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Abschlussbericht zum Projekt "Ressourcenschonende Mischschweißverbindungen für Hochleistungs-Leichtbauverbunde"
(Stuttgart : Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart, 2018) Panzer, Florian; Werz, Martin; Nguyen, Phuc Lanh; Schneider, Matthias; Weihe, Stefan; Liewald, Mathias
Im Rahmen des Projektes wurde das Rührreibschweißen als ressourceneffizientes und umweltfreundliches Fertigungsverfahren zur Herstellung von beanspruchungs- und gewichtsoptimierten Automobilbauteilen erforscht. Dabei galt es, Aluminium und Stahl in verschiedenen Dicken durch Rührreibschweißen zu fügen und durch anschließendes Umformen zum End- bzw. Zwischenprodukt umzuformen. Die auf die Festigkeiten der Werkstoffe angepassten Blechdicken führen zu einer optimalen Ausnutzung der Werkstoffe, da an jeder Stelle der Werkstoff verwendet werden kann, der die lokalen Anforderungen am besten erfüllt. Durch den Einsatz dieser sogenannten Tailor Welded Blanks sinkt der Werkstoffverbrauch insgesamt und es können auf Leichtbau optimierte Bauteile hergestellt werden. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Aluminium- und Stahlgüten in unterschiedlichen Dicken durch Rührreibschweißen gefügt und die Festigkeits- sowie Umformeigenschaften ermittelt. Da die Einhaltung von engen Toleranzen mit hohen Kosten in der Fertigung einhergeht, wurden die für den Prozess notwendigen Toleranzen untersucht, Lösungen zum Umgang mit diesen Toleranzen erarbeitet und Anforderungen an Anlagen zur Produktion von Tailor Welded Blanks identifiziert. Zudem wurde das Umformen von Blechen mit unterschiedlichen Materialen und Blechdicken untersucht. Darüber hinaus wurde eine Reihe weiterer Themen wie das Verschweißen von Gusswerkstoffen und Wärmebehandlungsstrategien beleuchtet. Abschließend wurden Demonstratorbauteile in Form von Tailor Welded Blanks in Aluminium-Stahl- Mischbauweise durch Rührreibschweißen und anschließendes Umformen gefertigt.
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Experimentelle und numerische Analyse der dynamischen Kräfte beim Rührreibschweißen für ein verbessertes Prozessverständnis
(Stuttgart : Materialprüfungsanstalt (MPA), Universität Stuttgart, 2025) Panzer, Florian; Weihe, Stefan (Prof. Dr.-Ing.)
Rührreibschweißen ist ein Festkörperfügeverfahren, mit dem Leichtmetalle wie Aluminium effizient gefügt werden können. Die hohe Qualität der Schweißnähte, sowie die Möglichkeit, artfremde Werkstoffe verbinden zu können, macht das Verfahren prädestiniert für Leichtbauanwendungen. Die Bewegung des Werkzeuges im Material während des Schweißprozesses führt zu Prozesskräften. Die Kräfte haben einen statischen Teil, der von dynamischen Anteilen überlagert wird. Zudem zeigen die Schweißnähte eine periodische Bandstruktur auf der Oberfläche auf. Die Ursachen für die dynamischen Kraftverläufe und Entstehung der Bandstruktur sind nicht abschließend verstanden. Für eine klar strukturierte Analyse dieser Fragestellung wurden deshalb Hypothesen für die Gründe der Kraftverläufe aufgestellt und numerisch sowie experimentell untersucht. Für die numerischen Untersuchungen wurde ein thermomechanisch gekoppeltes, explizites Finite Elemente-Prozessmodell aufgebaut. Zur Behandlung der beim Rührreibschweißen auftretenden großen Verformungen kommt die Coupled Eulerian-Lagrangian-Methode zum Einsatz. Das Modell umfasst nicht nur den Prozess bestehend aus Werkzeug und Werkstoff, sondern auch die Schweißmaschine in abstrahierter Form mit relevanten Eigenschaften. Für die Beschreibung des Materialverhaltens in Abhängigkeit von Dehnung, Dehnrate und Temperatur wurde ein physikalisch-basiertes Materialmodell entwickelt, kalibriert und implementiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die periodischen Kraftverläufe beim Rührreibschweißen wesentlich vom einem exzentrisch, aus der perfekten Drehachse laufenden Werkzeug erzeugt werden. Der Werkzeugversatz zeigt sich auch für die typische Bandstruktur der Schweißnähte verantwortlich. Die Kraftverläufe und Nahtstruktur können darüber hinaus von Werkzeuggeometrie oder Prozessunregelmäßigkeiten beeinflusst werden. Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen der Schweißnähte korrelieren mit Sprüngen in den Kraftverläufen. In weiteren Untersuchungen wurde der Einfluss der Maschine auf den Schweißprozess und die Wechselwirkung zwischen beiden analysiert. Dabei wurden die minimal notwendigen Maschinensteifigkeiten für einen erfolgreichen Schweißprozess identifiziert. Weiterhin zeigen die Ergebnisse, dass das System aus Prozess und Maschine kein instabiles Verhalten aufweist. Basierend auf der Annahme, dass eine Schweißnaht mit guter Qualität einen regelmäßigen periodischen Kraftverlauf aufweist und Unregelmäßigkeiten zu Sprüngen in den Verläufen führen, wurde ein Algorithmus zur Analyse der Kraftverläufe entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Identifikation von Schweißnähten mit Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche möglich ist. Für die umfassende Identifikation von Schweißfehlern ist neben einer Kraftmessung der Einsatz weiterer Sensorik notwendig. Zur Korrelation von Schweißnahtfehlern und Kraftverläufen und Gewinnung eines physikalischen Prozessverständnisses wurde das numerische Modell eingesetzt.
