Rührreibschweißen

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Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei [http://de.wikipedia.org/wiki/Schwei%C3%9Fen#R.C3.BChrreibschwei.C3.9Fen wikipedia:Schweißen>Rührreibschweißen] und [http://en.wikipedia.org/wiki/Friction_stir_welding en.wikipedia:Friction stir welding].
Für die Methode werden die Begriffe <b>Reibrührschweißen, Rührreibschweißen, friction stir welding</b> verwendet.
Für die Methode werden die Begriffe <b>Reibrührschweißen, Rührreibschweißen, friction stir welding</b> verwendet.
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==Beispiel==
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Als Beispiel ist hier ein Stumpfstoß gezeigt. Dies ist die Verschweißung von zwei flachen Blechen, die Kante an Kante (stumpf) nebeneinander positioniert werden. Die Verschweißung verbindet die Kanten miteinander. Eine Skizze für dieses Beispiel ist hier rechts gezeigt: die beiden Bleche sind 20 mm lang, 10 mm breit und 3 mm dick. Sie werden mit einem Abstand von 0.2 mm nebeneinander fixiert. Die Bleche bestehen aus Aluminium.
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Als Beispiel ist hier ein Stumpfstoß (butt weld) gezeigt. Dies ist die Verschweißung von zwei flachen Blechen, die Kante an Kante (stumpf) nebeneinander positioniert werden. Die Verschweißung verbindet die Kanten miteinander. Eine Skizze für dieses Beispiel ist hier rechts gezeigt: die beiden Bleche sind 20 mm lang, 18 mm breit und 3 mm dick. Sie werden mit einem Abstand von 0.2 mm nebeneinander fixiert. Die Bleche bestehen aus Aluminium.
Für die Verschweißung wird ein Werkzeug mit einem Pin (Durchmesser 5 mm, Länge 2 mm) und einem Schulter-Durchmesser von 15 mm verwendet.
Für die Verschweißung wird ein Werkzeug mit einem Pin (Durchmesser 5 mm, Länge 2 mm) und einem Schulter-Durchmesser von 15 mm verwendet.
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Die hier folgende Abbildung zeigt die Bleche in einigen Zwischenzuständen dieser Verschweißung. Teilbild 1 zeigt die [[Verschiebung]]en und [[Vergleichsspannung]]en beim Aufsetzen des Werkzeugs an eine Position 5 mm vom Rand des Bauteils entfernt. Teilbild 2 zeigt diese Ergebniswerte beim Beginn der Verschweißung, hier rotiert das Werkzeug und wird in Richtung der Schweißnaht bewegt. Teilbild 3 zeigt den Zustand nach einem Schweißweg von 5 mm. In dieser Darstellung ist die direkte Prozeßumgebung ausgeblendet. In Teilbild 4 ist die Rotation beendet und das Werkzeug entfernt. Es ist eine bleibende Verformung und ein Eigenspannungszustand erkennbar.
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Die hier folgende Abbildung zeigt die Bleche in einigen Zwischenzuständen dieser Verschweißung. Teilbild 1 zeigt die [[Verschiebung]]en und [[Vergleichsspannung]]en beim Beginn des Schweißens 5 mm vom Rand des Bauteils entfernt. Teilbild 2 zeigt diese Ergebniswerte nach einem Schweißweg von 3 mm. In Teilbild 3 ist die Rotation beendet und das Werkzeug entfernt, es sind die Verschiebungen (Betragswert) farblich dargestellt. Es ist eine bleibende Verformung erkennbar.
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Diese Variante 2 zeigt die gekoppelte Berechnung von [[Temperaturfeld]] und [[Strukturmechanik|Mechanik]]. Das [[FEM]]-Modell ist damit erweitert und berechnet diese [[Multiphysik|Kopplung]] gleichzeitig. Das Modell enthält damit die [[Freiheitsgrad]]e der [[Verschiebung]]en und der [[Temperatur]]en. Die Verbindung erfolgt durch eine [[Schwache Kopplung|schwache Kopplung]]. Als Interaktion sind hier zunächst die Reibungsenergien berücksichtigt, die sich aus den [[Verschiebung]]en ergeben und die als Wärmequelle für das [[Temperaturfeld]] wirken.
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In Variante 3 wird wie vorher das [[Temperaturfeld]] und die [[Strukturmechanik|Mechanik]] gekoppelt simuliert. Zusätzlich zu der Interaktion durch die Reibungsenergien ([[Verschiebung]]en wirken als Wärmequelle für das [[Temperaturfeld]]) wird die [[thermische Dehnung]] berücksichtigt.
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Hier wird zusätzlich noch eine Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur berücksichtigt. Während der Simulation wird also laufend die aktuelle Temperatur jedes [[Element]]es abgefragt, die zugehörige Spannungs-Dehnungs-Funktion interpoliert und diese dem mechanischen Verhalten zugrunde gelegt. Die Abbildung rechts zeigt die hier bereitgestellten Spannungs-Dehnungs-Funktionen für die Temperaturen 20°C, 100°C, 200°C, 500°C, 800°C und 1200°C.
Hier wird zusätzlich noch eine Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur berücksichtigt. Während der Simulation wird also laufend die aktuelle Temperatur jedes [[Element]]es abgefragt, die zugehörige Spannungs-Dehnungs-Funktion interpoliert und diese dem mechanischen Verhalten zugrunde gelegt. Die Abbildung rechts zeigt die hier bereitgestellten Spannungs-Dehnungs-Funktionen für die Temperaturen 20°C, 100°C, 200°C, 500°C, 800°C und 1200°C.
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Die hier folgende Abbildung zeigt wieder jeweils oben die aktuellen Temperaturen und darunter die [[Verschiebung]]en und [[Vergleichsspannung]]en. Wie vorher zeigt Teilbild 1 den Beginn der Verschweißung, Teilbild 2 den Zustand nach einem Schweißweg von 3 mm und Teilbild 3 den Zustand nach dem Ende des Prozesses, das Bauteil hat Raumtemperatur.
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Aktuelle Version vom 17. Dezember 2015, 13:43 Uhr

