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2022<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Simulativ gestützte<br />
Charakterisierung eines<br />
momentenreduzierten<br />
Rotationsreibschweißprozesses
Simulativ gestützte<br />
Charakterisierung eines<br />
momentenreduzierten<br />
Rotationsreibschweißprozesses<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 20.809 BR<br />
DVS-Nr.: 05.3262<br />
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg<br />
Institut für Werkstoff- und Fügetechnik<br />
Lehrstuhl Fügetechnik<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.809 BR / DVS-Nr.: 05.3262 der Forschungsvereinigung<br />
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,<br />
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen<br />
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz<br />
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
zu IGF-Vorhaben Nr. 22.809 BR<br />
Thema<br />
Simulativ gestützte Charakterisierung eines momentenreduzierten<br />
Rotationsreibschweißprozesses<br />
Berichtszeitraum<br />
01.09.2019 30.06.2022<br />
Forschungsvereinigung<br />
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
Forschungseinrichtung(en)<br />
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Institut für Werkstoff- und Fügetechnik, Lehrstuhl<br />
Fügetechnik
Projektbearbeitung 2<br />
Projektbearbeitung<br />
Titel:<br />
IGF-Nr.:<br />
Forschungsvereinigung (FV):<br />
Forschungseinrichtung (FE):<br />
Projektleiter:<br />
Projektbearbeiter:<br />
Autor:<br />
Lektorat:<br />
Simulativ gestützte Charakterisierung eines momentenreduzierten<br />
Rotationsreibschweißprozesses<br />
20.809 BR<br />
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren<br />
e.V. des DVS<br />
Aachener Straße 172<br />
40223 Düsseldorf<br />
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg<br />
Institut für Werkstoff- und Fügetechnik<br />
Universitätsplatz 2<br />
39106 Magdeburg<br />
Prof. Dr.-Ing. Sven Jüttner<br />
+49 (0)391 67 18741<br />
sven.juettner@ovgu.de<br />
Dipl.-Ing. Markus Körner<br />
+49 (0)391 67 57344<br />
markus.koerner@ovgu.de<br />
Dipl.-Ing. Markus Körner<br />
+49 (0)391 67 57344<br />
markus.koerner@ovgu.de<br />
M. Sc. Florian Urban<br />
+49 (0)391 67 57072<br />
florian.urban@ovgu.de
Inhaltsverzeichnis 7<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Projektbearbeitung ........................................................................................................ 2<br />
Zusammenfassung ........................................................................................................ 3<br />
Danksagung .................................................................................................................. 6<br />
Inhaltsverzeichnis .......................................................................................................... 7<br />
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................. 12<br />
Tabellenverzeichnis ..................................................................................................... 46<br />
Abkürzungsverzeichnis................................................................................................ 48<br />
Verzeichnis der Formelzeichen ................................................................................... 49<br />
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ......................... 52<br />
1.1 Anlass für den Forschungsantrag .................................................................. 52<br />
1.2 Ausgangssituation ......................................................................................... 55<br />
2 Stand der Technik ................................................................................................. 57<br />
2.1 Prozesssimulation.......................................................................................... 57<br />
2.2 Einfluss der Reibmomente beim Reibschweißen ........................................... 58<br />
3 Forschungsziel und Lösungsweg .......................................................................... 61<br />
3.1 Forschungsziel .............................................................................................. 61<br />
3.1.1 Arbeitsplan ........................................................................................... 61<br />
3.1.2 Projektzeitplan ...................................................................................... 66<br />
3.1.3 Zielsetzung ........................................................................................... 66<br />
3.1.4 Innovativer Ansatz ................................................................................ 67<br />
3.1.5 Arbeitshypothesen ................................................................................ 67<br />
3.2 Lösungsweg .................................................................................................. 67<br />
3.2.1 Werkstoffe ............................................................................................ 67<br />
3.2.2 Probengeometrie .................................................................................. 68<br />
3.2.3 Maschinentechnik ................................................................................. 68<br />
3.2.4 Prozesssimulation ................................................................................ 69<br />
4 Forschungsergebnisse .......................................................................................... 71<br />
4.1 Mess- und Anlagentechnik ............................................................................. 71<br />
4.1.1 Reibschweißmaschine RH-120-SE ....................................................... 71<br />
4.1.2 Reibschweißmaschine KUKA Genius ................................................... 72
Inhaltsverzeichnis 8<br />
4.1.3 Gleeble-3500-Anlage ............................................................................ 73<br />
4.1.4 Messtechnik.......................................................................................... 74<br />
4.1.4.1 Aufbau und Funktion der Messtechnik ...................................... 74<br />
4.1.4.2 Konstruktive Auslegung Messtechnik ........................................ 80<br />
4.1.4.3 Zusammenbau der Gesamtbaugruppe ..................................... 85<br />
4.1.4.4 Inbetriebnahme und Kalibrierung Messtechnik.......................... 88<br />
4.1.4.5 Zusammenfassung durchgeführter Tätigkeiten ....................... 101<br />
4.2 Materialparameteridentifikation .................................................................... 102<br />
4.2.1 Methode zur Bestimmung der thermomechanischen<br />
Werkstoffeigenschaften mittels Gleeble-3500-Maschine ..................... 102<br />
4.2.2 Werkstoff Cf53 [1.1213] ...................................................................... 103<br />
4.2.2.1 Thermodynamisches Werkstoffmodell .................................... 104<br />
4.2.2.2 Thermomechanisches Werkstoffmodell .................................. 105<br />
4.2.3 Werkstoff 38MnVS6 [1.1303] .............................................................. 107<br />
4.2.3.1 Thermodynamisches Werkstoffmodell .................................... 107<br />
4.2.3.2 Thermomechanisches Werkstoffmodell .................................. 108<br />
4.2.3.3 Mangan(II)-sulfidagglomerationen beim Reibschweißen ......... 111<br />
4.2.4 Werkstoffe C35 [1.0501] und C22E [1.1151] ....................................... 114<br />
4.2.5 Zusammenfassung durchgeführter Tätigkeiten ................................... 114<br />
4.3 Versuchsplanung ......................................................................................... 115<br />
4.3.1 Versuchsplanung und Prozessparametrierung etablierter Prozess ..... 115<br />
4.3.2 Versuchsplanung und Prozessparametrierung momentenreduzierter<br />
Prozess .............................................................................................. 119<br />
4.3.2.1 1. Iterationsstufe momentenreduziertes Reibschweißen ......... 119<br />
4.3.2.2 2. Iterationsstufe momentenreduziertes Reibschweißen ......... 120<br />
4.3.3 Zusammenfassung durchgeführter Tätigkeiten ................................... 123<br />
4.4 Versuchsvorbereitung .................................................................................. 124<br />
4.4.1 Experimentelle Bestimmung der maschinellen Nachgiebigkeiten ........ 124<br />
4.4.1.1 Reibschweißanlage RH-120-SE ............................................. 124<br />
4.4.1.2 Reibschweißanlage KUKA Genius .......................................... 125<br />
4.5 Kalibrierung der Prozesssimulation .............................................................. 127<br />
4.5.1 Kalibriermethode ................................................................................ 127<br />
4.5.2 Kalibrierung und Validierung des Modells ........................................... 128<br />
4.5.2.1 Werkstoffmodell ...................................................................... 128
Inhaltsverzeichnis 9<br />
4.5.2.2 Geometriemodell .................................................................... 129<br />
4.5.2.3 Prozessmodell ........................................................................ 129<br />
4.5.2.4 Numerisches Modell ............................................................... 131<br />
4.5.2.5 Postprocessingmodell ............................................................. 134<br />
4.5.2.6 Exemplarische Kalibriermethode in Versuchsraummitte ......... 135<br />
4.5.3 Zusammenfassung durchgeführter Tätigkeiten ................................... 137<br />
4.6 Streuungs- und Prozesssanalyse ................................................................ 138<br />
4.6.1 Simulative Streuungsanalyse im Rahmen der Prozessvorentwicklung 138<br />
4.6.1.1 Qualitative Geometriesensitivitätsstudie.................................. 138<br />
4.6.1.2 Qualitative Werkstoffsensitivitätsstudie ................................... 142<br />
4.6.1.3 Qualitative Prozesssensitivitätsstudie ..................................... 148<br />
4.6.1.4 Qualitative Sensitivitätsstudie des numerischen<br />
Simulationsmodells ................................................................. 156<br />
4.6.1.5 Qualitative Pareto-Analyse der Daten zwecks<br />
Einflussquantifizierung ............................................................ 156<br />
4.6.2 Pareto-Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen Prozesseingangsund<br />
-ausgangsgrößen übertragen auf den momentenreduzierten<br />
Anwendungsfall .................................................................................. 158<br />
4.6.2.1 Prozessparameterset 1 – 2. Iterationsstufe Momentenreduktion<br />
............................................................................................... 158<br />
4.6.2.2 Prozessparameterset 2 – 2. Iterationsstufe Momentenreduktion<br />
............................................................................................... 163<br />
4.6.2.3 Prozessparameterset 3 – 2. Iterationsstufe Momentenreduktion<br />
............................................................................................... 166<br />
4.6.2.4 Prozessparameterset 4 – 2. Iterationsstufe Momentenreduktion<br />
............................................................................................... 170<br />
4.6.2.5 Prozessparameterset 5 – 2. Iterationsstufe Momentenreduktion<br />
............................................................................................... 175<br />
4.6.2.6 Prozessparameterset 6 – 2. Iterationsstufe Momentenreduktion<br />
............................................................................................... 176<br />
4.6.3 Machine-Learning-Algorithmen ........................................................... 178<br />
4.6.3.1 Künstliches neuronales Netzwerk (KNN) ................................ 179<br />
4.6.4 Zusammenfassung durchgeführter Tätigkeiten ................................... 183<br />
4.7 Versuchsdurchführung ................................................................................. 183<br />
4.7.1 Versuchsdurchführung Kalibrierschweißversuche .............................. 183<br />
4.7.1.1 Versuchsdurchführung Reibschweißmaschine RH-120-SE..... 184<br />
4.7.1.2 Versuchsdurchführung Reibschweißmaschine KUKA Genius . 190
Inhaltsverzeichnis 10<br />
4.7.1.3 Fehlerbetrachtung ................................................................... 194<br />
4.7.2 Versuchsdurchführung momentenreduziertes Reibschweißen ........... 196<br />
4.7.2.1 Versuchsdurchführung Reibschweißmaschine RH-120-SE 1.<br />
Iterationsstufe ......................................................................... 196<br />
4.7.2.2 Versuchsdurchführung Reibschweißmaschine KUKA Genius 1.<br />
Iterationsstufe ......................................................................... 199<br />
4.7.2.3 Versuchsdurchführung Reibschweißmaschine KUKA Genius 2.<br />
Iterationsstufe (dickwandige Rohrreibschweißversuche) ......... 202<br />
4.7.2.4 Versuchsdurchführung Reibschweißmaschine RH-120-SE dünnwandige<br />
Rohrgeometrien ........................................................ 207<br />
4.7.3 Zusammenfassung durchgeführter Tätigkeiten ................................... 212<br />
5 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen des ursprünglichen<br />
Forschungsantrages und Schlussfolgerungen aus den Forschungsergebnissen 213<br />
6 Erläuterung zur Verwendung der Zuwendungen ................................................. 216<br />
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der<br />
Forschungsergebnisse für kleine und mittlere Unternehmen ............................... 218<br />
8 Bisherige Veröffentlichungen zu den Forschungsergebnissen ............................ 220<br />
9 Transfermaßnahmen........................................................................................... 221<br />
9.1 Bereits durchgeführte Transfermaßnahmen ................................................. 221<br />
9.2 Geplante Transfermaßnahmen nach Laufzeitende ...................................... 222<br />
9.3 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten<br />
Transferkonzepts ......................................................................................... 223<br />
10 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 224<br />
Anhang A .................................................................................................................. 228<br />
