Knowledge based process development of bobbin tool friction stir welding

Medientyp: E-Book; Hochschulschrift

Titel: Knowledge based process development of bobbin tool friction stir welding

Beteiligte: Hilgert, Jakob [Verfasser:in]; Hoffmann, Norbert [Sonstige Person, Familie und Körperschaft]; Hoffmann, Norbert [Sonstige Person, Familie und Körperschaft]

Körperschaft: Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Werkstoffphysik und -technologie

Erschienen: 2012

Ausgabe: [Elektronische Ressource]

Umfang: Online-Ressource (PDF-Datei: X, 118, XLI S., 15.234 KB); Ill., graph. Darst

Sprache: Englisch

Identifikator:

Schlagwörter: Reibschweißen

Entstehung:

Hochschulschrift: Hamburg-Harburg, Techn. Univ., Institut für Wekstoffphysik und -technologie, Diss., 2012

Anmerkungen: Zsfassung in engl. und dt. Sprache
Systemvoraussetzungen: Internet-Zugriff, Adobe Acrobat Reader

Beschreibung: Over the last twenty years Friction Stir Welding (FSW) has proven to be a very promising new joining technique. Especially high strength aluminium alloys can be welded with large advantages as compared to conventional fusion welding processes. For some joint configurations and desired applications bobbin tool welding is a process variant that can circumvent limitations arising from the high process forces in conventional tool FSW. As bobbin tools are highly mechanically loaded, in-depth understanding of the evolution of temperatures and forces is desirable to avoid tool failure and extend the range of applicable process parameters together with overall productivity. Up to now the process and tool development has been mostly empirical. A transition to a science based approach is highly necessary.The work presented here was conducted to establish a set of numerical models that can be used in process development of bobbin tool FSW. The first model covers the transient temperature fields that are needed as input for any further model. The material flow model predicts the acting forces and shear layer shape. Finally the mechanical loads on the tool are predicted by a mechanical model.The models predict very time and position dependent conditions for the investigated specimen sizes and welding speeds. This explains the instability that can be observed experimentally under certain conditions. A control strategy is needed to produce sound welds at reasonable productivity. A versatile controller has been successfully designed, implemented and tested as part of the work presented here.The models are applied to the existing tools and validated experimentally. A novel tool design is developed based on the experimental results and further improved using the models predictions. Finally the new tool design is tested. The results have shown that the productivity of the process as well as the joint quality could be significantly improved. The knowledge about the thermal history and extent of plastic deformation gained from the process model is a valuable input to the understanding of microstructure formation and the development of residual stress fields.

Das Rührreibschweißen hat sich in den letzten 20 Jahren als vielversprechender Fügeprozess herausgestellt. Insbesondere beim Fügen hochfester Aluminium Legierungen zeigen sich große Vorteile gegenüber konventionellen Schweiß verfahren. Die Prozessvariante des Bobbin Werkzeuges (Zweischulterwerkzeug) kann in einigen Fällen genutzt werden um die Einschränkungen des konventionellen Verfahrens durch übermäßige Prozesskräfte zu umgehen. Da Bobbin Werkzeuge mechanisch sehr hoch belastet sind sollten die wirkenden Kräfte und Temperaturen möglichst exakt bekannt sein um die Zerstörung der Werkzeuge zu verhindern und das Prozessfenster und die Produktivität zu optimieren. Bis jetzt basierte die Prozess- und Werkzeugentwicklung auf empirischen Erwägungen. Ein Übergang hin zu einem wissensbasierten Ansatz erscheint dringend erforderlich. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Reihe numerischer Modelle die für die Prozessentwicklung des Reibrührschweißens mit Bobbin Werkzeug eingesetzt werden können. Das grundlegende Modell ermöglicht die zeitaufgelöste Vorhersage der Temperaturverläufe innerhalb des Prozesses und wird für alle weiterführenden Vorhersagen benötigt. Der Materialfluss wird modelliert, um Aussagen über die wirkenden Kräfte und die Form der Scherschicht zu ermöglichen. Diese mechanischen Lasten finden Eingang in ein Modell zur Vorhersage des Spannungszustandes im Werkzeug. Die Vorhersagen ergeben im Falle der verwendeten Probengeometrie und Prozessparametern sehr zeit- und ortsabhängige Verläufe der Prozessgrößen. Dies erklärt die zu beobachtende Instabilität für ungeregelte Versuche. Eine Regelstrategie ist unerlässlich, um fehlerfreie Verbindungen mit akzeptabler Produktivität zu erreichen. Ein solcher Regelalgorithmus wird im Rahmen der Arbeit erfolgreich entworfen, implementiert und angewendet. Die numerischen Modelle werden auf die verfügbaren Werkzeuge angewendet und die Vorhersagen experimentell überprüft. Auf den Ergebnissen aufbauend wird eine verbesserte Werkzeuggeometrie entwickelt, produziert und getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Produktivität des Verfahrens und die Qualität der Verbindungen erheblich verbessert werden können. Erst das Wissen um die exakten Temperaturverläufe im Material und das Ausmaß der plastischen Verformung ermöglicht weiterführende Untersuchungen der Entwicklung der Mikrostrukur und der Eigenspannungen.

Zugangsstatus: Freier Zugang

Knowledge based process development of bobbin tool friction stir welding - [Elektronische Ressource]

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