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Item Open Access Lebensdauerbewertung dickwandiger Bauteile aus Nickelbasislegierungen unter betriebsnahen Beanspruchungen(2015) Hüggenberg, Daniel; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) soll in Deutschland bis zum Jahr 2050 der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromerzeugung auf 80% gesteigert werden. Deshalb werden konventionelle Kraftwerke weniger zur Deckung der Grundlastversorgung, sondern vielmehr zur Deckung der Mittel- und Spitzenlastversorgung eingesetzt. Dies bedeutet für die Anlagen, dass diese einerseits für kürzere Zeiten stationär betrieben werden und andererseits deutlich häufiger mit hohen Laständerungsgeschwindigkeiten an- und abgefahren werden, um die Erzeugungslücken der erneuerbaren Energien zu decken. Dies führt dazu, dass die Komponenten verstärkt einer überlagerten Beanspruchung aus Kriechen und Ermüdung ausgesetzt sind, welche einen Lebensdauer verkürzenden Einfluss hat. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Lebensdauerbewertung von kriechermüdungsbeanspruchten dickwandigen Komponenten aus den Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 auf der Basis numerischer phänomenologischer Ansätze sowie Ansätzen gängiger Regelwerke/Empfehlungen zu entwickeln und zu verifizieren. Explizit liegt der Fokus auf zwei Komponenten der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II), einem Sammler aus Alloy 617 mod. und Alloy 263 sowie einem Halbkugelformstück aus Alloy 617 mod.. Zur Grundcharakterisierung der in HWT II verwendeten Schmelzen der Nickelbasislegierungen sind bei Prüftemperaturen im Bereich von 20°C bis 725°C einachsige Zugversuche, (Kriech-)ermüdungsversuche, Zeitstandversuche sowie Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt worden. Der Vergleich der Versuchsergebnisse mit den Vorgaben der Werkstoffdatenblätter und den Ergebnissen der Forschungsvorhaben COORETEC DE4, MARCKO DE2 und MARCKO700 zeigte für beide Nickelbasislegierungen mit Ausnahme der Zeitstandversuchsergebnisse des Alloy 617 mod. keine Auffälligkeiten. Bei den Ergebnissen der Zeitstandversuche an der HWT II-Schmelze des Alloy 617 mod. konnten Abweichungen hinsichtlich des Verformungs- und Schädigungsverhalten identifiziert werden. Neben den Versuchen zur Grundcharakterisierung wurden komplexe Laborversuche zur Charakterisierung des Werkstoffverhaltens bei überlagerter Kriechermüdungsbeanspruchung sowie multiaxialen Spannungszuständen durchgeführt. Des Weiteren wurden zur Charakterisierung der Entwicklung der Mikrostruktur, des Ausscheidungsverhaltens sowie der Versetzungsstruktur für beide Nickelbasislegierungen am Material im Ausgangszustand und im kriech- bzw. kriechermüdungsbeanspruchten Zustand metallographische Untersuchungen im Lichtmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Einordnung mit den Ergebnissen aus anderen Forschungsvorhaben verglichen und es konnten keine Abweichungen festgestellt werden. Um mit Hilfe von Finite-Elemente Simulationen das Verformungs- und Schädigungsverhalten bei Kriechermüdungsbeanspruchungen beschreiben zu können, wurde ein viskoplastisches Verformungsmodell mit integrierter Schädigungsformulierung nach Lemaitre verwendet. Die werkstoffabhängigen Modellparameter wurden anhand der Ergebnisse der Grundcharakterisierungsversuche für beide Nickelbasislegierungen angepasst. Zur Einordnung der Anpassungen wurden sämtliche Zeitstand und Ermüdungsversuche in FE-Simulationen nachgerechnet. Weiterhin erfolgte die Verifizierung der Modellanpassungen durch Nachrechnungen der komplexen Laborversuche. Aus den Vergleichen