Entwicklung eines experimentell gestützten Rührreibschweißmodells zur Festigkeitsvorhersage von Mischverbindungen am Beispiel von Aluminium-Stahl-Verbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Kunststofftechnik ; Mechanische Verfahrenstechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318360086

Rührreibschweißen ist ein Spezialfall des Reibschweißens, bei dem die Fügepartner keine Relativbewegung zueinander ausführen. Ein rotierendes Schweißwerkzeug dringt in die Fügepartner ein und wird entlang der Fügelinie verfahren. Durch die Einwirkung des Werkzeugs wird der Werkstoff erwärmt, plastifiziert und hinter das Werkzeug transportiert, wodurch die Schweißnaht gebildet wird. Die Festigkeit der Schweißnaht ergibt sich aus deren Geometrie und der thermomechanischen Behandlung der Werkstoffe während des Schweißprozesses.Zur Beschreibung des Schweißprozesses von gleichartigen Verbindungen wurde bereits eine Vielzahl an unterschiedlichen Prozessmodellen entwickelt. Ein Prozessmodell für den Rührreibschweißprozess von unterschiedlichen Metallen existiert bislang jedoch nicht, daher können die Festigkeitseigenschaften von Mischverbindungen lediglich experimentell bestimmt werden.Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines numerischen Modells zur Vorhersage der Festigkeitseigenschaften und des Versagensverhaltens von Rührreibschweißverbindungen in Abhängigkeit der Schweißparameter für unterschiedliche Metalle. Das Modell wird am Beispiel der technisch relevanten Kombination Aluminium-Stahl entwickelt.Zum Erreichen dieses Ziels wird ein dreiteiliges Vorgehen angewandt.Im ersten Schritt, dem Schweißprozessmodell, wird der Rührreibschweißprozess mit dehnungs-, dehnraten- und temperaturabhängigen Werkstoffmodellen kontinuumsmechanisch abgebildet. Um die großen Verformungen sowie die Interaktion der unterschiedlichen Werkstoffe als Mehrphasenproblem simulieren zu können, müssen besonders komplexe Berechnungsmethoden angewendet werden. Die für die anschließenden Schritte relevanten Ergebnisse sind die resultierende Schweißnahtgeometrie sowie die zeitabhängigen Temperatur- und Dehnungsfelder in beiden Werkstoffphasen.Im anschließenden Schritt wird ein Schädigungsmodell angepasst mit dem der Zusammenhang zwischen der thermomechanischen Behandlung der Werkstoffe während des Rührreibschweißprozesses, den daraus resultierenden Gefügeänderungen und dem lokalen Verformungs- und Versagensverhalten beschrieben wird. Auf Basis des Prozessmodells werden in den Referenzschweißnähten Bereiche ähnlicher thermomechanischer Behandlung ermittelt. Aus diesen Bereichen werden Werkstoffproben entnommen und zur Justierung des Schädigungsmodells experimentell untersucht.Im letzten Schritt werden die Ergebnisse der vorangegangenen Schritte zu einem Festigkeitsmodell der Schweißnaht zusammengeführt. Das Versagensverhalten der im Prozessmodell ermittelten Schweißnaht wird mit den schädigungsmechanischen Modellen bestimmt. Die numerisch ermittelten Festigkeitseigenschaften der Schweißverbindung werden anhand von Zugversuchen an Schweißnahtproben validiert.Mit dem Gesamtmodell können die Geometrie und Festigkeitseigenschaften von Mischverbindungen ausgehend von den Prozesseingangsgrößen des Schweißprozesses vorhergesagt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen