Reibgeschweißte Hybridverbindungen aus Aluminium und Stahl: experimentelle Untersuchung und phänomenologische Modellierung

Die heutigen ingenieurwissenschaftlichen Anstrengungen im Bereich der Produktentwicklung konzentrieren sich zunehmend auf eine effiziente Nutzung von Energie- und Rohstoffressourcen. Vor diesem Hintergrund gewinnt das Gestaltungsprinzip des konsequenten Leichtbaus im Maschinen- und Anlagenbau mehr und mehr an Bedeutung. Ein möglicher Ansatz ist die gezielte Ausnutzung technologischer Eigenschaften ver­schiedener Materialien in Hybridstrukturen. Erklärtes Ziel des Projektes ist die Simulation der Tragfähigkeit solcher reibgeschweißten Hybrid­verbindungen aus Aluminium und Stahl unter Berücksichtigung lokaler Gefügeunterschiede und Inhomo­genitäten. Zu diesem Zweck werden entsprechende Reibschweißversuche durchgeführt, wobei die Prozessparameter (Reibdruck, Reibzeit, Spindeldrehzahl und Stauchdruck) systematisch variiert werden. Diese Versuche liefern die Datenbasis für die experimentelle Analyse der makroskopischen, mesoskopischen und mikroskopischen Einflüsse auf die Tragfähigkeit der Struktur unter Zugbelastung. Zu diesen Einflüssen gehören unter anderem die charakteristische Wulstformung (makroskopisch), die Ausdehnung der WEZ (mesoskopisch) sowie die chemische Zusammensetzung der Fügekontaktebene oder das lokale Gefüge in der WEZ (jeweils mikroskopisch). Gleichzeitig dienen die Versuche als Validierungsgrundlage für die Simulation des Schweißprozesses selbst. Mit Hilfe der Prozesssimulation können die Auswirkungen der Prozessparameter auf die Prozessgrößen (Aufheiz- und Abkühlungsrate, Temperaturverteilung, plastische Deformation, Diffusion etc.) und somit auf die Werkstoff- und den Struktureigenschaften der Schweißverbindung 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, unter Annahme großer Deformationen und materiell nichtlinearem Verhalten verwendet.