA RS 1000 zeichnet sich aus durch: ein Schwungradgetriebe anstelle einzeln aufgeschraubter Schwungräder Vorteil: schneller Schwungradwechsel, eine Fluchtjustage, um die Position der zu verschweißenden Teile exakt ausrichten zu können, ein optisches Online-Messsystem (achsmittig angeordnet) mit schwenkbarem Messarm (laser-basierend), um die Ausrichtung der Maschine bzw. die Lage der eingespannten Teile exakt vermessen zu können, eine optionale Stauchweg-Steuerung (Eingriffsmöglichkeit in den Prozess durch Druck-Variation) zur Einengung der erhaltenen Stauchweg-Toleranz, ein Doppelspindel-Konzept, das heißt beide Seiten verfügen über unterschiedlich große Spindeln und können wahlweise statisch oder rotierend betrieben werden Vorteil: großes Schwungmassen-Spektrum Die drei weiteren Reibschweißmaschinen sind Serienanlagen der US-amerikanischen Firma Manufacturing Technology Incorporated (MTI) und zeichnen sich durch ihre robuste Konstruktion aus. Die wichtigsten Daten: Maschinentyp maximale Schweißenergie (knm) maximale Stauchkraft (kn) maximales Masseträgheitsmoment (kg m 2 ) Drehzahl bereich* (min -1) 150A 300B 480B KUKA RS , , , Dank des Doppelspindelkonzepts (links im Bild die große Spindel) kann eine größere Bandbreite an Bauteilen mit höchster Genauigkeit verschweißt werden. Zwei Mitarbeiter beladen die Hochpräzisionsmaschine.

4 Grundlagen des Schwungrad- Reibschweißens Verfahrensbeschreibung Das Schwungrad-Reibschweißen (SR-Schweißen) ist ein Pressschweißverfahren, mit dem sich hohe Verbindungsfestigkeiten reproduzierbar erzielen lassen. Die Schweißenergie liefert ein Schwungrad, auf das eine Hälfte des Schweißteils gespannt wird. Durch Pressen der rotierenden gegen die statische Schweißteilhälfte wird die Schwungradenergie am Schweißstoß in Reibungswärme umgesetzt, der Werkstoff wird fließfähig und es kommt zur Ausbildung eines Wulstes. Nach dem Stillstand des Schwungrades wird weiterer Werkstoff durch Nachstauchen ausgequetscht. Die Verbindungsbildung erfolgt durch komplexe plastische Verformungsvorgänge unterhalb der Schmelztemperatur. Die Arbeitsfolgen sind schematisch im nebenstehenden Bild (1 bis 4) dargestellt. 1) Die Schweißeinzelteile werden in die rotierende und stationäre Vorrichtung eingespannt. 2) Mittels eines elektrischen oder hydraulischen Antriebs wird die Schwungmasse auf die vorgegebene Drehzahl beschleunigt. 3) Anschliessend wird der Antrieb abgeschaltet. 4) Die Schwungmasse besitzt jetzt die für die Schweißung erforderliche Rotationsenergie. Während der Schweißphase werden die Schweißflächen mit einem definierten Druck gegeneinander gepreßt. Die Reibphase ist mit dem Stillstand der rotierenden Seite beendet. Um eine optimale Festigkeit der Schweißverbindung zu erzielen, muss die axiale Kraft allerdings über diesen Zeitpunkt hinaus aufrechterhalten werden. 1) Werkstück einspannen 2) Werkstück auf Drehzahl bringen 3) Antrieb auskuppeln 4) Anpressen Schweißen Arbeitsfolgen beim SR-Schweißen

