Reibschweißen: Von der Rotation bis zum Rührreibschweißen (FSW)

Einleitung: Fügen durch Bewegung

Was passiert, wenn zwei Metallteile unter hohem Druck gegeneinander bewegt werden? Sie erwärmen sich, werden plastisch und können sich ohne äußere Wärmequelle – ohne Lichtbogen, ohne Flamme, ohne Laser – miteinander verbinden. Das Reibschweißen ist eine Familie von Verfahren, die auf diesem einfachen physikalischen Prinzip beruhen: Die Umwandlung von mechanischer Arbeit in Wärme durch Reibung.

Es ist ein Verfahren der Superlative: Es verbindet Aluminium mit Kupfer, Stahl mit Titan, es ermöglicht extrem feste Verbindungen ohne Poren oder Schlacke, und es hat in den letzten zwei Jahrzehnten – insbesondere durch das Rührreibschweißen (FSW) – die Luft- und Raumfahrt, den Schienenfahrzeugbau und die Elektromobilität revolutioniert. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Varianten des Reibschweißens, ihre physikalischen Grundlagen und ihre wachsende Bedeutung in einer Industrie, die nach effizienten und umweltfreundlichen Fügetechniken sucht.

Historische Entwicklung: Vom Drehbankversuch zur Hightech-Technologie

Die Idee des Reibschweißens ist alt. Bereits im 19. Jahrhundert wurde beobachtet, dass sich Metallstücke, die in einer Drehmaschine gegeneinander gepresst wurden, an den Kontaktflächen erwärmten und verbanden. Doch erst in den 1950er Jahren wurde das Verfahren systematisch erforscht. In der Sowjetunion entwickelte A. I. Chudikov 1956 das erste funktionsfähige Reibschweißverfahren, das in der Industrie eingesetzt wurde – zunächst für die Verbindung von Ventilen und Wellen in der Luftfahrt [1].

Unabhängig davon entstanden in den 1960er Jahren in Großbritannien und den USA ähnliche Entwicklungen. Das Rotationsreibschweißen wurde in den 1970er und 1980er Jahren zum Standardverfahren für rotationssymmetrische Bauteile in der Automobilindustrie (Antriebswellen, Ventile) und in der Luftfahrt (Turbinenschaufeln, Hydraulikkomponenten).

Die eigentliche Revolution kam 1991. Wayne Thomas und sein Team am The Welding Institute (TWI) in Cambridge, Großbritannien, entwickelten das Rührreibschweißen (Friction Stir Welding – FSW) . Anstatt das gesamte Bauteil zu rotieren, führt ein rotierender Werkzeugstift (Pin) entlang der Verbindungslinie, erwärmt das Material durch Reibung und verrührt es im plastischen Zustand. Dieses Verfahren ermöglichte erstmals das Reibschweißen von langen, geraden Nähten und eröffnete völlig neue Anwendungsfelder [2].

Seitdem hat sich das Rührreibschweißen rasant entwickelt. Es ist heute das Standardverfahren für Aluminiumstrukturen im Flugzeugbau (Airbus, Boeing), für Batteriegehäuse in der Elektromobilität und für die Verkleidungen von Hochgeschwindigkeitszügen.

Physik und Technik: Wärme aus mechanischer Arbeit

Allen Reibschweißverfahren liegt ein gemeinsames Prinzip zugrunde: Zwei oder mehr Bauteile werden unter hohem Druck gegeneinander bewegt (rotierend, oszillierend oder linear). Die dabei entstehende Reibungswärme führt das Material an den Kontaktflächen in einen plastischen Zustand – ohne es zu schmelzen. Unter dem einwirkenden Druck verschweißen die Bauteile im festen Zustand.

Die entscheidenden Vorteile dieses Fügens im festen Zustand (Solid-State Joining) sind:

• Keine Schmelze, daher keine Erstarrungsfehler wie Poren oder Heißrisse.
• Minimale Wärmeeinflusszone; das Gefüge bleibt weitgehend erhalten.
• Verbindung artfremder Materialien möglich, die beim Schmelzschweißen unverträgliche intermetallische Phasen bilden würden.
• Keine Schutzgase, keine Flussmittel, keine Spritzer – ein extrem sauberer Prozess.

Die Temperatur beim Reibschweißen liegt typischerweise bei 70–90 % der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffs – je nach Verfahren und Parameter.

Die Verfahrensfamilie im Überblick

Das Reibschweißen umfasst mehrere technologisch unterschiedliche Varianten:

Rotationsreibschweißen: Der Klassiker

Das Rotationsreibschweißen ist das am längsten etablierte Verfahren dieser Familie. Es wird in zwei Varianten durchgeführt:

• Momenten-Reibschweißen: Das rotierende Bauteil wird mit konstantem Moment gegen das fixierte Bauteil gepresst. Nach Erreichen der definierten Einsinktiefe wird die Rotation gestoppt und die Verbindung unter erhöhtem Druck ausgeschmiedet.
• Weg-Reibschweißen: Der Prozess wird über den zurückgelegten Weg gesteuert – eine präzisere Methode für sicherheitsrelevante Bauteile.

Die Prozessparameter sind entscheidend für die Qualität:

• Reibdruck: Der Druck während der Rotationsphase; typischerweise 50–200 N/mm².
• Stauchdruck: Der erhöhte Druck nach Stopp der Rotation; etwa das Doppelte des Reibdrucks.
• Drehzahl: Je nach Durchmesser 500–5.000 U/min.
• Reibzeit: Meist 1–10 Sekunden; der gesamte Zyklus dauert selten länger als 30 Sekunden.

Das Rotationsreibschweißen wird heute hochautomatisiert durchgeführt. Moderne Maschinen verfügen über eine Prozessüberwachung in Echtzeit und dokumentieren für jede Schweißung die Parameter – eine Voraussetzung für sicherheitsrelevante Anwendungen in der Luftfahrt und der Automobilindustrie.

Rührreibschweißen (FSW): Die Revolution

Das Rührreibschweißen hat sich in den letzten 25 Jahren vom Laborversuch zur industriellen Schlüsseltechnologie entwickelt. Das Verfahren besteht aus einem speziell geformten Werkzeug, das aus zwei Elementen besteht:

• Schulter (Shoulder): Der äußere Teil, der auf der Oberfläche des Werkstücks aufliegt, die Reibungswärme erzeugt und das plastifizierte Material nach innen hält.
• Pin (Stift): Der in das Material eintauchende Teil, der das Material durchmischt und die eigentliche Verbindung erzeugt.

Der Werkzeugstift wird in die Fügekante eingetaucht und fährt dann entlang der Verbindungslinie. Das Material wird durch die Reibungswärme plastifiziert, vom Pin durchmischt und hinter dem Werkzeug unter Druck wieder verdichtet. Es entsteht eine nahezu porenfreie, feinkörnige Naht ohne Schmelze.

Die Werkzeugentwicklung war eine der größten Herausforderungen des Verfahrens. Die Werkzeuge müssen extrem hohen mechanischen und thermischen Belastungen standhalten:

• Stahlwerkzeuge: Für Aluminium- und Magnesiumlegierungen aus Werkzeugstählen (z.B. H13) oder Schnellarbeitsstählen.
• Hartmetallwerkzeuge: Für hochfeste Aluminiumlegierungen, Kupfer und Titan.
• Polykristalliner Diamant (PCD) oder kubisches Bornitrid (CBN): Für hochschmelzende Werkstoffe wie Stahl oder Nickelbasislegierungen – eine Entwicklung, die das FSW erst in den letzten Jahren für diese Werkstoffe erschlossen hat [3].

Einsatzgebiete: Wo Reibschweißen unschlagbar ist

Die Reibschweißverfahren haben in den letzten Jahrzehnten klare Domänen erobert:

Kontroversen und Grenzen: Nicht für jedes Bauteil

Trotz seiner beeindruckenden Vorteile hat das Reibschweißen klare Grenzen. Die größte Einschränkung beim Rotationsreibschweißen ist die Beschränkung auf rotationssymmetrische Bauteile. Wellen, Rohre und Bolzen lassen sich hervorragend verbinden; komplexe Geometrien oder längere, gerade Nähte sind mit diesem Verfahren nicht möglich – hier kommt FSW ins Spiel.

Das Rührreibschweißen wiederum erfordert eine stabile Einspannung der Bauteile. Die beim Prozess auftretenden Kräfte (mehrere tausend Newton) müssen aufgenommen werden, ohne dass die Bauteile ausweichen. Das erfordert massive Vorrichtungen und schränkt die Flexibilität ein.