engl: friction stir welding          Kategorie: Aa-leerbild.jpg Level 4 Fertigung Aa-leerbild.jpg


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

Für die Methode werden die Begriffe Reibrührschweißen, Rührreibschweißen, friction stir welding verwendet.

Das Rührreibschweißen ist ein Verfahren zum Verbinden von Bauteilbereichen. Die Nahtufer werden dadurch verbunden (schweißen, welding), dass durch ein rotierendes Werkzeug (Pin) der Bauteilrand durch Reibung (friction) nahezu verflüssigt wird und vermischt (gerührt, stir) wird. Dabei wird das rotierende Werkzeug langsam in Schweißrichtung vorwärts bewegt (zugestellt, Zustellgeschwindigkeit, feed speed). Auch bei symmetrischen Bauteilabmessungen ist der Vorgang durch die Rotationsrichtung des Werkzeugs unsymmetrisch. Bei dem Prozess muss die Einspannung des Bauteils dafür sorgen, dass der Nahtspalt auch unter Wirkung der Kräfte und Momente klein genug bleibt, um eine Verbindung der Nahtufer zu ergeben. Die Achse des Werkzeugs ist etwas geneigt, so dass die Schulter des Werkzeugs hinter dem Pin auf die Bauteil-Oberfläche drückt. Damit wird eine gleichmäßige Eindringtiefe des Pins in das Bauteil erreicht (denn der Pin selbst ist durch eine Schicht sehr weichen Materials umgeben, daher muss die stetige Führung in gleicher Eindringtiefe über die äußere Schulter-Auflage erfolgen), gleichzeitig wird die erzeugte Naht geglättet.

Insbesondere für Flugzeugbau und andere Leichtbau-Konstruktionen ist dieses Verfahren von Interesse.

Inhaltsverzeichnis

Simulation

In der Simulation müssen viele Einflüsse und Effekte abgebildet und berücksichtigt werden. Dazu zählen unter anderem

und wie bei anderen Anwendungen

Im Gegenspiel zwischen dem erstarrten Material und den verformten Nahtufern ergibt sich ein verbleibender Eigenspannungszustand nach dem Ende der Schweißung.

