Reibschweißen ungleicher Metalle: Anwendungen für Stahl-Kupfer- und Stahl-Aluminium-Wellen

Reibschweißen ist die sauberste Methode, um zwei Metalle, die sich normalerweise nicht verbinden lassen, zu einer Welle zu verbinden. Da bei diesem Verfahren keines der Materialien schmilzt, bleibt die intermetallische Schicht dünn, die Wärmeeinflusszone schmal und die Verbindung zwischen einem Antriebsteil aus Kohlenstoffstahl und einem Arbeitsteil aus Edelstahl, Aluminium oder Kupfer ist eine echte metallurgische Verbindung und kein Löten oder Presspassen. Dieser Leitfaden richtet sich an Ingenieure und Beschaffungsteams, die Verbindungen aus unterschiedlichen Metallen spezifizieren, beschaffen oder prüfen müssen. reibgeschweißte Welle, mit besonderem Fokus auf die Materialpaarungen Stahl-Kupfer und Stahl-Aluminium, die den Großteil der Entwicklung von Elektrofahrzeugen, elektrischen Antrieben und Leichtbauantrieben im Jahr 2026 prägen werden.

01Was kann Reibschweißen, was Schmelzschweißen nicht kann?

Schmelzschweißen – WIG, MIG, Laser, Elektronenstrahl – funktioniert durch das Aufschmelzen beider Werkstücke an der Grenzfläche und das anschließende Erstarren des Schmelzbades zu einer Verbindung. Das Verfahren ist ausgereift, weist jedoch eine strukturelle Einschränkung auf: Viele ungleiche Metallpaare sind nicht ineinander löslich oder bilden im geschmolzenen Zustand dicke, spröde intermetallische Verbindungen. Stahl-Kupfer und Stahl-Aluminium sind hierfür typische Beispiele. Die Eisen-Aluminium-Intermetallverbindungen (FeAl, Fe) sind ebenfalls gängig.₃Al, FeAl₂Die im Schmelzbad entstehenden Eisen-Kupfer-Intermetallverbindungen sind hart, spröde und wachsen bei den beim Schmelzschweißen erreichten Temperaturen schnell. Das Ergebnis ist eine Verbindung, die unter Drehmoment, Stoßbelastung oder Temperaturwechselbeanspruchung versagt, oft bereits bei einem Bruchteil der Festigkeit des Grundwerkstoffs.

Reibschweißen umgeht dieses Problem, da keines der Werkstücke schmilzt. Ein Werkstück wird fixiert, das andere mit kontrollierter Drehzahl rotiert und unter kontrollierter axialer Kraft dagegen gepresst. Die Relativbewegung erzeugt Reibungswärme an der Grenzfläche. Das Material an der Grenzfläche erweicht in einen plastischen Zustand (nicht in einen geschmolzenen Zustand), und die fortbestehende axiale Kraft presst das erweichte Material als Grat aus der Verbindung. Nach dem Stopp der Rotation wird kurzzeitig eine Stauchkraft aufgebracht, um die Verbindung zu verfestigen. Die Grundmetalle bleiben dabei stets unterhalb ihres Schmelzpunktes, die intermetallische Schicht bleibt dünn, und die resultierende Verbindung ist eine echte metallurgische Festkörperverbindung. Da keines der Metalle schmilzt, wird die Dicke der intermetallischen Schicht eher durch den Stauchabstand und die Schmiedekraft als durch das Erstarrungsverhalten des Schmelzbades bestimmt. Aus diesem Grund ist Reibschweißen die Standardlösung für Materialpaare, die sich nur schwer oder gar nicht sauber durch Schmelzschweißen verbinden lassen.

Die wichtigste Regel, die man sich merken sollte: Reibschweißen verbindet Metalle unterhalb ihres Schmelzpunktes durch plastische Verformung, nicht durch Verschmelzung. Jeder der folgenden Prozessparameter dient diesem einen Prinzip.

