Simulation of the Coupled Plastic Material Flow-Thermal-Mechanical Phenomena in Friction Stir Welding of High Strength Aluminium Alloys

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Rethmeier
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2012 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 229698415

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Für die Sicherheit gefügter Konstruktionen ist unabhängig vom Fügeverfahren die genaue Kenntnis der eingebrachten Energiemenge und der Auswirkung auf die Ausbildung verschiedener Gefügezonen sowie des Eigenspannungszustandes von essentieller Bedeutung. Daher wurde in dem durchgeführten Vorhaben der Rührreibschweißprozess der hochfesten Aluminiumlegierung 2024 sowohl experimentell als auch umfassend numerisch untersucht. Dabei wurden sowohl Betrachtungen der Wärmeeinbringung in Abhängigkeit des Materialflusses und der plastischen Verformung des Materials mit der Software Fluent CFD als auch klassische Vorhersagen des Eigenspannungszustandes der geschweißten Proben auf Basis der Temperaturhistorie des Materials mit Hilfe der Software Comsol Multiphysics durchgeführt. Begleitend wurden Schweißexperimente durchgeführt, um die erstellte numerischen Modelle zu validieren. Mit Hilfe eines dreidimensionalen Modells wurde die Verteilung der eingebrachten Wärme in Abhängigkeit des Rührwerkzeugs sowie der resultierende Materialfluss während des Prozesses berechnet, wobei der Reibkoeffizient und die Schlupfrate anhand gemessener Werte des Drehmoments und der Axialkraft am Rührwerkzeug kalibriert wurden. Es zeigte sich, dass mehr als 80% der eingebrachten Wärme durch den Einfluss der Schulter bedingt sind, während die Beiträge der Oberflächen des in das Material eingetauchten Rührstiftes sowie insbesondere die plastische Deformation nur geringe Beiträge liefern. Durch weitere Untersuchungen wurden die Unterschiede in der Wärmeerzeugung bei klassischen konischen und einem asymmetrischen Triflat-Werkzeug ermittelt, wobei für Letzteres eine deutlich höhere Rührwirkung nachgewiesen werden konnte. In einem weiteren Arbeitspaket des Projekts wurde der Aspekt der Eigenspannungsausbildung beim Rührreibschweißen von 6 mm dicken AA2024 untersucht. Dabei wurden zwei verschiedene Schulterdurchmesser des Rührwerkzeugs, 15 mm und 20 mm, betrachtet und sowohl thermische als auch strukturmechanische Berechnungen für verschiedene Prozessparameter durchgeführt und verglichen sowie experimentell validiert. Weiterhin wurde der Einfluss der thermisch bedingten Entfestigung des Materials sowie der für die numerische Berechnung essentiellen Wahl eines Verfestigungsmodells bei Belastung über das elastische Limit hinaus auf die resultierenden Eigenspannungen hin untersucht. basierend auf den Ergebnissen der ersten Projektphase konnte das strukturmechanische Modell nach einer erfolgten thermischen Berechnung der Temperaturverteilung, also ohne starke Kopplung, erfolgen. Die ermittelten Werte der Eigenspannungen sowie der Härte hängen stark von der Prozessgeschwindigkeit ab, wobei eine höhere Schweißgeschwindigkeit bei gleicher Drehzahl zu größeren Eigenspannungen führte, die allerdings stärker um den Wirkungsbereich des Rührwerkzeugs konzentriert bleiben. Entsprechend der geringeren Streckenenergie fällt auch der ermittelte Härteabfall quer zur Naht kleiner aus.

Publications

• 2013, Simultaneous measurement of tool torque, traverse force and axial force in friction stir welding, Journal of Manufacturing Processes, 15, 495 – 500
  H. Su, C.S. Wu, A. Pittner, M. Rethmeier
  
• 2014, Thermal energy generation and distribution in friction stir welding of aluminum alloys, Energy, 77, 720 – 731
  H. Su, C.S. Wu, A. Pittner, M. Rethmeier
  
• 2015, Numerical modeling for the effect of pin profiles on thermal and material flow characteristics in friction stir welding, Materials & Design, 77, 114 – 125
  H. Su, C.S. Wu, M. Bachmann, M. Rethmeier
  
• 2016, Sensitivity analysis of the residual stress state in friction stir welding of high strength aluminum alloy, Materials Testing, 58, 20 – 26
  M. Bachmann, M. Rethmeier, C.S. Wu
  
• Numerical simulation of thermally induced residual stresses in friction stir welding of aluminum alloy 2024-T3 at different welding speeds. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, July 2017, Volume 91, Issue 1–4, pp 1443–1452
  M. Bachmann, J. Carstensen, L. Bergmann, J.F. dos Santos, C.S. Wu, M. Rethmeier