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Friction stir welded and deep drawn multi-material tailor welded blanks
(2019) Panzer, Florian; Schneider, Matthias; Werz, Martin; Weihe, Stefan
The ever increasing demand for more resource-efficient and safer vehicles in today’s automotive industry makes lightweight construction techniques necessary. However, overcoming contradicting requirements arising from lightweight design and safety remains a challenging task. The extent to which lightweight measures can be applied in order to save fuel, heavily depends on the fact that rising safety requirements have to be met by increasing strength of parts. This contradicting demand for parts with high strength and low weight leads to the development of new production technologies. One example, regarding car body components, is the tailor welded blank (TWB) technology. In tailor welded blanks, materials and thicknesses are locally adapted to meet the needed strength and strain properties while keeping the weight as low as possible. While tailor welded blanks consisting of similar materials with different thicknesses are already used in vehicles, the use of TWBs with dissimilar materials, e.g. steel and aluminum, is still in development due to the problems in joining dissimilar materials. Especially when manufacturing parts made of TWBs through joining and subsequent deep drawing, the joint needs to have very good strength properties in order not to fail during forming. One way to overcome these joining difficulties is friction stir welding. In this paper, a methodology is presented to produce multi-material tailor welded blanks with varying thicknesses through friction stir welding (FSW) and deep drawing in a subsequent step. A newly developed FSW joint configuration is used to weld steel sheets in 1 mm thickness to 2 mm thick aluminum sheets. A welding parameter study is conducted to investigate the influence of the process parameters on the joint quality. Tensile and Nakajima tests show that the joint strength, obtained with optimal process parameters, exceeds the strength of the steel base material. Thus, failure occurs in the steel, whereas the joint remains intact. The friction stir welded blanks were furthermore deep drawn. Two different tool approaches were tested to compensate the different sheet thicknesses during the forming process. Using the more suitable approach, blanks were deep drawn with three different punch geometries to show the potential of friction stir welding for the manufacturing of multi-material tailor welded blanks.
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A physically based material model for the simulation of friction stir welding
(2020) Panzer, Florian; Shishova, Elizaveta; Werz, Martin; Weihe, Stefan; Eberhard, Peter; Schmauder, Siegfried
A physically based material model, taking into account the interdependence of material microstructure and yield strength, is presented for an Al 5182 series aluminum alloy for the simulation of friction stir welding using continuum mechanics approaches. A microstructure evolution equation considering dislocation density and grain size is used in conjunction with a description of yield stress. In order to fit experimental stress-strain curves, obtained from compression tests at various strain rates and temperatures, phenomenological relationships are developed for some of the model parameters. The material model is implemented in smoothed particle hydrodynamic research code as well as in the commercial finite element code Abaqus. Simulations for various strain rates and temperatures were performed and compared with experimental results as well as between the two discretization methods in order to verify the material model and the implementation. Simulations provide not only an accurate approximation of stress based on temperature, strain rate, and strain but also an improved insight into the microstructural evolution of the material.
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Reversible inter-particle bonding in SPH for improved simulation of friction stir welding
(2022) Shishova, Elizaveta; Panzer, Florian; Werz, Martin; Eberhard, Peter
Friction stir welding (FSW) is a complex joining process which is governed by multiple intertwined physical phenomena. Besides friction, inelastic heat generation, and heat conduction, it involves high plastic deformations, resulting in a need for a numerical method being able to handle all these. Such a scheme is smoothed particle hydrodynamics (SPH), which is a mesh-free computational technique. Absence of a fixed mesh results in the ability of the method to deal with another challenge of friction stir welding, a coalescence of initially separate workpieces into one due to bonding mechanisms. The background of this phenomenon is a transition from contact between two pieces to one continuum due to enormous changes in several material condition, such as temperature, pressure, strain, and strain rate. This work deals with a new development related to bonding, which will provide deeper understanding about the physical weld formation during FSW. The SPH framework must be extended to consider this bonding mechanism. This involves the bonding criterion definition, the interaction type change, and the SPH-SPH contact formulation. Then, the implementation is tested for two different examples, a compression test and FSW.