Für die Prozessspezifikation gelten die relevanten internationalen Normen. ISO 15620:2019 — Reibschweißen metallischer Werkstoffe und dem entsprechenden amerikanischen Standard, AWS C6.1M/C6.1:2017 – Empfohlene Verfahren für das ReibschweißenDer deutsche Standard DIN 65185 und dem Internationalen Schweißinstitut IIW-Kommission IV arbeitet an Festkörperschweißen Vertiefte Kenntnisse im Bereich Verfahrenstechnik bereitstellen. Weil die Normenlandschaft für das Reibschweißen ausgereift ist. Eine Spezifikation, die auf die korrekte ISO 15620-Klausel verweist, ist eine Spezifikation, die sowohl ein Kundenaudit als auch eine Überprüfung der Prozessfähigkeit beim Lieferanten übersteht.

02Die drei wichtigsten Materialpaare

Drei unterschiedliche Metallpaare decken den Großteil der Reibschweißarbeiten an Wellen in Industrie- und Mobilitätsanwendungen ab. Jedes Paar hat einen anderen Anwendungszweck, ein anderes Prozessfenster und ein anderes Prüfverfahren. Die drei folgenden Unterabschnitte behandeln Stahl-Edelstahl, Stahl-Aluminium und Stahl-Kupfer in dieser Reihenfolge, wobei die Fälle Stahl-Kupfer und Stahl-Aluminium so ausführlich behandelt werden, wie es der Titel dieses Leitfadens erfordert.

Stahl zu Edelstahl (das Arbeitstier)

Das häufigste Paar beim Reibschweißen Motorwelle Die Familie umfasst Kohlenstoffstahl und austenitischen Edelstahl. Die Kohlenstoffstahlseite (typischerweise 45# oder 42CrMo) sorgt für die strukturelle Festigkeit und ein kostengünstiges Gewicht; die Edelstahlseite (typischerweise 304 oder 316L) bietet Korrosionsbeständigkeit, eine hygienische Oberfläche oder Verschleißfestigkeit. Das Paar wird in Chemiemischern, Anlagen zur Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, Wasseraufbereitungspumpen und Ventilschäften eingesetzt. Da die beiden Werkstoffe im plastischen Bereich ein ähnliches Warmfestigkeitsverhalten aufweisen, Das Prozessfenster ist groß und die Verbindungsqualität ist innerhalb dieses Fensters unproblematisch. An der Grenzfläche bildet sich eine dünne, duktile Diffusionszone anstelle einer spröden intermetallischen Schicht, und die Wärmebehandlung der Kohlenstoffstahlseite nach dem Schweißen schädigt die Edelstahlseite nicht.

Stahl-Aluminium (das leichte Paar)

Die Stahl-Aluminium-Kombination, die 2026 im Fokus stehen sollte, ist die wichtigste Verbindung. Ihr Haupteinsatzgebiet ist die Rotorwelle von Elektrofahrzeugen. Hier wird ein leitfähiges Aluminiumende (typischerweise 6061-T6 oder eine ähnliche ausgehärtete Legierung) mit einem hochfesten Stahlantriebsteil verbunden, um elektrische Leitfähigkeit an einem Ende mit Torsionsfestigkeit am anderen zu kombinieren. Diese Kombination findet auch Verwendung in leichten Antriebskomponenten und in einigen Halterungen für die Luft- und Raumfahrt. Die Herausforderung besteht darin, dass Eisen und Aluminium eine Reihe spröder intermetallischer Verbindungen bilden – FeAl, Fe₃Al, FeAl₂ — bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium. Weil die intermetallische Schicht oberhalb von etwa 450°C rasch anwächst. Das Prozessfenster für das Reibschweißen dieser Materialkombination ist enger als bei Stahl-Edelstahl. Der Prozess muss so eingestellt werden, dass die Grenzfläche unterhalb des Bereichs schnellen Wachstums bleibt. Dies erfordert eine kürzere Reibzeit, ein engeres Stauchfenster und eine Schmiedekraft, die die Verbindung festigt, bevor die Schicht wachsen kann. Wird dieses Fenster verfehlt, versagt die Verbindung an der Grenzfläche unter Torsions- oder Stoßbelastung, und die Bruchfläche ist die charakteristische glänzende intermetallische Ebene.

