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Monday, September 19, 2022, TZ 6 2:00 PM Festigkeit und Bemessung |
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Modellentwicklung zur Vorauslegung von reibgeschweißten Aluminium-Stahl Hybridverbindungen durch ganzheitliche Abbildung der Verbindungsbildung mittels FEM |
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Eric Heppner / Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Mechanik
Lehrstuhl für Technische Dynamik, Deutschland Vincent Schreiber* / Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Deutschland Elmar Woschke/ Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Deutschland Sven Jüttner/ Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Deutschland |
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Das Rotationsreibschweißen ist ein etabliertes Fügeverfahren, welches in vielen Bereichen des Maschinenbaus zur Herstellung von Aluminium-Stahl-Hybridverbindungen genutzt wird. Entscheidend für die Voraus-legung derartiger Hybridverbindungen sind Kenntnisse der zulässigen und der vorhandenen Beanspruchung. Die zulässige Beanspruchung ist von der Verbindungsbildung abhängig und das Resultat aus dem Zusammenspiel der wirkenden transienten kinematischen, kinetischen und thermischen Zustände während des Schweißprozess. Trotz der langjährigen empirischen Erforschung existieren für den Reibschweißprozess keine zuverlässigen Modellierungsansätze zur Abschätzung der zulässigen Beanspruchung auf Basis der transienten Zustandsgrößen. Aus diesem Grund kann eine Verbesserung der Verbindungsbildung und eine damit verbundenen Erhöhung der zulässigen Beanspruchbarkeit auf Basis der Prozessgestaltung ausschließlich experimentell erprobt werden. Die vorhandene Beanspruchung wird durch die geometrische Abmessung der Verbindung sowie die anliegende Belastung bestimmt. Ihre Berechnung ist oftmals aufgrund der komplexen Gestalt, dem Zusammenwirken von verschiedenen Belastungsarten sowie der Spannungsüberhöhung am Werkstoffübergang nur numerisch möglich. Die numerische Simulation der wirkenden Spannungen in Schweißbauteilen ist zwar heute gängige Praxis, wird jedoch hauptsächlich unter der Annahme eines linear-elastischem Materialverhaltens ohne die Berücksichtigung der Gefügeänderung in der WEZ und der damit verbundenen Änderung der Fließgrenze durchgeführt. Dadurch wird die Spannungsverteilung nur unzureichend abgebildet, weshalb hohe Sicherheitsbeiwerte bei der Auslegung angewendet werden, was zu einer Überdimensionierung der Schweißverbindung führen kann. Dieses Vorgehen steht jedoch im Widerspruch zum Ziel des Einsatzes von Hybridverbindungen als Leichtbaustrukturen. Darüber hinaus ist unter der Annahme linear-elastischen Materialverhaltens eine Beurteilung der Schweißsicherheit bei Überlastszenarien nicht realisierbar. Als Konsequenz ist eine detaillierte elastisch-plastische Auslegung der Schweißbauteilverbindung notwendig. Vor diesem Hintergrund wurde eine prädiktive Finite-Elemente-Simulation für die elastisch-plastische Vorauslegung von reibgeschweißten Hybridverbindungen aus Aluminium (AA 6061-T6511) und Stahl (S355) im o.g. Forschungsprojekt (IGF-Nr. 20.890BR, DVS-Nr. 05.3268) entwickelt und erprobt. Ziel des Beitrags ist die Präsentation der entworfenen Modelle für die Abschätzung der zulässigen und der vorhandenen Beanspruchung und die kritische Diskussion der Simulationsergebnisse unter Verwendung experimenteller Messdaten. |