Anhang B .................................................................................................................. 240<br />
Anhang C .................................................................................................................. 246<br />
Anhang D .................................................................................................................. 248<br />
Anhang E .................................................................................................................. 253<br />
Anhang F .................................................................................................................. 257<br />
Anhang G .................................................................................................................. 266<br />
Anhang H .................................................................................................................. 282<br />
Anhang I .................................................................................................................... 283<br />
Anhang J ................................................................................................................... 285<br />
Anhang G .................................................................................................................. 350<br />
Anhang H (Kalibrierschweißversuche) ....................................................................... 369<br />
Anhang I (1. Iterationsstufe Momentenreduktion) ...................................................... 406
Inhaltsverzeichnis 11<br />
Anhang J (2. Iterationsstufe Momentenreduktion) ..................................................... 469
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 52<br />
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung<br />
1.1 Anlass für den Forschungsantrag<br />
Reibschweißen ist ein vielfach genutztes Pressschweißverfahren nach DIN EN ISO 4063 mit erheblichem<br />
Innovationspotenzial [1]. Beim kontinuierlich angetriebenen Prozess wird dabei, wie in<br />
Abbildung 1 dargestellt, ein spindelseitig eingespanntes Werkstück auf konstante Drehzahl beschleunigt<br />
und axial unter Aufbringung eines gewissen Reibdrucks auf das stehende Werk-stück<br />
gerieben [2, 3]. Das Reibschweißverfahren wird aufgrund seiner vielseitigen Vorteile, wozu die<br />
hohe Prozessstabilität, Verbindungsqualität und Positioniergenauigkeit der Schweißteile gehört,<br />
in vielen Industriezweigen, unter anderem im Automobil- und Schiffsbau sowie der Luftfahrtindustrie<br />
eingesetzt. Aufgrund der Relativbewegung und den wirkenden Prozesskräften wird<br />
Reibwärme in der Kontaktfläche erzeugt. Dabei werden die Fügeteile solange gerieben, bis ein<br />
für die stoffschlüssige Verbindung genügend hoher Wärmeeintrag erzeugt wurde. In der letzten<br />
Prozessphase wird die Relativbewegung gestoppt und die Axialkraft auf Stauchkraftniveau erhöht.<br />
In der Stauchphase wird der eigentliche Stoffschluss hergestellt. Dabei wird der erhöhte<br />
Stauchdruck solange aufrechterhalten, bis sich eine Sättigung der Verkürzung einstellt und die<br />
verbindungsbildenden Diffusionsvorgänge abgeschlossen sind.<br />
Abbildung 1: Schematischer Aufbau des kontinuierlich angetriebenen Rotationsreibschweißprozesses<br />
[4]<br />
Beim kontinuierlich angetriebenen Rotationsreibschweißprozess handelt es sich um die Form des<br />
Reibschweißverfahrens, welche den größten industriellen Anwendungsbereich darstellt. Die Parametrierung<br />
des direkt angetriebenen Rotationsreibschweißprozesses erfolgt zumeist anhand<br />
tabellarischer Parameterfenster, wie etwa jene im DVS Merkblatt 2909-2 [5, 6], ausschnittsweise<br />
in Tabelle 1 dargestellt. Der Prozess wird mit Hilfe dieser in Abhängigkeit von den Werkstoffen<br />
und Fügeteilgeometrien durch Vorgabe von Drehzahl, Kraft/Druck sowie Phasenschaltern parametriert.<br />
Die zeitabhängigen Prozessparameterverläufe des klassischen Reibschweißprozesses<br />
können entsprechend der schematischen Darstellung in der linken Abbildung 3 beschrieben werden.<br />
Charakteristisch ist hierbei der Verlauf der Prozessgröße des Reibmomentes, welches<br />
jeweils in der Anreib- und Bremsphase ein lokales Maximum einnimmt. Das Auftreten dieser<br />
Reibmomentenspitzen wird durch die etablierte Prozessparametrierung bedingt und lässt sich<br />
durch die tribologischen und thermodynamischen Wechselwirkungen der Prozessparameter erklären<br />
[4]. Dabei lässt die klassische Prozessführung eine Reduktion der auftretenden Momente<br />
nur sehr begrenzt zu, da die Prozessparameter nur phasenabhängig ohne Einfluss auf das Prozessparameterprofil,<br />
beispielsweise bei den Aufbauzeiten, hinterlegt werden können. Eine er-
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 53<br />