der Ergebnisse der Versuche und Simulationen ist zu identifizieren, dass sowohl das Verformungs- als auch das Schädigungsverhalten in guter Weise durch das viskoplastische Materialmodell mit den ermittelten Parametern beschrieben werden kann. Anhand von Nachrechnungen komplexer dickwandiger Bauteile (Sammler, Halbkugelformstück) unter realitätsnahen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass das im Rahmen dieser Arbeit an den Werkstoffen Alloy 617 mod. bzw. Alloy 263 angepasste Verformungs- und Lemaitre-Schädigungsmodell geeignet ist, um die anrissgefährdeten Stellen und die Lebensdauer bis zum Anriss vorherzusagen. Dies konnte anhand von Farbeindringprüfungen sowie Auswertungen der Bruchflächen des untersuchten Sammlers belegt werden. Für die Lebensdauerwertungen wurden darüber hinaus noch die Bewertungsansätze nach der europäischen DIN EN 12952-3/4, der amerikanischen ASME Section III Division 1 Subsection NH, der französischen RCC-MR RB 3262.12 und der britischen R5 Empfehlungen Volume 2/3 angewendet. Dabei zeigte sich, dass die Ansätze nach ASME und RCC-MR aufgrund sehr konservativer Vorhersagen und die Ansätze nach R5 und DIN EN 12952 aufgrund nicht konservativer Vorhersagen für die Nickelbasislegierungen Alloy 617 mod. und Alloy 263 nicht geeignet sind.Item Open Access Strategie zur Verminderung von Emissionen aus Flanschverbindungen(2015) Schaaf, Manfred; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Stetig steigende Anforderungen an die Dichtheit von Flanschverbindungen bzw. an die Begrenzung von flüchtigen Emissionen stellen immer neue Herausforderungen an Betreiber aller Industrieanlagen, insbesondere in der chemischen und petrochemischen Industrie. Nationale oder europäische Regelwerke bieten hinsichtlich der Umsetzung dieser Umweltschutzziele nur unzureichend genaue Angaben, so dass die Betreiber immer zu individuellen Lösungen für ihren Standort tendieren. Ziel der vorliegenden Arbeit soll es daher sein, die Grundlage zur Ergänzung der betreffenden Normen und Richtlinien zu erarbeiten, damit zukünftig ein umfassendes, einheitliches und akzeptiertes Verfahren zur Begrenzung von Emissionen aus Flanschverbindungen zur Verfügung steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden diverse Weiterentwicklungen der Prüfeinrichtungen zur Ermittlung von Dichtungskennwerten realisiert, die die Genauigkeit der ermittelten Kennwerte erhöhen und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse steigern. Durch neu entwickelte Auswertealgorithmen mit Hilfe von gebrochen rationalen Funktionen können die Dichtungseigenschaften über wenige Parameter in Abhängigkeit von den Prüfparametern charakterisiert werden. Eine solche Beschreibung der Kennwerte bringt bei der Anwendung in der Berechnung von Flanschverbindungen letztendlich deutliche Vorteile, da im Prinzip für jeden beliebigen Zustand die zugehörigen Dichtungskennwerte aus diesen Näherungsfunktionen ermittelt werden können. Dies ist nicht nur für analytische Berechnungsverfahren wie EN 1591-1, sondern auch für Finite Elemente Berechnungen von großer Bedeutung, da somit die elastoplastischen Verformungseigenschaften realitätsnah abgebildet werden können. Bei der Durchführung der Kriech-/Relaxationsversuche können die größten Vereinfachungen umgesetzt werden. Aus einhüllenden Verformungskurven bei Raumtemperatur und bei Betriebstemperatur und der nominellen Dichtungshöhe kann das Setzen der Dichtung für jede Steifigkeit der Flanschverbindung berechnet werden. Die experimentell gewonnenen Erkenntnisse bei der Kennwertermittlung wurden in der vorliegenden Arbeit in den Berechnungsalgorithmus