Development of an experimentally supported Friction Stir Welding model for predicting the strength of dissimilar joints based on the example of aluminum-steel joints
Plastics Engineering
Mechanical Process Engineering
Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsvorhabens war es, ausgehend von einem experimentell validierten, kontinuumsmechanischen Simulationsmodell des Rührreibschweißprozesses, die Geometrie und Werkstoffeigenschaften der einzelnen Schweißnahtzonen zu ermitteln. Aus den Ergebnissen dieser Prozesssimulation wurde, unter Anpassung eines schädigungsmechanischen Ansatzes zur Beschreibung des Werkstoffversagens, in einer weiteren Simulation das Versagensverhalten und die Festigkeit der Schweißverbindung vorhergesagt. Der Rührreibschweißprozess wird von verschiedenen nichtlinearen und wechselwirkenden Vorgängen dominiert. Um diese adäquat abbilden zu können wurde die Coupled-Eulerian- Lagrangian-(CEL-)Methode für die numerische Verfahrensmodellierung ausgewählt. Das entwickelte Modell umfasst das Rührreibschweißwerkzeug und den Gegenhalter, welche als Starrkörper modelliert sind und einen Ausschnitt des zu schweißenden Werkstücks, das als teilgefüllter Eulerraum formuliert ist. Die Simulation erlaubt, neben der Auswertung von Kräften und Momenten auf das Werkzeug sowie der Darstellung des Temperaturfelds und von Temperaturverläufen, auch die Betrachtung der Verformung beim Schweißprozess. Für die Fließkurvenapproximation bei der Simulation wurde ein experimentell gestütztes Werkstoffmodell entwickelt, welches den gesamten, im Rührreibschweißprozess auftretenden Dehnraten- und Temperaturbereich adäquat abbildet. Dabei wurden insbesondere das Vorhandensein echter Plastizität im Sinne einer Dehn- und Streckgrenze sowie auch eine Dehnratenabhängigkeit der Formänderungsfestigkeit und die temperaturabhängige Erweichung des Werkstoffs berücksichtigt. Die durch die Simulation errechneten Temperaturen sowie die Reaktionskräfte auf das Werkzeug in Vorschubrichtung weisen eine gute Vergleichbarkeit zu den Vergleichsdaten aus Realversuchen auf. Auch der Trend zu geringeren Axialkräften bei höherer Werkzeugdrehzahl wird durch das Modell wiedergegeben. Bei den Absolutwerten der Axialkräfte und der Vorschubabhängigkeit der Prozesstemperatur ergab sich jedoch eine gewisse Diskrepanz zwischen Experiment und Simulation, welche insbesondere auf das noch nicht vollständig ausgereifte Reibmodell und die thermische Kontaktmodellierung zurückgeführt wurden. Um das Verformungs- und Versagensverhalten von Rührreibschweißverbindungen aus Aluminium beschreiben zu können, wurden schädigungsmechanische Simulationen durchgeführt. Fließkurven und schädigungsmechanische Parameter der einzelnen Schweißnahtzonen wurden mithilfe gekerbter Flachzugproben experimentell ermittelt. Durch die schädigungsmechanischen Simulationen kann das Verformungs- und Bruchverhalten für die Rührreibschweißverbindungen für beide Werkstoffe abgebildet werden. Die Simulationen ermöglichen eine gute qualitative und quantitative Beschreibung der realen Schweißnähte bezogen auf das Last-Verlängerungsverhalten, die Bruchposition sowie die auftretenden Dehnungen.
Publications
- Friction stir welded and deep drawn multi-material tailor welded blanks. Materials Testing, 2019, 61. Jg., Nr. 7, S. 643-651
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Werz, M.
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Werz, M.; Weihe, S.
(See online at https://doi.org/10.1007/s35726-019-0058-3) - Research on the fatigue resistance of weld ends. Materials Testing, 2020, 62. Jg., Nr. 5, S. 465-470
Oßwald, A.; Werz, M.; Weihe, S.
(See online at https://doi.org/10.3139/120.111505)
