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EFB-Forschungsbericht Nr. 517

Support for implementation of FSW on milling machines by use of an empirical approach

efb517

Verfasser:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen, M. Sc. Pascal Rabe, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik, RWTH Aachen – Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, M. Sc. Dennis Rempel, M. Sc. Tobias Motschke, Werkzeugmaschinenlabor, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, RWTH Aachen – Ing. Frederik Hendrickx, CEWAC - Centre d'Etudes Wallon d'Assemblage et du Contrôle des matériaux, Ougree, Belgien

94 Seiten (sw, 68 teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-571-8

Preis (Digital) EUR 56,65

Preis (Print) EUR 71,00

Zusammenfassung

Ziel des Projekts "Mill-FSW - Methode zur Umsetzung von Rührreibschweißprozessen auf konventionellen Fräsmaschinen mittels eines empirischen Ansatzes", war die Entwicklung einer Methodik zur quantitativen Bewertung des Anwendungsbereichs des Rührreibschweißen auf Fräsmaschinen.

Darüber hinaus sollte die Bewertungsmethodik maschinenbasierte Prozessbegrenzungen berücksichtigen und somit eine Übertragung der Schweißparameter von teuren Reibrühr-schweißmaschinen auf Fräsmaschinen ermöglichen, die bei KMUs der Blechverarbeitung weit verbreitet sind. Dies soll durch die Herstellung eines technischen Demonstrators umgesetzt werden, der auf einer Fräsmaschine unter Verwendung von Schweißparametern geschweißt und bearbeitet wird, die nicht durch empirische Prozessentwicklung, sondern durch den Transfer von vorhandenem Prozesswissen gewonnen werden.

Im Rahmen des Projekts wurden die Eigenschaften von Rührreibschweiß- sowie von Fräsmaschinen hinsichtlich des statischen und dynamischen Verhaltens bewertet. Die Einflüsse dieser Eigenschaften auf die Schweißnahtbildung wurden durch Experimente auf der Grundlage empirischer Prozesskenntnisse ermittelt. Die statische Steifigkeit, insbesondere in axialer Richtung, zeigt den größten Einfluss auf den Prozess, während die dynamischen Eigenschaften aller untersuchten Maschinen keinen nennenswerten Einfluss auf die resultierende Schweißnahtqualität haben.

Weitere Aspekte, die die Schweißkapazitäten von Werkzeugmaschinen beeinflussen, wurden untersucht, um das Anwendungsspektrum zu erweitern. Die Verwendung einer aktiven Luftkühlung für die Reduktion von Temperatureinflüssen bei kontinuierlichen Schweißungen an Fräsmaschinen eignet sich für die Kühlung empfindlicher Elemente der untersuchten Werkzeugmaschinen.

Das elektrisch unterstützte Rührreibschweißen ermöglicht eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit um bis zu 600 % bei konstanten Schweißkräften oder eine Reduzierung der Axialkräfte für industriell relevante Schweißgeschwindigkeiten auf Lastbereiche, die im Arbeitsbereich kleiner Fräsmaschinen liegen.

Schließlich wurden mit der entwickelten Methodik technische Demonstratoren hergestellt. Die Schweißparameter für die notwendigen Schweißnähte, einschließlich der Eintauchtiefe wurden ohne weitere Versuche von den in der Versuchsphase des Projekts entwickelten Sollparametern auf die auf Konsolenständer-Fräsmaschinen geschweißten Enddemonstratoren übertragen.
Die Ziele dieses Projekts wurden vollständig erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Mill-FSW - Support for implementation of FSW on milling machines by use of an empirical approach - Methode zur Umsetzung von Rührreibschweißprozessen auf konventionellen Fräsmaschinen mittels eines empirischen Ansatzes" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 191EN über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des CORNET - European Research Programme vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 517 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The aim of the Mill-FSW - Support for implementation of FSW on milling machines by use of an empirical approach - project, was to develop a methodology to quantitatively evaluate the application range for friction stir welding on milling machines.

Furthermore, the evaluation methodology should account for machine based process limitations and thereby allow for a transfer of welding parameters from expensive friction stir welding equipment to milling machines commonly available at SMEs working in the sheet metal sector. This should be demonstrated through production of a technical demonstrator, welded and processed on a milling machine using welding parameters gained not by empirical process development, but transfer of existing process knowledge.

During the project, the capabilities of friction stir welding machines, as well as milling machines, were evaluated concerning static and dynamic properties.

The influences of those properties on weld seam formation were determined through experiments based on empirical process knowledge. The static stiffness, especially in axial direction, was found to have the most significant process impact, while the dynamic properties of all examined machines had negligible impact on the resulting weldseam quality.

Further aspects influencing the welding capacities of machine tools were examined to broaden the application range. Using active air cooling allowed for continuous welding on milling machines by reducing the temperature impact of the welding process on sensitive machine tool elements. Electrically assisted friction stir welding enabled welding speed increases of up to 600 % with constant welding forces, or a reduction of axial forces for industrially relevant welding speeds to loads processable on small size milling machines.

Finally, technical demonstrators were produced using the developed methodology. The welding parameters for the necessary welds, including the plunge depth, were transferred from nominal parameters developed during the experimental phase of the project to the final demonstrators welded on console stand milling machines, without any further trials.
The objectives of this project have been fully achieved.

Contents

Summary
List of Figures
List of Abbreviations
Work and Results
1 Work Package 1: Literature Research and Experimental Design
1.1 ISF/WZL/Cewac
1.2 WZL/ISF
1.3 CEWAC
1.3.1 Regarding machine characteristics [NOVE15]:
1.3.2 Regarding the potential & probability of detecting relevant defects in FSW joints by NDT [MAND12]:
2 Work Package 2: Investigation of the Machine Tool Influence
2.1 WZL/ISF
3 Work Package 3: Parameter Determination and Validation
3.1 ISF
3.2 WZL
3.3 CEWAC
3.3.1 Screening tests performed on the ESAB FSW machine
3.3.2 Preliminary tests performed on the ESAB FSW machine
3.3.3 Transferability method development on the ESAB FSW machine and verification on the INTOS machine
3.3.4 FSW on ESAB and INTOS (with first compensation for machine deformation)
3.4 ISF/WZL/CEWAC
4 Work Package 4: Influence of Additional Aspects
4.1 ISF
5 Work Package 5: Methodology Validation
5.1 ISF/WZL
5.2 ISF/WZL
6 Work Package 6: Technical Demonstrators
6.1 CEWAC
6.2 ISF/WZL
7 Work Package 7: Project Management, Dissemination and Reporting
7.1 ISF/WZL
7.2 Benefits to SMEs
7.3 Necessity and adequacy of realised work
8 References