der EN 1591-1 integriert. Dies betrifft die Berücksichtigung der Verformung der Dichtung zur realistischen Abschätzung der Dichtungshöhe im Montagezustand genauso wie die modifizierte Definition des Kriech-/Relaxationsverhaltens der Dichtungen oder die Betrachtung der Abtragbarkeit von Querlasten über Reibung zwischen Dichtung und Flanschdichtflächen. Zentraler Punkt bei den rechnerischen Nachweisen ist aber die Bestimmung der Flanschblattneigung und der daraus resultierenden effektiv verpressten Dichtungsbreite. Hierbei wird nun erstmalig das reale Verformungsverhalten der Dichtung und die daraus resultierende Flächenpressungsverteilung über die Breite der Dichtung bei der Bestimmung einer effektiv verpressten Dichtungsgeometrie berücksichtigt. Der Begriff der effektiven Breite muss hierbei neu definiert werden. Es handelt sich nicht um den Teil der Dichtung, der mit den Dichtflächen in Kontakt steht, sondern durch die reduzierte effektive Breite wird vielmehr das Verformungsverhalten der Flansche bei der Annahme einer konstanten Flächenpressung realitätsnah wiedergegeben. Im Rahmen des Dichtheitsnachweises von Flanschverbindungen wird nicht nur gezeigt, dass die Mindestdichtungsflächenpressung in allen Betriebszuständen für die angestrebte Dichtheitsklasse nicht unterschritten wird, sondern dass ebenso ein genügend großer Sicherheitsabstand gegen das Ausblasen der Dichtung eingehalten wird. Im Rahmen der Verifikation der neuen analytischen Berechnungsalgorithmen zur Bestimmung der Flanschblattneigung, der effektiv verpressten Dichtungsbreite und der Flächenpressungsverteilung über die Dichtungsbreite wurde eine gute Übereinstimmung zu Finite Elemente Berechnungen nachgewiesen. Allerdings ist hierfür eine Modifikation des effektiven Lochkreisdurchmessers erforderlich, von dem aus der Hebelarm der wirkenden Dichtungskraft ermittelt wird. Die Ergebnisse bestätigen letztendlich auch die neue Begriffsdefinition der effektiven Breite der Dichtung, um das Verformungsverhalten der Flansche bei der Annahme einer konstanten Flächenpressung realitätsnah wiederzugeben. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mit der entwickelten mathematischen Darstellung der Dichtungscharakteristika und deren Integration in einen neuen analytischen Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung der auftretenden Verformungen das Auslegungsverfahren für Flanschverbindungen im Krafthauptschluss mit dem Ziel der Emissionsminderung wesentlich verbessert und auch vereinfacht werden kann.Item Open Access Numerische und experimentelle Untersuchungen von Keramik-Metall-Compoundrohren für die Hochtemperaturanwendung in Kraftwerksrohrleitungen(2015) Huang, Min; Maile, Karl (Prof. Dr.-Ing. habil.)In modernen Kraftwerken ist die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades ein wichtiges Ziel, das vor allem durch eine Erhöhung der Dampfparameter - Druck und Temperatur - erreicht werden kann. Druckgeräte, wie z.B. Rohrleitungen, die im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden, unterliegen einer Kriechbeanspruchung und werden nach der Zeitstandfestigkeit ausgelegt. Aufgrund des signifikanten materialspezifischen Kriechphänomens ist die Erhöhung der Dampfparameter eingeschränkt. Höhere Prozesstemperaturen und -innendruck sind nur möglich, wenn es gelingt, neue Werkstoffe oder Werkstoffverbunde mit verbesserten Kriecheigenschaften zu entwickeln. Keramische Fasern sowie die mit keramischer Matrix gefertigten Verbundwerkstoffe weisen eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit auf, allerdings sind die Verformungseigenschaften im Vergleich