Experimentelle, analytische und numerische Untersuchungen des Rührreibschweißprozesses

Abstract

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.

Friction stir welding (FSW) is a solid state joining process that is able to solve or avoid most of the typical welding issues, especially when joining aluminum alloys. By FSW, all aluminum alloys can be joined reliably, efficiently and with a very high joint efficiency. Even without post-treatment, friction stir welded joints reach very high static and cyclic strength properties that are usually significantly higher than those of fusion welds. Furthermore, the FSW process can be highly automated and directly integrated into other production processes. This results in great potentials regarding economic efficiency and process engineering. Due to these positive aspects, FSW has been accepted very quickly by users in recent years and is currently being widely distributed in a wide range of industries and applications. This adoption of FSW is taking place considerably faster than research and development has been able to follow with a fundamental description of the process. This in turn has led to the fact that there are still significant gaps in the understanding and scientific description of even elementary and central process phenomena. The objective of this work therefore is to contribute to a broader understanding of the friction stir welding process, its mechanisms and phenomena from physics to component behavior. To achieve this, an approach consisting of analytical and experimental characterization as well as numerical modeling is used. While experiment and analysis provide a base for physical characterization and delimitation of the process and its phenomena, the later numerical description should provide access to the non-directly observable process phenomena through a detailed and physically correct representation.

Since FSW is essentially dominated by interactions of mechanical process impact and material behavior in a first step the aluminum alloys Al Mg4,5Mn0,4 and Al Mg1SiCu (AA 5182 and AA 6061) and their process relevant physical properties are characterized at process conditions. Subsequently, the characteristics of the FSW process are discussed by analyzing the evolution of processing power and heat input per unit length with respect to welding depth and weld pitch. In this context, special attention is paid to the self-stabilizing features of the process, contact initiation during plunging as well as the static and dynamic feedback of the process forces to the machinery. All those examinations underline the importance of the frictional contact between tool and workpiece for the FSW process. In order to assess the frictional system, about 130 isolated experiments are carried out and supplemented by welding trials. During those experiments it could be shown that after a transition from outer oxide to inner metal friction, the frictional interface is strongly dominated by the material behavior of the aluminum, which forms a manifest multi-layer shearing (MLS) resulting in a rotating plug around FSW tools in reality. Since the frictional system is then dominated by material behavior, the contact can be described with the help of the principle of viscoplasticity respectively the material model.

Based on the examination of process initiation and frictional system, the central process phenomena heat balance and material flow are analyzed. First, for the examination of the heat balance, an analytical delimitation is carried out based on physical balancing and basic equations. This is followed by an evaluation of joining temperatures, typical temperature profiles as well as conductive and convective heat transfer phenomena. Furthermore, the heat flow into anvil, spindle and fixtures is assessed with regard to contact pressure, roughness and temperature. The material flow of FSW is closely linked to heat balance and temperature profile. Therefore in a first step, the boundary and consistency conditions are derived and analyzed. Subsequently, those descriptions are evaluated and expanded by experiments and the help of cross-sections, microstructure analysis and through use of brought in copper marker particles. After the weld, the particle distribution is analyzed by means of computer tomography. The results of those experiments provide detailed information about the formation of the weld, including flow regimes, material deposition, surface striations and banded structures. In this context, a separate consideration of spindle runout, tool geometry and process parameters is given. Since almost all imperfections of the weld can be lead back to the material flow, an overview of typical welding imperfections and root causes is given. In connection with the high frequency measurement of the process forces, an approach is presented that can provide access to the local phenomena at the tool. Based on that, a method was developed to detect imperfection online during welding. Analytical and experimental description is completed by the description of the process impact on the mechanical properties of material and component behavior. Special attention is given to the process induced microstructure alteration and development and influence on the strength mechanisms of aluminum alloys.

The modeling part of this work provides an initial overview of process phenomena that have to be considered and an assessment of known approaches for modeling FSW. In this work, the FSW process is modeled by using a Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) approach in combination with the Volume-of-Fluid (VOF) method. Through this novel approach, the entire process can be simulated within one continuous model, including an integration of real joint and tool geometries. By means of the simulation method, can not only the central process phenomena be predicted and assessed but also process details, influences and boundary conditions. By this, the formation of the weld, surfaces, joining zone, microstructure and imperfections can be predicted. This gives the possibility of optimizing the process and its outcome including mechanical properties of the weld with respect to various factors including tool geometries, parameters and boundary conditions. The simulatively determined process forces show very good agreement with real experiments, whereby the sampling rate of the simulation corresponds to state of the art FSW machines.