Experimentelle und numerische Analyse der dynamischen Kräfte beim Rührreibschweißen für ein verbessertes Prozessverständnis

Abstract

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.