mit warmfesten Stählen relativ ungünstig. Für technische Anwendungen im Hochtemperaturbereich wurde daher ein neuartiges Konzept für drucktragende Rohre, bestehend aus einem Werkstoffverbund aus einem innenliegenden Stahlrohr - Liner, und einer äußeren Ummantelung aus keramischem Faserverbundwerkstoff - Jacket, untersucht. Die Kombination beider Materialien in einer optimierten Hybridstruktur ermöglicht die teilweise oder sogar vollständige Verlagerung der Beanspruchung vom metallischen Liner auf das keramische Verbundwerkstoff-Jacket. Das damit verhinderte Kriechen des Liners ermöglicht entweder eine erhebliche Lebensdauerverlängerung dieser Rohrleitungen oder eine zusätzliche Temperatur- bzw. Druckerhöhung. Dieses innovative Materialkonzept kann nicht nur für neue Komponenten mit höheren Betriebsparametern, sondern auch bei bereits vorhandenen Rohrleitungen für die Verlängerung der Lebensdauer angewendet werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Machbarkeit der Metall-Keramik-Compoundrohren nachzuweisen, das Konzept weiter zu entwickeln und die Anwendbarkeit bei einer Rohrleitung im Kraftwerk zu prüfen. Basis der Konzeptentwicklung ist die numerische Simulation und deren experimentelle Verifikation durch Modellversuche mit Kleinproben. Die durchgeführten numerischen und experimentellen Untersuchungen an Laborprüfkörpern haben die Wirksamkeit des Konzeptes - nämlich die Unterdrückung der Kriechdehnung im metallischen Partner - nachgewiesen. Des Weiteren wurden geeignete Messmethoden entwickelt, die zu der Charakterisierung des Verformung- und Versagensverhaltens in dem multifunktionalen System beitragen. Die durchgeführten Simulationen der Rohrleitungen mit Berücksichtigung der realen Dimensionen, inklusive der geraden Rohrleitungen und 90°-Rohrbogen, haben ebenfalls die Unterdrückung des Zeitstandverhaltens im Stahlrohr durch die Aufbringung einer keramischen Ummantelung gezeigt. Ein Feldversuch an einer Kraftwerksrohrleitung wurde durchgeführt, um die technische Machbarkeit zu demonstrieren, gerade Rohre mit großen Abmessungen zu ummanteln. Aussagen über die Lebensdauerverlängerung können aus dem Feldversuch noch nicht gezogen werden.Item Open Access Werkstoffuntersuchungen an Mischschweißverbindungen für den Einsatz in Turbinenwellen des 700 °C-Kraftwerks(2015) Krojer, Stefan; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Übergeordnete Ziele für fossil befeuerte Kraftwerke der neuesten Generation liegen in der Steigerung des thermischen Wirkungsgrades sowie in der Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen. Der Ansatz, dies unter anderem über eine Erhöhung der Dampfparameter Druck und Temperatur zu erreichen, erfordert eine gezielte, an die Betriebsbedingungen angepasste Werkstoffauswahl. Die zumindest mittelfristig angestrebten Dampfparameter von 350 bar und 720 °C überschreiten die Einsatzgrenze bisher verwendeter konventioneller Kraftwerksstähle teilweise deutlich. Daher stehen Nickelbasislegierungen als Werkstoffe für Kraftwerke der neuesten Generation im Fokus zahlreicher Forschungsarbeiten. Aufgrund technischer und wirtschaftlicher Überlegungen soll der Einsatz dieser Superlegierungen auf die mechanisch und thermisch höchstbeanspruchten Bereiche beschränkt werden. Dies betrifft auch die Turbinenwelle, die wegen ihrer großen Abmessung nicht vollständig aus Nickelbasis-Werkstoffen hergestellt werden soll. Ein vielversprechender Ansatz ist deshalb der Einsatz geschweißter Rotoren aus konventionellen martensitischen Turbinenwerkstoffen und Nickelbasislegierungen. Aus der Kombination zweier Werkstoffe mit stark unterschiedlichen