Stahl-Kupfer (das Leiterpaar)

Das Materialpaar, das in elektrischen und Erdungsanwendungen zum Einsatz kommt, ist Stahl-Kupfer. Die wichtigste Anwendung ist die Widerstandsschweißelektrode, bei der ein hochleitfähiges Kupferende (typischerweise C110 oder C122) mit einem Stahlkörper verbunden wird, um die elektrische Leistungsfähigkeit an der Schweißfläche mit der mechanischen Festigkeit am Halter zu kombinieren. Dieses Materialpaar wird auch in Schleifringen, Erdungswellen und einigen Stromschienen für die Leistungselektronik verwendet. Kupfer und Stahl weisen im plastischen Bereich ein sehr unterschiedliches Warmfestigkeitsverhalten auf – Kupfer erweicht früher und fließt leichter als Stahl –, was bedeutet, dass die Verformungsdynamik einer Stahl-Kupfer-Verbindung maßgeblich von der Kupferseite bestimmt wird. Da sowohl die Verbindungsfläche als auch die Wärmebehandlung nach dem Schweißen den Kontaktwiderstand an der Grenzfläche beeinflussen, Die Prüfung einer Stahl-Kupfer-Verbindung erfolgt üblicherweise durch eine Kombination aus Zugversuch, metallografischer Untersuchung und elektrischer Widerstandsmessung. Eine Verbindung, die den Zugversuch besteht, aber den Widerstandstest nicht besteht, weist eine unzureichende Verfestigung an der Grenzfläche auf.

03Prozessparameter, die die Bindungsqualität bestimmen

Der Reibschweißprozess hat vier Hauptparameter, die jeweils die Verbindungsqualität beeinflussen. Die folgende Tabelle zeigt die typischen industriellen Bereiche für jeden Parameter für die drei oben genannten Materialpaare. Der genaue Bereich hängt von der Teilegeometrie, der Maschinenkapazität und der Materialcharge ab. Daher dient die Tabelle als Ausgangspunkt für die technische Beratung und ersetzt nicht die Prozessqualifizierungsdokumentation des Lieferanten.

Referenzbereiche für industrielle Reibschweißmaschinen. Der genaue Bereich für ein bestimmtes Bauteil wird durch den Prozessqualifizierungsnachweis (PQR) des Lieferanten und die bauteilspezifische Verfahrensspezifikation (pWPS) festgelegt. ISO 15620 Und AWS C6.1Die

Der Zusammenhang zwischen den vier Hauptparametern und der Verbindungsqualität ist nicht linear. Die Drehzahl bestimmt die Wärmeeinbringungsrate; der Reibungsdruck die Wärmeerzeugungsrate pro Flächeneinheit; die Reibungszeit die gesamte Wärmeeinbringung und den Stauchweg; die Schmiedekraft verfestigt die Verbindung, bevor die intermetallische Schicht wachsen kann. Ein Lieferant, der nur einen Parameter isoliert angibt – „Wir arbeiten mit 1.500 U/min“ – ohne die anderen drei zu nennen, hat den Prozess nicht verinnerlicht. Die vier Werte müssen gemeinsam angegeben werden, und der Stauchweg muss für jede Verbindung gemessen und dokumentiert werden, da er der direkteste Indikator für die Verbindungsqualität während des Prozesses ist.

04Wo jedes Paar im Service gewinnt

Die Wahl zwischen Stahl und Edelstahl, Stahl und Aluminium sowie Stahl und Kupfer richtet sich nach der Anwendung, nicht nach den Präferenzen des Lieferanten. Die folgende Karte zeigt, wo die jeweilige Materialkombination im Industrie- und Mobilitätsbereich bis 2026 die optimale Lösung darstellt.

