SB_20890BRLP

2021
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Modellentwicklung zur
Vorauslegung von reibgeschweißten
Aluminium-Stahl
Hybridverbindungen durch
ganzheitliche Abbildung der
Verbindungsbildung mittels
FEM

Modellentwicklung zur
Vorauslegung von
reibgeschweißten Aluminium-
Stahl Hybridverbindungen
durch ganzheitliche Abbildung
der Verbindungsbildung mittels
FEM
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.890 BR
DVS-Nr.: 05.3268
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Werkstoff- und Fügetechnik
Lehrstuhl Fügetechnik
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Mechanik Juniorprofessur Fluid-
Struktur Kopplung in Mehrkörpersystemen
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.890 BR / DVS-Nr.: 05.3268 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2021 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 533
Bestell-Nr.: 170643
ISBN: 978-3-96870-533-0
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 30.06.2022
zu IGF-Vorhaben Nr. 20890 BR
Thema
Modellentwicklung zur Vorauslegung von reibgeschweißten Aluminium-Stahl
Hybridverbindungen durch ganzheitliche Abbildung der Verbindungsbildung mittels FEM
Berichtszeitraum
01.12.2019 bis 31.12.2021 (Projekt wurde verlängert)
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Lehrstuhl für
Fügetechnik
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Mechanik, Juniorprofessur Fluid-Struktur
Kopplung in Mehrkörpersystemen

Seite V des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.890 BR
Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur
VII
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 1
2 Stand der Technik 4
2.1 Modellierungsansatz: Verbindungsbildung und -festigkeit . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Simulation des Reibschweißprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Numerische Spannungsanalyse an Schweißbauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Forschungsziel und Lösungsweg 14
4 Schweißversuche und Prozesssimulation 16
4.1 Planung und Durchführung von Reibschweißversuchen . . . . . . . . . . . . . . 16
4.2 Simulation der Reibschweißversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5 Verbindungsbildung und -festigkeit 25
5.1 Experimentelle Ermittlung der Verbindungsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.2 Analyse der Verbindungsbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.2.1 Lichtmikroskopische Untersuchung der Kontaktebene . . . . . . . . . . . . . . . 27
5.2.2 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Kontaktebene . . . . . . . . 29
5.3 Modellierung der Verbindungsbildung und Simulation der Verbindungsfestigkeit 32
5.4 Fazit: Berechnung der zulässigen Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6 Struktursimulation 38
6.1 Experimentelle Analyse der Härte in der Wärmeeinflusszone . . . . . . . . . . . 38
6.2 Planung und Durchführung der Wärmebehandlungsversuche . . . . . . . . . . . 39
6.2.1 Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.2.2 Versuchsaufbau und Erprobung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2.3 Versuchsdurchführung und Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.2.4 Ermittlung der plastischen Materialeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.3 Modellentwicklung und -validierung: Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.4 Aufbau und Erprobung der Struktursimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.5 Fazit: Berechnung der vorhandenen Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7 Simulationsmethodik: Validierung und Anwendung 58
7.1 Validierung der Simulation für die Verbindungsfestigkeit . . . . . . . . . . . . . 58
7.2 Anwendung der Struktursimulation: Simulation Kerbzugversuch . . . . . . . . . 60
8 Transfermaßnahamen 63
8.1 Geplante Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit . . . . . . . . . . . . 63
8.2 Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach Abschluss des Vorhabens . . . . 64
8.3 Durchgeführte Transfermaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen 68

Seite VI des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.890 BR
10 Erläuterung zur Verwendung der Zuwendungen 70
10.1 Forschungseinrichtung 1 (OvGU - IWF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
10.2 Forschungseinrichtung 2 (OvGU - IFME) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
11 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse
für kleine und mittlere Unternehmen 71
11.1 Wissenschaftlich-technischer Beitrag der Forschungsergebnisse . . . . . . . . . . 71
11.2 Wirtschaftlicher Nutzen der Forschungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Anhang 72
Literaturverzeichnis 85
Abbildungsverzeichnis 91
Tabellenverzeichnis 92

Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.890 BR
1 Wissenschaftlich-technische und
wirtschaftliche Problemstellung
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.
Das verfolgte Ziel ist dabei stets eine fortdauernde Verbesserung der Produkteigenschaften
hinsichtlich der Funktionserfüllung, -sicherheit und -dichte sowie die Reduzierung
des Ressourceneinsatzes und des Energieverbrauches. Entsprechend ihres Einsatzgebietes,
im Automobil- und Transportwesen, dem Werkzeug- und Vorrichtungsbau und in der Luftund
Raumfahrtindustrie, bestehen Hybridstrukturen häufig aus Kombinationen metallischer
Werkstoffe mit Aluminiumlegierungen. Die Gebrauchstauglichkeit einer solchen Struktur
hängt maßgeblich von der werkstoffadäquaten Ausbildung der Fügezone ab. Zahlreiche etablierte
Fügeverfahren können deshalb nur bedingt angewandt werden, da sie unter anderem
dem unterschiedlichen Verhalten der Fügepartner in der Herstellungsphase nicht Rechnung
tragen (z.B. divergierende physikalische Eigenschaften der Werkstoffe beim Schmelzschweißen)
oder durch zusätzliche Fügeelemente den Aufwand für die Fügeoperationen deutlich
erhöhen (z.B. bei Niet- und Schraubenverbindungen). Vor diesem Hintergrund bieten Fügeverfahren
wie das Rotationsreibschweißen 1 , welche auf der plastischen Deformation der
Fügepartner beruhen, einen erheblichen Vorteil. Dieses ermöglicht die Realisierung einer
stoffschlüssigen Verbindung ohne das Aufschmelzen der Grundwerkstoffe und ohne die Verwendung
von weiteren Fügeelementen, Schweißhilfsstoffen oder Schweißzusätzen. Gewöhnlich
werden beim Reibschweißen zwei zumeist rotationsymmetrische Werkstücke an ihren
Kontaktflächen relative zueinander bewegt und unter Ausnutzung der dabei entstehenden
Wärme und unter Aufbringung einer axialen Kraft miteinander verschweißt. Abb. 1-1 illustriert
den Aufbau des Verfahrens für das Fügen einer Verbindung aus Aluminium und Stahl.
Die bestimmenden Prozessparameter sind die Axialkraft F z sowie die Drehzahl n. Hinsichtlich
des zeitlichen Verlaufs von Axialkraft und Drehzahl wird der Reibschweißprozess generell
in eine Reibphase und eine anschließende Stauchphase unterteilt. Das wesentliche Ziel der
Reibphase ist die Erzeugung von Reibungswärme für die anschließende elastisch-plastische
Deformation der Werkstoffe in der Stauchphase. Diese ermöglicht das Verdrängen von Verunreinigungen
und Oxiden aus der Fügezone, sodass die Werkstoffe unmittelbar in Kontakt
treten können. Als Folge können Diffusionsvorgänge stattfinden, die Festkörperreaktionen
zwischen den beteiligten Fügepartnern ermöglichen und auf diese Weise eine stoffschlüssige
Verbindung schaffen. Im Falle von reibgeschweißten Hybridverbindungen aus Aluminium
und Stahl bildet sich in der Fügezone durch die ablaufenden Festkörperreaktionen intermetallische
Phasen (IMP). Ihre Entstehung basiert auf der begrenzten Löslichkeit von Eisen
in Aluminium und umgekehrt im festen Zustand. Untersuchungen [2] zeigen, dass sich die
Phasen FeAl 3 (Θ-Phase) und Fe 2 Al 5 (η-Phase) bilden.
Aufgrund der Präzision, Robustheit, Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit ist das Reib-
1 Es sei daraufhingewiesen, dass nachfolgend aus nur noch der Begriff Reibschweißen verwendet wird, gemeint
ist jedoch immer das Roatationsreibschweißen.

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.890 BR
Stator
Rotor
t ≠ 0
n(t)
F z (t)
Stahl
t = 0
Aluminium
Spannmittel
Spannmittel
Abbildung 1-1: Prinzipieller Aufbau des Rotationsreibschweißens
schweißen ein industriell verbreitetes und gut etabliertes Fügeverfahren. Bereits heute können
serientauglich reibgeschweißte Aluminium-Stahl-Hybridbauteile hergestellt werden [2].
Entscheidend für die Auslegung solcher Hybridstrukturen sind die Kenntnisse der zulässigen
σ zul und der vorhandenen Beanspruchung σ vor . Mit ihrer Hilfe kann die konstruktive
Schweißsicherheit S der Verbindungen beurteilt werden:
S = σ vorh
σ zul
≤ 1. (1-1)
Unter der Voraussetzung, dass bei reibgeschweißte Aluminium-Stahl-Hybridbauteilen die
Verbindung den schwächsten Bereich der Struktur darstellt, kann die zulässige Beanspruchung
mithilfe der Verbindungsfestigkeit 2 R, welche durch einen geeigneten Versuch ermittelt
werden muss, und einem Sicherheitsbeiwert S zul , welcher durch die gewählte Konstruktionsrichtlinie
festgelegt wird, berechnet werden:
σ zul =
R
S zul
mit S zul ≥ 1. (1-2)
Die Verbindungsfestigkeit ist das Resultat der Verbindungsbildung im Schweißprozess. Daher
ist es nativ die Verbindungsfestigkeit über eine Korrelation mit der Verbindungsbildung zu
beschreiben. Trotz der langjährigen empirischen Erforschung sind für den Reibschweißprozess
bisher keine zuverlässigen Modellierungsansätze zur prädiktive Abschätzung der Verbindungsbildung
erprobt. Aus diesem Grund kann eine Verbesserung der Verbindungsbildung
und eine damit verbundenen Erhöhung der Festigkeit der Schweißverbindung auf Basis der
Prozessparametrierung, der Fügegeometriegestaltung und der Werkstoffauswahl ausschließlich
experimentell erprobt werden. Die vorhandene Beanspruchung einer Schweißverbindung
wird durch die geometrische Abmessung des Bauteils, die anliegende Belastung sowie die
Umgebungs-und Lagerungsrandbedingungen bestimmt. Ihre Berechnung ist oftmals 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 Gefügeänderungen in
der Wärmeeinflusszone 3 (WEZ) und der damit verbundenen Änderung des plastischen Materialverhaltens
(Fließgrenze und Verfestigungsverhalten) durchgeführt. Dadurch wird die
Spannungsverteilung nur unzureichend abgebildet, weshalb hohe Sicherheitsbeiwerte bei der
Auslegung angewendet werden, was zu einer Überdimensionierung der Schweißverbindung
2 Die Verbindungsfestigkeit bezeichnet die höchstmögliche Beanspruchbarkeit, welche am Werkstoffübergang
des Schweißbauteils ertragen werden kann.
3 An dieser Stelle sei noch ergänzt, dass auch die WEZ den schwächsten Bereich innerhalb eines Schweißbauteils
darstellen kann. In diesem Fall ist für die Berechnung der zulässigen Beanspruchung die Verbindungsfestigkeit
R in Glg. (1-2) entsprechend durch die Festigkeit der WEZ zu ersetzen.