mechanischen, thermischen und physikalischen Eigenschaften ergibt sich die Notwendigkeit einer umfangreichen Grundcharakterisierung solcher Mischschweißverbindungen. Auch die temperaturinduzierte Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Grundwerkstoffe in nahtnahen Bereichen wirkt sich auf das Schweißnahtverhalten bei hohen Temperaturen aus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgt die Grundcharakterisierung von vier nicht artgleichen Schweißverbindungen. Die Grundwerkstoffe sind jeweils ein 10 % Chromstahl und eine Nickelbasislegierung, als Schweißzusatzwerkstoff wird ein Nickelbasis-Schweißgut verwendet. Zum Vergleich werden die Ergebnisse früherer Untersuchungen an einer Referenzschweißverbindung herangezogen, deren Schweißnahtaufbau den vier untersuchten Verbindungen sehr ähnlich ist. Zugversuche bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglichen erste Rückschlüsse auf versagensrelevante Bereiche. Bei Temperaturen, die der vorgesehenen Einsatz-temperatur der Schweißnaht am nächsten sind, ist das Versagen häufig im 10 % Chromstahl oder im Übergangsbereich von Schweißgut zum 10 % Chromstahl zu beobachten. Unter Zeitstandbeanspruchung versagt ein Teil der untersuchten Schweißverbindungen auf der Seite des 10 % Chromstahls. Der dabei auftretende spannungs- und temperaturabhängige Bruchlagenwechsel vom Grundwerkstoff in die Wärmeeinflusszone ist auch für artgleiche Schweißverbindungsproben zu beobachten. Ein anderer Teil der untersuchten Verbindungen hingegen versagt durch einen verformungsarmen Zeitstandbruch in der Fusionslinie zwischen Schweißgut und 10 % Chromstahl. Dies korreliert mit Schadensbeschreibungen von sogenannten Schwarz-Weiß-Verbindungen, die nach langen Betriebszeiten durch einen verformungslosen Bruch in der Fusionslinie versagen. Zur weiteren Untersuchung der Versagensmechanismen beim Fusionslinienbruch werden mehrere Proben einer vom Fusionslinienbruch betroffenen Verbindung ausgiebig analysiert. Eine Verbindung wird auch unter zyklischer Beanspruchung geprüft und die Ergebnisse denen der Referenzschweißverbindung gegenübergestellt. Im Low Cycle Fatigue Bereich beeinflusst neben der Temperatur auch die Dehnungsamplitude die Anrissposition. Die Bruchlage unter hochzyklischer Beanspruchung hängt überwiegend von der Prüftemperatur ab. In der numerischen Simulation der Zeitstandversuche werden nach einer Materialparameterbestimmung neben der Modellierung der Wärmeeinflusszone auch die Eigenschaften des Schweißguts variiert und der Einfluss auf die Simulationsergebnisse dargestellt. Über die Korrelation zwischen Kriechschädigung und dem Spannungszustand wird die Entstehung des Bruchs auf Basis der Erkenntnisse aus den numerischen Simulationen beschrieben und mit den Bruchbildern aus den Experimenten verglichen. Zur numerischen Simulation des Low Cycle Fatigue Verhaltens wird ein Werkstoffmodell eingesetzt, das sowohl kinematische als auch isotrope Ver- und Entfestigungsvorgänge einzelner Werkstoffzonen der Schweißnahtprobe berücksichtigt. Für hohe Dehnungsamplituden können neben den Minimal- und Maximalspannungsverläufen über der Lastzyklenzahl auch die Spannungs-Dehnungs-Hysteresen gut abgebildet werden. Eine Auswertung der akkumulierten plastischen Dehnung erlaubt einen Rückschluss auf den zu erwartenden Versagensort. Die vorliegende Arbeit erweitert und vertieft die Versuchsdatenbasis zu artfremden Schweißverbindungen. Umfangreiche Untersuchungen ermöglichen eine genauere Beschreibung der Schädigungsmechanismen beim Fusionslinienbruch. Der Einsatz geeigneter Materialmodelle ermöglicht eine Korrelation von