Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellentwicklung zur Vorauslegung von reibgeschweißten Aluminium-Stahl Hybridverbindungen durch ganzheitliche Abbildung der Verbindungsbildung mittels FEM

Das Reibschweißen ist ein etabliertes Fügeverfahren, welches in vielen Bereichen des Maschinenbaus zur Herstellung von Hybridstrukturen aus Aluminium und Stahl genutzt wird. Entscheidend für die Gebrauchstauglichkeit von Hybridverbindungen ist vor allem die werkstoffadäquate Ausbildung der Verbindung. Aufgrund der Abhängigkeit der Schweißverbindung von der Ausprägung, Art und Kontinuität der intermetallischen Diffusionsschicht, des Gefüges und der stoffschlüssigen Anbindung, ist die Entwicklung einer reibgeschweißten Hybridstrukturen mit optimalen Eigenschaften häufig zeit- und kostenintensiv. Gerade für kmU ist es daher nahezu unmöglich solche Hybridstrukturen wirtschaftlich zu entwickeln.

Erklärtes Ziel des Projektes ist der Aufbau und die Erprobung einer Simulation für die Auslegung reibgeschweißten Hybridverbindungen aus Aluminium und Stahl. Zu diesem Zweck werden entsprechende Reibschweißversuche durchgeführt, wobei die Prozessparameter systematisch variiert werden. Diese Versuche liefern die Datenbasis für die experimentelle Analyse der makros-, mesos- und mikroskopischen Einflüsse auf die Tragfähigkeit der Struktur. Gleichzeitig dienen die Versuche als Validierungsgrundlage für die Simulation des Schweißprozesses selbst. Mit Hilfe der Prozesssimulation können die Auswirkungen der Prozessparameter auf die Prozessgrößen und somit auf die Werkstoff- und den Struktureigenschaften abgeleitet werden. Ausgehend davon werden entsprechende phänomenologische Modelle entwickelt, um die maßgeblichen Einflüsse abzubilden. Anschließend werden diese Ergebnisse als Ausgangsbedingung bei der Simulation der Tragfähigkeit (virtueller Zugversuch) der Hybridverbindung verwendet.

Insbesondere für kmU wird mithilfe der Simulation die wirtschaftliche Möglichkeit geschaffen, die Verbindung prädiktiv in Abhängigkeit des gewählten Prozesses zu bewerten. Komplexe Reibschweißaufgaben lassen sich damit bereits im Vorfeld der Versuchsdurchführung analysieren und entsprechend optimieren.

Ergebniszusammenfassung:

Die prädiktive elastisch-plastische Vorauslegung von reibgeschweißten Leichtbauverbindungen aus Aluminium und Stahl erfordert die Kenntnis der vorhandenen und der zulässigen Beanspruchung. Für ihre prädiktive Berechnung wurden im Forschungsprojekt entsprechende Modellierungsansätze entwickelt und erprobt. Die Simulation der vorhandenen Beanspruchung erfolgt durch eine nichtlineare Struktursimulation. Zur prädiktiven Beschreibung der Verteilung der Materialparameter in der Wärmeeinflusszone wurde eine Härtesimulation entwickelt. Diese ermöglicht in Abhängigkeit der transienten thermischen Zustände im Schweißprozess die Abbildung des Härtefeldes. Mithilfe der Härte und einer entsprechenden Korrelationsfunktion kann anschließend die Verteilung der Materialparameter des Verfestigungsgesetzes bestimmt werden. Die Berechnung der zulässigen Beanspruchung erfolgt über die Verbindungsfestigkeit. Diese kann durch eine Modellgleichung für die Verbindungsbildung beschrieben werden. In die Modellgleichung für die Verbindungsbildung gehen die im Schweißprozess in der Kontaktebene wirkenden thermischen, kinetischen und kinematischen Zustandsgrößen ein. Die benötigten transienten Zustandsgrößen wurden mithilfe einer Schweißprozesssimulation berechnet. Zur Demonstration der Plausibilität und der Anwendbarkeit der entworfenen Modelle wurden die simulierten Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen. Der Vergleich zeigte eine gute Übereinstimmung von Simulation und Experiment. In Anbetracht dessen können die Modelle nun verwendet werden, um beliebige Schweißbauteile aus Aluminium (EN AW 6061 T6) und Stahl (S355) prädiktiv auszulegen.