Reibschweißen

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engl: friction welding          Kategorie: Level 3 Fertigung

Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Schweißen>Reibschweißen und en.wikipedia:Friction welding.

Beim Reibschweißen werden zwei Teile unter Druck gegeneinander bewegt. Die Reibungswärme, die an der Kontaktfläche entsteht, wird zum Aufschmelzen des Materials genutzt. Es ist wichtig, dass am Ende des Prozesses beim Stoppen der Bewegung die Teile richtig zueinander positioniert werden und eine hohe Anpresskraft wirkt. Reibgeschweißte Bauteile sind zum Beispiel bei Antriebswellen (im Antriebsstrang von PKWs) zu finden.

Simulation

Bei der Simulation ist die Erwärmung durch eine transiente Simulation des Temperaturfeldes zu berechnen. Damit gekoppelt wird eine Simulation der Strukturmechanik durchgeführt (statische Simulation mit Nichtlinearitäten). Wichtig hierbei ist die Materialnichtlinearität bzw. Plastizität.

Beim Reibschweißen ist mit großen Verformungen und großen Dehnungen zu rechnen. Daher ist im Verlauf der Lösung ein Remeshing mit Mapping der aktuellen Werte sinnvoll.

Beispiel

Die Abbildung rechts zeigt eine Reibschweißverbindung von zwei zylindrischen Bauteilen. Die Teile werden an den Stirnflächen gegeneinander gedrückt (diese Kräfte in Achsenrichtung sind durch die roten Pfeile gezeigt) und gegeneinander gedreht (diese gegenläufige Rotation wird durch die roten geschwungenen Pfeile angedeutet).

Im rechten Teil dieser Abbildung ist das Simulationsmodell gezeigt. Von den zylindrischen Bauteilen wird ein axisymmetrischer Querschnitt modelliert. Und von den beiden Teilen wird nur eines - hier das obere - modelliert, weil hier auch in Bezug auf die Verbindungsebene Symmetrie angenommen werden kann. Die Rotation wird nicht direkt simuliert, sondern über die Wärmeentstehung an der Berührungsfläche simuliert. Diese Wärmeentstehung ist von der Kraft in Achsenrichtung und der Drehzahl und damit hier auch von dem Radius der betrachteten Position der Berührungsfläche abhängig (außen mehr, innen weniger).

Die hier rechts gezeigte Abbildung zeigt eine Simulation der Reibschweißung für diese Bauteile. Typisch für eine Reibschweißverbindung ist die wulst-artige Aufwölbung der Nahtränder. Diese Form entsteht dadurch, dass das Material in der erwärmten Zone weich wird und durch die Kraft in Achsrichtung zur Seite herausgedrückt wird.

Sonstige Begriffe

Das Reibschweißen (bei dem die Nahtufer gegeneinander bewegt werden) ist nicht zu verwechseln mit dem Rührreibschweißen oder Reibrührschweißen (bei dem ein Stift (pin) rotierend durch das Werstück bewegt wird).