Versuchsergebnissen und numerischer Berechnung.Item Open Access Bewertung von geschweißten Kranbahnen unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung durch Radlasten(2015) Rettenmeier, Philipp; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung einer Bewertungsmethodik für Kranbahnen aus Stählen, die von Laufrädern der Krane zyklisch überrollt werden. Im Rahmen der Methodik erfolgt die Unterteilung der Gesamtlebensdauer in Anriss- und Risswachstumslebensdauer. Die Anrisslebensdauer wird mithilfe von lokalen Konzepten in Kombination mit der Methode der kritischen Schnittebene bewertet. Anschließend wird die Risswachstumslebensdauer durch numerische Verfahren der Bruchmechanik untersucht. Die Anwendung der Methodik erfolgt an Kranbahnen mit praxisrelevanten Abmessungen, die durch die zyklische Überrollung von Kranlaufrädern einer mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchung unterliegen. Zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Kranbahnen, die aus Walzträgern mit aufgeschweißten Schienen vorlagen, wurden Überrollversuche mit bewegter Radlast unter konstanter Belastung durchgeführt. Als Versagenskriterien wurden sowohl der „erste Durchriss“ der Schweißnähte als auch das vollständige „Ablösen der Schiene“ im Überrollbereich definiert. Die Schwingspielzahlen der Versagenskriterien wurden über Druckluftmessungen und zerstörungsfreie Prüfmethoden festgestellt. Aus den Bauteilen der Prüfträger wurden Laborproben für die statische und zyklische Werkstoffcharakterisierung entnommen. Das zyklische Werkstoffverhalten wurde mittels dehnungskontrollierter Ermüdungsversuche mit Proben aus dem Schweißgut und der Schiene ermittelt. Zudem wurden Risswachstumsraten anhand von Versuchen mit C(T)-Proben aus dem Schweißgut ermittelt. In fraktografischen Untersuchungen wurde gezeigt, dass die in den Schweißnähten detektierten Risse auf die Ermüdungsbeanspruchung zurückzuführen waren. In numerischen Untersuchungen wurde das Eigenspannungsfeld der untersuchten Prüfträger im Bereich der Schweißnähte berechnet und mit Ergebnissen von Messungen unter Verwendung der Bohrlochmethode überprüft. Die Ermittlung der linear-elastischen Bauteilbeanspruchung wurde mit dem Kerbspannungskonzept und dem Kerbradius von 1 mm durchgeführt. Um die elastisch-plastische Kerbgrundbeanspruchung zu berechnen, wurde der Kerbradius zu 0,05 mm modelliert, der an gemessene, lokale Nahtgeometrien angepasst wurde. Hierzu wurde im FE-Programm Abaqus ein Werkstoffmodell mit kinematischer Verfestigung an Ergebnisse der Ermüdungsversuche mit Laborproben angepasst. Zur Bewertung der Bauteilbeanspruchung wurden Schädigungsparameter mit Berücksichtigung von Beanspruchungsgradienten aus lokalen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen ermittelt. Die Berechnung der Anrissphase der Prüfträger bis zur Anrisstiefe von 1 mm erfolgte durch Vergleich mit einachsigen Schädigungsparameter-Mittelwertskurven, die aus den dehnungskontrollierten Ermüdungsversuchen abgeleitet wurden. Die Risswachstumsphase von der Anrisstiefe bis zum ersten Nahtdurchriss wurde durch Anwendung von bruchmechanischen Methoden bewertet. Mit der dargestellten Methodik wurde die Ermüdungsbewertung der untersuchten Prüfträger für das Versagenskriterium „erster Durchriss“ durchgeführt. Die zuvor berechneten Schwingspielzahlen der Anriss- und Risswachstumsphase wurden addiert und durch Gegenüberstellung mit Versuchsergebnissen überprüft. Es wurde festgestellt, dass die berechneten Ergebnisse im Streubereich der Schwingspielzahlen der Überrollversuche lagen.Item Open Access Experimentelle, analytische und numerische