Analyse der Schmelzeströmung in dickwandigen Heizelementstumpfschweißverbindungen aus Thermoplasten durch FE-Simulation

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Birgit Awiszus; Professor Dr.-Ing. Andreas Seefried, seit 3/2024
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Fügetechnik und Trenntechnik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529312191

Durch die Weiterentwicklung der Rohrwickeltechnik und der Extrusionstechnik im Rohrleitungsbau können Rohrdimensionen von über 3.000 mm Durchmesser und Wanddicken über 100 mm hergestellt werden. Das Fügen von Halbzeugen dieser Wanddicken hat dazu geführt, dass die gängigen Festigkeitstheorien neu bewertet werden müssen. Wie Untersuchungen und Schadensfälle zeigen, können die Wirkzusammenhänge von dünnwandigen Bauteilen nicht mittels Ähnlichkeitsgesetz auf dickwandige Bauteile übertragen werden. Der deutlich längere Fließkanal dickwandiger Bauteile führt dazu, dass höhere rheologische Fließgeschwindigkeiten sowie Kontaktzeiten der Schmelze vorliegen. Dies in Verbindung mit der langen Scherung der Schmelze infolge des Fügeprozesses führt womöglich zur Ausbildung eines hohen Ordnungszustandes und somit zu anisotropen Werkstoffverhalten in den Randbereichen. Daher ist es denkbar, dass neben dem Kriterium der Mindestfließgeschwindigkeit der Schmelzen ebenfalls ein Kriterium der maximalen Fließgeschwindigkeit in Verbindung mit einer max. zeitabhängigen Scherung bzw. Schmelzebewegung existieren muss. Der technisch/ wissenschaftliche Anlass des Forschungsantrages sind vermehrt auftretende Schweißnahtbrüche an Schweißnähten bei Bauteilen großer Wanddicke, bei Kurzzeitbelastung z. T. bei Einbausituationen. Die wissenschaftliche Notwendigkeit begründet sich damit, dass die strukturrelevanten Scher- und Dehnströmungsgeschwindigkeiten beim Fügen großer Wanddicken wesentlich größere Skalenbereiche umfassen, als in wissenschaftlichen Arbeiten bisher untersucht wurde. In Verbindung mit den inhomogeneren Kühlbedingungen führt dies zu bisher nicht verstandenen Schweißnahtmorphologien und Eigenspannungszuständen. Voruntersuchungen zeigen, dass die Schmelze bei dickwandigen Bauteilen länger im plastischen Zustand ist als bisher angenommen. Aktuell wird dies weder bei der deutschen DVS 2207-1, englischen WIS 4-32-08 oder amerikanischen PPI-TR33 berücksichtigt. Im Vorhaben sollen die Lücken im Prozessverständnis durch den Aufbau numerischer Modelle zum Erwärmungsverhalten und der Schmelzeströmung in der Fügephase sowie die Verbindung der Einflüsse zu den Kurz- und Langzeitfestigkeiten geschlossen werden. Dafür ist die experimentelle Erarbeitung der komplexen Abhängigkeiten z. B. zur Schmelzeschichtdicke und zur Strömungsgeschwindigkeit notwendig. Die Simulation dient zur Verbesserung des Prozessverständnisses und zur Minimierung des exp. Aufwands. In der Kooperation der beiden Antragsteller hat diese Forschungsidee hohe Erfolgsaussichten und leistet einen wesentlichen Beitrag zum tiefgreifenden Verständnis der Erstarrungs- und Kristallisationsprozesse in dickwandigen Bauteilen und erweitert das Verständnis der Festigkeitsmechanismen. Weiter ermöglicht die simulative Beschreibung der thermisch/ rheologischen Vorgänge in der Schweißnaht die optimale Prozessauslegung im Hinblick auf Festigkeit, Standzeit und eigenspannungsfreie Schweißnahtausbildung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Gehde, bis 3/2024 (†)