schwerende Problemstellung bei der Parametrierung des Reibschweißprozesses ist, dass vorab<br />
durch die tabellierten Parameterfenster keine Aussage über die zu erwartenden Reibmomente<br />
erfolgt.<br />
Tabelle 1:<br />
Parametrierung des kontinuierlich angetriebenen Rotationsreibschweißprozesses<br />
anhand von DVS Merkblatt 2909 Teil 2 [4]<br />
Werkstoff<br />
Reibkraft<br />
[N/mm²]<br />
Stauchkraft<br />
[N/mm²]<br />
Reibzeit<br />
[s]<br />
Stauchzeit<br />
[s]<br />
Drehzahl<br />
[min -1 ]<br />
Unlegierte<br />
Stähle<br />
20…80 80…250 1…100 2…10 500…5000<br />
C60 50…80 150…250 3…6 2…3 1500…3000<br />
42CrMo4 50…80 150…250 3…6 2…3 1500…3000<br />
Aufgrund fehlender Messtechnik bei industriell eingesetzten Reibschweißmaschinen ist die experimentelle<br />
Ermittlung der Reibmomente durch Vorversuche in der Regel nicht möglich. Aus<br />
diesem Grund werden hohe Vorspannkräfte gewählt und die Spannmittel zum Teil sehr massiv<br />
ausgeführt, um Bauteilschlupf in Folge hoher Reibmomente zu verhindern. Dies ist einer der treibenden<br />
Faktoren für die Kosten der Spannmittel. Kommt es dennoch zum Bauteilschlupf während<br />
des Reibschweißens, führt dies zu schnellem Verschleißen der Spannbacken und Beschädigungen<br />
der Fügebauteile, welches in Abbildung 2 dargestellt ist.<br />
Abbildung 2: Oberflächenschäden (Spannmarken) auf dickwandigen Rohrbauteilen (links),<br />
Vollwellenbauteilen (mitte) und Beulen von dünnwandigen Rohrbauteilen in<br />
Folge von Bauteilschlupf und Spannkräften beim Reibschweißen (rechts).<br />
Zu sehen sind hierbei für dickwandige Rohrbauteile (links) und Vollmaterialreibschweißungen<br />
(mittig) Oberflächenschäden, sogenannte Spannmarken, welche den Produktionsausschuss und<br />
somit die Kosten im Rahmen der industriellen Anwendung erhöhen. Eine weitere Problemstellung<br />
zeigt sich bei der Anwendung des Reibschweißverfahrens beim Fügen dünnwandiger Rohrbauteile,<br />
welches in der Abbildung 2 rechts dargestellt ist. Die durch kraftschlüssige Einspannung
Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 54<br />
benötigten Vorspannkräfte zur sicheren Haftung der Bauteile führen bei mangelnder Gestalt-festigkeit<br />
der Schweißteile zu einem Beulversagen. Dieses Versagenskriterium definiert die<br />
Mindestwandstärke von Rohrbauteilen und begrenzt somit auch den Einsatz des Fügeverfahrens<br />
insbesondere für Leichtbauanwendungen. Unter anderem aus diesem Grund sind zum Beispiel<br />
in der Gelenkwellenfertigung die Rohrwandstärken auf ca. 1,3 mm minimale Wandstärke begrenzt,<br />
obwohl eine Reduktion sogar auf Wandstärken unterhalb von 1,0 mm möglich und im<br />
Rahmen der fortschreitenden Leichtbauanwendungen praktikabel wäre. Es ist somit erforderlich,<br />
die prozessbedingten Reibmomente in der Anreib- und Bremsphase zu reduzieren und so eine<br />
Verringerung der Vorspannkräfte beim Reibschweißen zu ermöglichen. Dabei dürfen sich jedoch<br />
die Verbindungseigenschaften und Prozesstaktzeiten nicht verschlechtern. Es sollen zum einen<br />
Spannmarken, welche durch Schlupf der Fügeteile in den Spannmitteln entstehen, vermieden<br />
und zum anderen die Reibschweißtechnologie auf Bauteile mit geringer Gestaltfestigkeit (dünnwandige<br />
Rohre) erweitert werden.<br />
Abbildung 3: Gegenüberstellung des konventionellen Prozessablaufes (links) und des momentenreduzierten<br />
Reibschweißens anhand von Simulationsergebnissen<br />
(rechts)<br />
Der Ansatz zur Erreichung des Forschungszieles ist eine innovative Gestaltung der zeitlichen<br />
Prozessparameterverläufe, im Wesentlichen beschrieben durch die Drehzahl und Axialkraft als<br />
Prozessparameter und den Prozessreaktionsgrößen des Reibmomentes und der Bauteilverkürzung.<br />
Im klassischen Prozess wird die Axialkraft über ein zweistufiges Profil eines Reibkraft- und<br />
Stauchkraftniveaus aufgebracht. Das erste Maximum des Reibmoments in der Anreibphase kann<br />
neben einer Drehzahlerhöhung durch eine langsam, sich stetig aufbauende Axialkraft reduziert<br />
werden. In der Gleichgewichtsphase ist über eine Drehzahlerhöhung das stationäre Reibmoment,<br />
auch als Gleichgewichtsreibmoment bezeichnet, reduzierbar. In der Bremsphase kann schließlich<br />
über eine Reduktion der Axialkraft in Kombination mit einem aktiven schnellen Abbremsen das<br />
letzte Maximum der Reibmomentenkurve signifikant reduziert werden. Die Zusammenhänge sind<br />
in Abbildung 3 rechts abgebildet und lassen sich unter anderem durch die numerische Prozesssimulation<br />
beschreiben. Wesentliche Fragestellungen des Forschungsprojektes sind z.B., wie<br />
schnell und in welchem Profil die Reibkraft aufgebracht, wie lange sie in der Bremsphase reduziert<br />
werden kann oder wie hoch die Drehzahl in Abhängigkeit von gegebenen geometrischen
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