5 Eigenschaften des Schwungrad-Reibschweißens Für das SR-Schweißen ist die Optimierung folgender Schweißparameter erforderlich: Massenträgheitsmoment, Drehzahl bei Schweißbeginn, Anpresskraft, Nachstauchzeit. Während des Schweißvorganges Reib- und Nachstauchphase tritt eine werkstoffund geometrieabhängige Längenverkürzung (Stauchweg) ein. Die Folge: Durch die Materialausquetschung bildet sich in der Fügeebene ein Schweißwulst mit einer Wulstkerbe. Bei hochbelasteten Schweißteilen müssen Wulst und Kerbe abgearbeitet werden, um eine optimale Festigkeit zu erzielen. Der Verfahrensablauf ist durch den zeitlichen Verlauf von Drehzahl, Kraft, Stauchweg und Drehmoment gekennzeichnet. Schweißnaht einer Ti-Legierung Die Höhe des Drehmomentmaximums kurz vor dem Stillstand der Spindel, die Stauchkraft und die Zeit nach dem Stillstand der Spindel wirken sich entscheidend auf die Verbindungsfestigkeit aus. Der optimale Stauchweg ist von den zu fügenden Werkstoffen bzw. Werkstoffkombinationen abhängig. Im Triebwerksbau werden in der Regel Ringquerschnitte verschweißt; angestrebt wird eine Längenverkürzung von etwa der Hälfte der Wanddicke. knm 50.0 bar 81.4 mm 4.7 U/min M max Drehzahl Stauchdruck Stauchung Drehmoment sek Verfahrensablauf einer SR-Schweißung Werkstoff fächenbezogene Schweißenergie fächenbezogene Axialkraft Umfangsgeschwindigkeit (J/mm 2) (N/mm 2 )) (m/s) legierte Stähle: warmfeste Legierungen Leicht- und Buntmetalle CU und Legierungen Al und Legierungen Ti-Legierungen ,5-15,0 1,5-7,5 1,0-15,0 3,0-5,0 2,0-3,5 4,0-12,0 Richtwerte für SR-Schweißdaten

6 Vorteile des Schwungrad- Reibschweißens Kurze Schweißzeit, dadurch geringe Wärmeeinbringung und geringer Verzug. Hohe Reproduzierbarkeit der Schweißnahtqualität. Statische und dynamische Verbindungsfestigkeiten, die im Streubereich der Grundwerkstoff-Kenndaten liegen. Nichtschmelzbare Werkstoffe sind reibschweißfähig. Ungleiche Werkstoffpaarungen, wie z.b. Stähle mit Ni-Legierungen, können verschweißt werden. Typische Schmelzschweißfehler, z.b. Porenbildung, Schlackeneinschlüsse, Schrumpfbzw. Erstarrungsrisse, können ausgeschlossen werden. Aufgrund der sehr hohen Reproduzierbarkeit wird die Toleranz für die Längenverkürzung von +/- 0,25 mm eingehalten. Die Konzentrizität und Planparallelität der geschweißten Teile liegt in Abhängigkeit von der Größe der Teile bei den MTI-Maschinen bei 0,1 und 0,25 mm und bei der KUKA- Anlage zwischen 0,01 und 0,2 mm Schweißverbindungen Schweißverbindungen in MPa Abnahmewerte für den Grundwerkstoff Lastwechsel N Rm in MPa Abnahmewerte für den Grundwerkstoff t in C LCF-Festigkeit einer Ti-Reibschweißung Zug- und Warmfestigkeit einer Ti-Verbindung

7 Anwendungsbeispiele Komplett geschweißt und bearbeitet Verdichter-Rotor bestehend aus fünf Einzelteilen mit vier 4 Reibschweißverbindungen Werkstoff: Ni-Legierung. Turbinenrad und Welle für Abgasturbolader von Dieselmotoren Werkstoffkombination: Ni-Guß (Turbinenrad) Stahl (Welle). Blisk-Trommel geschweißt (Ti-Legierung). Verdichter-Gehäuse Titan mit aufgeschweißten Bolzen.

8 MTU Aero Engines AG Dachauer Straße München Deutschland Tel Fax GER 04/11/MUC/01000/DE/EB/D