Untersuchungen des Rührreibschweißprozesses(2016) Hoßfeld, Max; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Mit dem Rührreibschweißverfahren steht seit einigen Jahren eine Fügetechnologie zur Verfügung, mit der viele fügetechnische Problemstellungen speziell beim Fügen von Aluminiumlegierungen gelöst oder vermieden werden können. Mittels Rührreibschweißen können sämtliche Aluminiumlegierungen zuverlässig, hocheffizient und mit einem sehr hohen Verbindungswirkungsgrad gefügt werden. Dabei weisen rührreibgeschweißte Verbindungen bereits ohne Nachbehandlung sehr gute statische und zyklische Festigkeiten auf, welche meist deutlich über jenen von Schmelzschweißverfahren liegen. Darüber hinaus ist das Verfahren hoch automatisierbar und kann direkt modular in andere Fertigungsverfahren integriert werden, wodurch große wirtschaftliche und prozesstechnische Potentiale entstehen. Auf Grund dieser positiven Eigenschaften wurde Rührreibschweißen in den letzten Jahren sehr schnell vom Anwender angenommen und findet aktuell eine rasche Verbreitung in den verschiedensten Branchen. Dabei erfolgte die Übernahme des Prozesses teils erheblich schneller als Forschung wie auch Anwendungsentwicklung der anwenderseitigen Umsetzung durch eine grundlegende Beschreibung des Prozesses folgen konnten. Dies wiederum führte dazu, dass heute noch teilweise erhebliche Lücken in Verständnis und wissenschaftlicher Beschreibung selbst elementarer Bestandteile des Prozesses bestehen. Ziel dieser Arbeit ist daher, zum erweiterten Verständnis des Rührreibschweißprozesses, seiner Wirkmechanismen und Phänomene von den physikalischen Grundlagen bis hin zum Bauteilverhalten beizutragen. Hierfür wird auf ein dreigliedriges Vorgehen aus analytischer und experimenteller Charakterisierung sowie numerischer Modellierung zurückgegriffen. Dabei dienen die erstgenannten Inhalte als Basis zur physikalischen Beschreibung und Abgrenzung der Prozessphänomene und zur späteren numerischen Beschreibung. Diese soll durch eine detaillierte und physikalisch korrekte Wiedergabe den Zugang zu den nicht direkt beobachtbaren Prozessphänomenen in der Fügezone ermöglichen. Da der Rührreibschweißprozess wesentlich durch Wechselwirkungen von mechanischer Prozesswirkung und Werkstoffverhalten dominiert wird, erfolgt nach der Darstellung prozesstechnischen Grundlagen zunächst eine Charakterisierung und Modellierung der verwendeten Aluminiumlegierungen Al Mg4,5Mn0,4 und Al Mg1SiCu (EN AW-5182 und 6061) und ihrer relevanten physikalischen Größen bei prozesstypischen Bedingungen. Hierauf bauen die analytischen und experimentellen Untersuchungen des Prozesses auf. Die Charakteristiken des Prozesses werden zunächst anhand der Entwicklung von Prozessleistung und Streckenenergie mit Überdeckungsgrad und Einschweißtiefe diskutiert, wobei die selbststabilisierenden Eigenschaften des Prozesses, die Kontaktinitiierung und die Rückwirkung der statischen und dynamischen Kräfte auf die Anlagentechnik gesondert berücksichtigt werden. Aus der Summe dieser Untersuchungen wird die Wichtigkeit des Reibkontaktes zwischen Werkzeug und Werkstück für Wärmeeinbringung und Materialfluss deutlich. Diesen Ergebnissen entsprechend folgt eine isolierte Untersuchung anhand von etwa 130 Reibversuchen mittels Telemetriesystem bei gleichzeitiger Messung der Temperaturen am Kontakt, welche durch entsprechende Schweißversuche ergänzt werden. Dabei kann nach dem Reibübergang eine Mehrlagenscherung sowie ein mitrotierender Verformungszylinder am Schweißwerkzeug festgestellt werden. Durch den dann werkstoffmechanisch dominierten Reibkontakt wird es möglich, das