Untersuchungen zu Entstehungsmechanismen von Hohlräumen beim Rührreibschweißen anhand mathematischer Modellierung und experimenteller Methoden basierend auf der Spannungszustand-Hypothese

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe Reisgen
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 386865820

Die Anwendung des Rührreibschweißens (FSW) in der Praxis, inklusive der konduktiv unterstützten Prozessvariante (EAFSW), zeigt, dass innere Schweißnahtfehler in Form von Hohlräumen auftreten können, welche die mechanischen Eigenschaften der Rührreibschweißverbindungen stark beeinflussen. Die Gründe für die Entstehung von Hohlräumen sind bisher unklar und erfordern eine detaillierte Erforschung von Besonderheiten bei der Bildung der plastischen Zone einer Rührreibschweißnaht sowie eine Analyse des entsprechenden Spannungszustandes.Die bisher durchgeführten Forschungsarbeiten zur Ausbildung der Rührzone, die auf den physikalisch-mathematischen Modellierungen basieren, geben keine Erklärung oder Nennung der Gründe für das Auftreten von Hohlräumen, nicht zuletzt deswegen, weil die Deformationszustände des Materials in der Rührzone unbekannt sind, und die Standardprüfverfahren, solche wie Warm-Druckversuche, Warm-Torsionsversuche und Hopkinson-Bar-Versuche, die Ermittlung der Deformationseigenschaften (Dehnungsrate, dynamische Viskosität etc.) nicht zulassen.Das Ziel des Projektes liegt in der Formulierung von allgemeinen Kriterien, die zur Bildung von Hohlräumen in der Rührzone während des Schweißprozesses (FSW, EAFSW) führen, sowohl auf Grundlage einer detaillierten Untersuchung der inneren Materialspannungen, als auch auf Basis der Spannungszustand-Hypothese. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein komplexes thermo-mechanisches Modell des Schweißprozesses (FSW, EAFSW) entwickelt, welches thermische und mechanische Phänomene, solche wie Wärmeerzeugung, Wärmeübertragung, plastische Verformung und viskose Strömung beschreibt. Das Modell wird die realen Betriebsparameter des Schweißens (FSW, EAFSW), die temperaturabhängigen thermophysikalischen und verformungstechnischen Eigenschaften des Materials unter den Schweißprozess-Bedingungen in Betracht ziehen sowie die durch das Schweißwerkzeug verursachten plastischen Dehnungen, die Wärmeerzeugung, den Wärme- und Massentransfer im Schweißwerkstück als Ergebnis liefern.Die temperaturabhängigen thermophysikalischen Eigenschaften der Materialien (Werkzeug, Werkstück, Schweißunterlage), welche für das Modell benötigt werden, werden aus der internen ISF-Datenbank und Literatur entnommen. Die mechanischen Eigenschaften des Metalls in der plastischen Zone werden aus schweißprozessähnlichen Versuchen mit Auswertung der experimentellen Daten durch ein Berechnungsverfahren gewonnen. Nach Kalibrierung und Verifizierung wird das entwickelte Rührreibschweißmodell die Berechnung der folgenden Grundcharakteristiken von dickflüssigen Materialströmungen der Rührzone ermöglichen: Strömungsgeschwindigkeitsverteilung, Dehnungsraten und Verteilung von inneren Materialspannungen in der Rührzone. Auf Grundlage der vorgeschlagenen Spannungszustand-Hypothese und ausführlicher Analyse der erhaltenen Verteilungen von Druck- und Zugspannungen wird es möglich sein, allgemeine Kriterien für die Bildung von Hohlräumen zu formulieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen