Rührreibschweißen
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engl: friction stir welding Kategorie: Level 4 Fertigung
Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Schweißen>Rührreibschweißen und 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). 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.
Insbesondere für Flugzeugbau und andere Leichtbau-Konstruktionen ist dieses Verfahren von Interesse.
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Simulation
In der Simulation müssen viele Einflüsse und Effekte abgebildet und berücksichtigt werden. Dazu zählen unter anderem
- die mechanischen Kräfte, die der Pin auf das Bauteil ausübt,
- Material-"Verflüssigung" in der direkten Nachbarschaft des rotierenden Pin, damit wird über Reibung Energie eingebracht (Wärmequelle für das Temperaturfeld) und das Material wird weicher (weicher verformbarer "matschiger" Zustand, Änderung der mechanischen Egenschaften),
- die Material-Erstarrung hinter dem rotierenden Pin,
- die Verbindung der Nahtufer hinter dem rotierenden Pin in dem aktuellen Verformungszustand (einfrieren der Verformungen)
und wie bei anderen Anwendungen
- die thermische Dehnung,
- die Abhängigkeit der Materialdaten von der Temperatur und
- plastisches Verhalten des Aluminiums.
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.
Beispiel
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.
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
In Bearbeitung!
Sonstige Begriffe
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