Grundprinzip der Viskoplastizität respektive das Werkstoffmodell zur Beschreibung des Reibkontaktes zu nutzen, wodurch typischerweise nötige Annahmen entfallen können. Auf der Basis der Untersuchungen der mechanischen Prozessinitiierung baut in der Arbeit die Analyse der beiden zentralen Prozessphänomene Wärmehaushalt und Materialfluss auf. Zur Analyse des Wärmehaushaltes erfolgt zunächst eine analytische Abgrenzung anhand von physikalischer Bilanzierung und Grundgleichungen. Dem schließen sich Untersuchungen von Fügetemperatur, typischen Temperaturprofilen wie auch konduktivem und konvektivem Wärmetransport in der Fügezone an. Ein weiterer Fokus liegt auf der Beschreibung von Kontakt, Wärmeübertragung und -aufteilung zwischen Werkstück, Spindel und Spanntechnik in Abhängigkeit von Pressung und Temperatur. Eng verbunden mit diesen Inhalten ist die Untersuchung des Materialflusses. Für diesen werden zunächst die Rand- und Kontinuitätsbedingungen hergeleitet und analysiert. Danach erfolgt eine experimentelle Untersuchung anhand von Querschliffen, Mikrostrukturentwicklung sowie eingebrachten Kupferfolien. Deren Verteilung in der Schweißnaht wird für verschiedene Einschweißtiefen Computertomographie analysiert, wobei die Selbstähnlichkeit der Materialströmungsregime am Werkzeug aber auch deren unterschiedliche Ausprägungen in Abhängigkeit der Einschweißtiefen deutlich werden. Aus den Untersuchungen resultieren detaillierte Aussagen zur Formierung der Fügezone mit bandförmigen Strukturen und Ablage des Werkstoffes hinter dem Werkzeug. Im Kontext erfolgt eine gesonderte Berücksichtigung von Einflussgrößen wie Rundlauftoleranz der Spindel, Werkzeuggeometrie und Prozessparametern. Da die Formierung quasi aller Schweißimperfektionen auf einen unzureichenden Materialfluss zurückgeführt werden kann, erfolgt eine Darstellung typischer Schweißfehler und deren Ursachen. Dabei kann durch die Analyse hochdynamischer Kraftanteile ein Zugang zu den lokalen Prozessphänomenen und eine Basis für eine Methodik zur Onlinefehlerdetektion aufgezeigt werden. Abgerundet werden diese Ergebnisse durch eine Beschreibung und Diskussion der Wirkung des Rührreibschweißprozesses auf die Festigkeits- und Bauteileigenschaften. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der prozessinduzierten Mikrostrukturentwicklung und der Beeinflussung der festigkeitssteigernden Mechanismen von Aluminiumlegierungen. Auf diesen Inhalten aufbauend erfolgt zur Erstellung der Simulationsmethodik zunächst eine Übersicht zu bestehenden Modellierungsansätzen sowie der zu berücksichtigenden Prozessphänomene. Die Modellierung erfolgt in der Arbeit mittels eines gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatzes (CEL) und der Volume-of-Fluid-Methode teilweise gefüllter Zellen. Hierdurch wird es erstmals möglich, alle Prozessphasen in einem durchgängigen Modell sowie eine reale Stoßgeometrie zu simulieren. Mit Hilfe der Simulationsmethodik können die zentralen Phänomene wie auch Details und Einflüsse des Rührreibschweißprozesses detailliert vorhergesagt und analysiert sowie in Abhängigkeit von Prozessparametern, Randbedingungen und Werkzeuggeometrien optimiert werden. Ebenso wird es möglich, die Wirkung des Prozesses mit geometrischer und mikrostruktureller Ausprägung der Schweißnaht und Fehlerformierung vorherzusagen, wodurch die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von rührreibgeschweißten Verbindungen möglich wird. Die simulativ ermittelten Prozesskräfte weisen eine sehr gute Übereinstimmung mit Experimenten auf, wobei die Abtastrate der Kräfte modernen NC-gesteuerter Anlagen entspricht.