Eine weitere Herausforderung ist die Werkzeugstandzeit beim Schweißen hochschmelzender Werkstoffe. Während bei Aluminium mehrere Kilometer Naht mit einem Werkzeug geschweißt werden können, ist bei Stahl oder Titan bereits nach wenigen Metern ein Werkzeugwechsel erforderlich. Die Kosten für Hartmetall- oder CBN-Werkzeuge sind erheblich und beeinflussen die Wirtschaftlichkeit.

Der Prozess ist nicht rückwirkend kontrollierbar in dem Sinne, dass das Ende der Naht ein Kernloch (Keyhole) hinterlässt, wenn das Werkzeug aus dem Material gezogen wird. Bei FSW-Nähten muss dieses Loch entweder durch eine Überlappung gefüllt oder separat verschlossen werden – ein konstruktives Detail, das nicht immer unkritisch ist.

Mischverbindungen: Das große Potenzial

Eine der spannendsten Entwicklungen im Reibschweißen ist die Fähigkeit, artfremde Materialien zu verbinden – eine Aufgabe, bei der Schmelzschweißverfahren aufgrund der Bildung spröder intermetallischer Phasen oft scheitern.

So lassen sich im Rotationsreibschweißen Aluminium und Kupfer, Stahl und Aluminium oder Titan und Stahl zuverlässig verbinden. Diese Fähigkeit ist für die Elektromobilität von enormer Bedeutung: Die Verbindung von Kupfer (Leitermaterial) mit Aluminium (leichter, kostengünstiger) in Batteriepacks oder Ladesystemen ist eine Schlüsselanwendung.

Das Rührreibschweißen ermöglicht zudem die Verbindung von Aluminium mit Stahl oder Magnesium – eine Fähigkeit, die im Leichtbau zunehmend gefragt ist. Allerdings sind die Parameter hier deutlich enger zu fassen als beim Gleichartschweißen; die Position des Werkzeugs muss exakt auf der Fügekante gehalten werden, um die unerwünschten Phasen zu minimieren.

Ausblick: Reibschweißen in der digitalen Fertigung

Das Reibschweißen steht am Anfang einer weiteren Entwicklungswelle. Drei Trends sind bestimmend:

1. Additive Fertigung durch Reibschweißen: Die Additive Friction Stir Deposition (AFSD) ist ein neues Verfahren, bei dem über einen rotierenden, hohlen Werkzeugstab plastifiziertes Material schichtweise aufgetragen wird. Es ermöglicht die Reparatur hochwertiger Bauteile (z.B. Turbinenschaufeln) und die additive Fertigung großvolumiger Metallteile ohne Schmelze.
2. Robotik und Flexibilisierung: Während FSW lange Zeit auf massive Portalmaschinen beschränkt war, ermöglichen heute Industrieroboter mit speziellen Kraft-Momenten-Sensoren den Einsatz des Verfahrens an komplexen, dreidimensionalen Geometrien. Roboter-FSW wird zunehmend im Automobilbau und in der Luftfahrt eingesetzt.
3. Prozesssimulation und digitaler Zwilling: Die komplexen thermomechanischen Vorgänge beim Reibschweißen lassen sich heute mit modernen Finite-Elemente-Methoden (FEM) simulieren. Dies ermöglicht die Auslegung von Prozessen ohne aufwendige Vorversuche – ein wichtiger Schritt zur Kostensenkung [4].

Das Reibschweißen hat sich von einer Nischentechnologie zu einem der wichtigsten innovativen Fügeverfahren entwickelt. Seine Fähigkeit, hochfeste, fehlerfreie Verbindungen – auch zwischen artfremden Materialien – herzustellen, macht es zu einer Schlüsseltechnologie für die Industrie der Zukunft.

Quellen:

[1] DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.: Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band 7: Reibschweißen – Grundlagen und Anwendungen. DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2019.

[2] Thomas, W. M.; Nicholas, E. D.: Friction Stir Welding – The First Ten Years. The Welding Institute (TWI), Cambridge, 2001.

[3] DIN EN ISO 18785 (Teile 1–5): Reibrührschweißen – Aluminium. Beuth Verlag, Berlin, aktuellste Fassung.

[4] Mishra, R. S.; Mahoney, M. W.: Friction Stir Welding and Processing. ASM International, Materials Park (Ohio), 2007.