Diese Effekte betreffen das Temperaturfeld und die Strukturmechanik. Interaktionen gibt es durch die Reibungsenergie (Verschiebungen, die als Wärmequelle für das Temperaturfeld wirken) und die thermische Dehnung in der Mechanik, die durch die Erwärmung entsteht.

Ein technisch pragmatisches Modell konzentriert sich auf Ergebniswerte wie bleibende Verformungen und Eigenspannungen.

Friction-stir-1.JPG

Beispiel

Als Beispiel ist hier ein Stumpfstoß (butt weld) gezeigt. Dies ist die Verschweißung von zwei flachen Blechen, die Kante an Kante (stumpf) nebeneinander positioniert werden. Die Verschweißung verbindet die Kanten miteinander. Eine Skizze für dieses Beispiel ist hier rechts gezeigt: die beiden Bleche sind 20 mm lang, 18 mm breit und 3 mm dick. Sie werden mit einem Abstand von 0.2 mm nebeneinander fixiert. Die Bleche bestehen aus Aluminium.

Für die Verschweißung wird ein Werkzeug mit einem Pin (Durchmesser 5 mm, Länge 2 mm) und einem Schulter-Durchmesser von 15 mm verwendet.

Das FEM-Modell wird mit Volumen-Elementen mit Kantenmittenknoten diskretisiert.

Variante 1

Diese Variante 1 berücksichtigt die Wirkung der mechanischen Kräfte durch den Pin und durch die Schulter auf das Bauteil. Die Nahtufer verformen sich unter der Einwirkung der mechanischen Kräfte. In diesem verformten Zustand wird hinter dem Pin durch das wieder erstarrende Material eine Verbindung hergestellt, so dass diese Verformung sozusagen "eingefroren" wird. Durch die Rotation des Pins mit einigen 100 Umdrehungen pro Minute wird das umgebende Material "verflüssigt", verdrängt, vermischt (verquirlt, stir). Die Schichtdicke dieses verflüssigten Bereiches um den Pin herum ist gering. Der Vorschub (Zustellung) des Pin in Richtung der Schweißnaht beträgt wenige Millimeter pro Sekunde (Zustellgeschwindigkeit).

Die beiden Bleche, die hier verschweißt werden, sind an den Außenkanten (parallel zur Schweißnaht) fest eingespannt.

In der virtuellen Welt der Simulation können die Effekte, die bei diesem Prozess wirken, getrennt und einzeln untersucht werden. Hier werden in dieser Variante 1 zunächst nur

abgebildet.

Die hier folgende Abbildung zeigt die Bleche in einigen Zwischenzuständen dieser Verschweißung. Teilbild 1 zeigt die Verschiebungen und Vergleichsspannungen beim Beginn des Schweißens 5 mm vom Rand des Bauteils entfernt. Teilbild 2 zeigt diese Ergebniswerte nach einem Schweißweg von 3 mm. In Teilbild 3 ist die Rotation beendet und das Werkzeug entfernt, es sind die Verschiebungen (Betragswert) farblich dargestellt. Es ist eine bleibende Verformung erkennbar.

Friction-stir-2.JPG

Variante 2

Diese Variante 2 zeigt die gekoppelte Berechnung von Temperaturfeld und Mechanik. Das FEM-Modell ist damit erweitert und berechnet diese Kopplung gleichzeitig. Das Modell enthält damit die Freiheitsgrade der Verschiebungen und der Temperaturen. Die Verbindung erfolgt durch eine schwache Kopplung. Als Interaktion sind hier zunächst die Reibungsenergien berücksichtigt, die sich aus den Verschiebungen ergeben und die als Wärmequelle für das Temperaturfeld wirken.