05Was kann an der Schnittstelle schiefgehen?

Die meisten Ausfälle von Reibschweißverbindungen sind äußerlich nicht sichtbar. Die Verbindung sieht einwandfrei aus, die Maße entsprechen den Spezifikationen und die Oberfläche ist korrekt geschliffen. Der Fehler befindet sich an der Kontaktfläche und lässt sich in der Regel auf eines von fünf Prozess- oder Materialproblemen zurückführen. Die folgende Liste ist nach der Häufigkeit ihres Auftretens in der Produktion geordnet.

1. Übermäßige intermetallische Schicht an der Grenzfläche. Am häufigsten tritt dieses Phänomen bei Stahl-Aluminium-Verbindungen auf, wenn die Reibungszeit zu lang oder der Stauchweg zu kurz war. Die Schicht ist hart, spröde und bildet unter Torsion oder Stoß eine Rissbildungsstelle. Sie ist nur im metallografischen Schliff sichtbar.
2. Unvollständige Konsolidierung an der Grenzfläche. Verursacht durch zu geringe Schmiedekraft oder zu kurze Stauchzeit. Die Verbindung besteht die Sichtprüfung, fällt jedoch bei Zug- oder Drehmomentprüfung durch. Aufgedeckt durch zerstörende mechanische Prüfung von Probenverbindungen.
3. Oxid- oder Verunreinigungsschicht an der Grenzfläche. Verursacht durch unzureichende Oberflächenvorbereitung der Fügeflächen vor dem Schweißen. Die Oxid- oder Verunreinigungsschicht wirkt als Rissinitiierungsebene und verringert die effektive Fügefläche. Nachweisbar durch metallografische Schliffuntersuchungen und Ultraschallprüfungen an dicken Querschnitten.
4. Exzentrische Belastung beim Schweißen. Verursacht durch eine Fehlausrichtung der Spindel oder eine fehlerhafte Spannvorrichtung. Die Verbindung ist außen konzentrisch, innen jedoch exzentrisch, was zu ungleichmäßiger Stauchung und einer ungleichmäßigen Klebefläche führt. Erkannt durch Rundlaufmessung und metallografische Schliffuntersuchung.
5. Wärmebehandlung nach dem Schweißen, die die Grenzflächentemperaturgrenze überschreitet. Dieses Phänomen tritt am häufigsten bei Stahl-Aluminium-Verbindungen auf, wenn ein für die Stahlseite vorgesehener Anlassvorgang die Aluminiumseite überhitzt. Die Aluminiumseite altert übermäßig, die intermetallische Schicht wächst, und die mechanischen Eigenschaften der Verbindung verschlechtern sich. Nachweisbar ist dies durch Härteprüfungen beider Seiten und durch metallografische Schliffuntersuchungen.

Die ehrliche Liste: Jeder der oben aufgeführten Mängel ist von außen an einer fertigen Welle nicht sichtbar. Sie lassen sich nur durch ein dokumentiertes Prüfverfahren mit stichprobenartiger metallografischer Untersuchung aufdecken. Ein Lieferant, der keine Proben von Verbindungen untersucht, verlässt sich ausschließlich auf die Sichtprüfung.

06Spezifizierung einer reibgeschweißten Welle

Der untenstehende Spezifikationsblock enthält die minimalen Informationen, die ein Käufer einem Reibschweißlieferanten übermitteln sollte. Füllen Sie ihn aus, senden Sie ihn zusammen mit der Teilezeichnung, und der Lieferant kann Ihnen innerhalb einer Woche eine Frage zur Prozessqualifizierung oder ein Angebot zukommen lassen. Dieser Block ist für alle drei in diesem Leitfaden behandelten Materialpaare gültig.