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.890 BR
führen kann. Dieses Vorgehen steht jedoch im Widerspruch zum Ziel des Einsatzes von Hybridverbindungen
als Leichtbaustrukturen. Darüber hinaus ist unter der Annahme linearelastischen
Materialverhaltens eine Beurteilung der Schweißsicherheit bei Überlastszenarien
nicht realisierbar. Als Konsequenz ist eine elastisch-plastische Auslegung der Schweißbauteilverbindung
notwendig. Es ist leicht zu erkennen, dass ein Forschungsbedarf sowohl für die
Berechnung der vorhandenen Beanspruchung im Schweißbauteil als auch für die Abschätzung
der zulässigen Beanspruchung der Schweißverbindung besteht. Ziel des Forschungsvorhabens
ist die Entwicklung und Erprobung von geeigneten Modellierungsansätzen für die prädiktive
elastisch-plastische Vorauslegung von reibgeschweißten Hybridverbindungen.

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 20.890 BR
2 Stand der Technik
2.1 Modellierungsansatz: Verbindungsbildung und
-festigkeit
Die Verbindungsfestigkeit von Schweißbauteilen wird durch die Verbindungsbildung im
Schweißprozess bestimmt. Es ist deshalb naheliegend die Verbindungsfestigkeit über eine
Korrelation mit der Verbindungsbildung zu beschreiben. Beim Reibschweißen ist die Verbindungsbildung
das Resultat von Festkörperreaktionen, welche infolge von Diffusionsvorgängen
stattfinden können, die wiederum erst durch einen unmittelbaren Kontakt zwischen
den am Fügeprozess beteiligten Werkstoffoberflächen ermöglicht werden. Im Kontext der
Verbindungsbildung ist unter dem Begriff des unmittelbaren Kontakts ein direkter Kontakt 4
zwischen den beiden metallischen Grundwerkstoffen gemeint. Vor dem Hintergrund, dass die
Beschaffenheit der Oberfläche von metallischen Werkstoffen weder ideal glatt noch frei von
Oxiden und Verunreinigungen ist, kann ein unmittelbarer Kontakt im Schweißprozess nicht
initial entstehen. Voraussetzung dafür ist das bestehende und infolge des Aufbrechens und
Verdrängens von Oxiden und Verunreinigung entstehende Hohlräume geschlossen werden,
bis sich schließlich ein unmittelbarer Kontakt eingestellt hat. Diesen Vorgang des Schließens
von Hohlräumen durch Deformation hat Tanaka [3] experimentell und numerisch
hinsichtlich der Einflußgrößen untersucht. Tanaka zeigte, dass die Reduktion des Volumens
eines Hohlraumes ∆V unter einer Druckbelastung von der, den Hohlraum umgebenden,
Spannungstriaxialität T abhängig ist. Die Spannungstriaxialität ist das Verhältnis aus dem
hydrostatischem Druck p und der Vergleichsspannung nach Huber-von Mises 5 σ, welche
mithilfe des Cauchy-Spannunstensor T und des Einstensors I berechnet werden:
T = p σ
mit p = 1 3 sp (T ) und σ = √
3
2 T ′ : T ′ und T ′ = T − pI. (2-1)
Darin kennzeichnen sp (□) die Spur und □ ′ den Deviator des Tensors. Um das Schließen von
Hohlräumen quantitativ zu beschreiben schlug Tanaka eine Modellgleichung vor, die einen
Indikator w 6 berechnet:
w =
t∫
end
t 0
−T ˙εdt mit ˙ε =
√
2
3 D′ : D ′ und D ′ = D − 1 sp (D) I, (2-2)
3
der mit der Reduktion des Volumens von Hohlräumen funktional korreliert werden kann:
∆V = V (t 0) − V (t end )
V (t 0 )
= F (w) . (2-3)
4 Metall-zu-Metall-Kontakt
5 Im Folgenden wird die Vergleichsspannung nach Huber-von Mises nur noch als von Mises-Spannung
bezeichnet.
6 Es ist zu beachten, dass die Spannungstriaxialität für einen Druckspannungszustand negative ist, sodass
der Indikator einen positiven Wert annimmt.