Die hier folgende Abbildung zeigt wieder die Bleche in einigen Zwischenzuständen dieser Verschweißung. Dabei sind jeweils oben die aktuellen Temperaturen und darunter die Verschiebungen und Vergleichsspannungen dargestellt. Wie vorher zeigt Teilbild 1 den Beginn der Verschweißung, Teilbild 2 den Zustand nach einem Schweißweg von 3 mm und Teilbild 3 die Verschiebungen nach dem Ende des Schweißens.

Friction-stir-3.JPG

Variante 3

In Variante 3 wird wie vorher das Temperaturfeld und die Mechanik gekoppelt simuliert. Zusätzlich zu der Interaktion durch die Reibungsenergien (Verschiebungen wirken als Wärmequelle für das Temperaturfeld) wird die thermische Dehnung berücksichtigt.

Die hier folgende Abbildung zeigt wieder jeweils oben die aktuellen Temperaturen und darunter die Verschiebungen und Vergleichsspannungen. Wie vorher zeigt Teilbild 1 den Beginn der Verschweißung, Teilbild 2 den Zustand nach einem Schweißweg von 3 mm und Teilbild 3 den Zustand nach dem Ende des Schweißens.

Friction-stir-4.JPG

Friction-stir-5.JPG

Variante 4

In Variante 4 werden die Materialdaten dieser Simulation als Funktion der Temperatur vorgegeben. Die Abbildung rechts zeigt den prinzipiellen Verlauf für die Werte der Mechanik:

und die Werte des Temperaturfeldes:

Die hier folgende Abbildung zeigt wieder jeweils oben die aktuellen Temperaturen und darunter die Verschiebungen und Vergleichsspannungen. Wie vorher zeigt Teilbild 1 den Beginn der Verschweißung, Teilbild 2 den Zustand nach einem Schweißweg von 3 mm und Teilbild 3 den Zustand nach dem Ende des Prozesses.

Friction-stir-6.JPG

Friction-stir-7.JPG

Variante 5

Variante 5 berücksichtigt das plastische Verhalten des Aluminiums. Als einfache Näherung für das tatsächliche Materialverhalten des Aluminiums wird das Stoffgesetz (Materialgesetz) "Bilinear, kinematische Verfestigung" verwendet. Hinweise dazu finden Sie auch in einem Beispiel für Plastizität. Grundlage dieses Stoffgesetzes ist eine bilineare (in zwei Abschnitten lineare) Abhängigkeit zwischen der Dehnung und der Spannung (Spannungs-Dehnungs-Funktion).

Hier wird zusätzlich noch eine Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur berücksichtigt. Während der Simulation wird also laufend die aktuelle Temperatur jedes Elementes abgefragt, die zugehörige Spannungs-Dehnungs-Funktion interpoliert und diese dem mechanischen Verhalten zugrunde gelegt. Die Abbildung rechts zeigt die hier bereitgestellten Spannungs-Dehnungs-Funktionen für die Temperaturen 20°C, 100°C, 200°C, 500°C, 800°C und 1200°C.

Die hier folgende Abbildung zeigt wieder jeweils oben die aktuellen Temperaturen und darunter die Verschiebungen und Vergleichsspannungen. Wie vorher zeigt Teilbild 1 den Beginn der Verschweißung, Teilbild 2 den Zustand nach einem Schweißweg von 3 mm und Teilbild 3 den Zustand nach dem Ende des Prozesses, das Bauteil hat Raumtemperatur.

Friction-stir-8.JPG

Zusammenfassung

In diesem Beispiel sind die wesentlichen Effekte erwähnt, die für die Verbindung und das Bauteil eine Rolle spielen. Bei der Simulation wird prinzipiell gezeigt, welchen Einfluss sie auf die Ergebnisse haben. Im technischen Alltag ist es möglich, damit die Verbindung des Bauteils in Hinsicht auf Ergebniswerte wie die bleibende Verformung (den Verzug) zu simulieren. In akademischen Grundlagenuntersuchungen kann man noch eine Vielzahl von weiteren Details in der direkten Umgebung der Prozesszone untersuchen.

Sonstige Begriffe

Schweißnaht
Schweißsimulation
Schweißsimulation Fallbeispiele

Persönliche Werkzeuge
Namensräume
Varianten
Aktionen
Navigation