07Was ein Käufer den Lieferanten fragen sollte

Acht Fragen, die die Prozesskompetenz des Lieferanten in 15 Minuten aufdecken. Nutzen Sie sie im ersten Gespräch; die Antworten entscheiden darüber, ob es sich um einen Lieferanten von Reibschweißanlagen handelt oder ob es sich lediglich um eine Maschinenwerkstatt handelt, die über eine Reibschweißmaschine verfügt.

1. Welchen maximalen Durchmesser und welche maximale Länge kann Ihre Maschine zum Schweißen von Werkstücken zulassen? Dies legt den Bauteilrahmen fest. Ein Lieferant mit einer einzigen 200-kN-Maschine kann kein Angebot für eine Welle mit 300 mm Durchmesser abgeben.
2. Welche Materialpaare haben Sie an dieser Maschine qualifiziert? Ein Lieferant, der seit 15 Jahren Stahl mit Edelstahl verschweißt, ist nicht automatisch für Stahl-Aluminium-Verbindungen qualifiziert. Die Prozessfenster und die Prüfanforderungen sind unterschiedlich.
3. Können Sie ein Beispiel für einen Verfahrensqualifizierungsbericht (PQR) für dieses Materialpaar zur Verfügung stellen? Ein Schweißqualitätsnachweis (PQR) belegt, dass der Lieferant die Schweißverbindung gemäß den definierten mechanischen und metallurgischen Standards herstellen kann. Ein Lieferant ohne PQR für das jeweilige Bauteilpaar arbeitet nach bewährten Verfahren, nicht nach einem qualifizierten Verfahren.
4. Wie messen Sie die Abweichung von der Abweichung während des Prozesses, und wie sieht Ihr Akzeptanzbereich aus? Die Stauchdistanz ist der direkteste Indikator für die Qualität der Verbindung während des Produktionsprozesses. Ein Lieferant, der diese Distanz nicht misst und dokumentiert, arbeitet im Blindflug.
5. Wie hoch ist Ihre Probenahmerate für metallographische Schliffe, und welches Akzeptanzkriterium gilt für die intermetallische Schicht bei einer Stahl-Aluminium-Verbindung? Diese Frage ist der Lackmustest für Verbindungen zwischen Stahl und Aluminium. Ein Lieferant, der keine Querschnittsproben entnimmt, hat Sprödbruchprobleme bisher nicht erkannt.
6. Welchen Wärmebehandlungszyklus wenden Sie nach dem Schweißen an und wie kontrollieren Sie die Grenzflächentemperatur bei einer Stahl-Aluminium-Verbindung? Ein standardmäßiger Härte- und Anlassprozess auf der Stahlseite führt zu einer Überhitzung der Aluminiumseite, wenn er nicht gezielt gesteuert wird. Der Lieferant sollte den Prozess und die Temperaturüberwachung beschreiben können.
7. Können Sie einen Drehmomentprüfbericht für eine Musterverbindung bei dem für die Anwendung vorgesehenen Drehmoment zuzüglich eines definierten Sicherheitsfaktors bereitstellen? Ein Zugversuch ist eine grundlegende Überprüfung. Entscheidend ist jedoch der Drehmomenttest mit dem für die Anwendung vorgesehenen Drehmoment. Der Lieferant sollte diesen Test an einer Musterverbindung vor der Serienproduktion durchführen können.
8. Wie sieht Ihr Verfahren zur Gratentfernung und Nachbearbeitung nach dem Schweißen aus, und wie schützen Sie die Schweißnaht während der Bearbeitung? Das Entfernen des Schweißgrats und die Nachbearbeitung führen zu Eigenspannungen. Der Lieferant sollte die Arbeitsreihenfolge und die Werkzeugwege beschreiben können, die die Grenzfläche außerhalb der hochbeanspruchten Bearbeitungszone halten.

Fragen, die Ingenieure stellen, bevor sie eine Verbindung abnehmen