Kurzfassung
Reibrührschweißen (engl. FSW) hat als modernes Fügeverfahren in den letzten Jahren Einzug in die industrielle Fertigung gehalten. Es gibt bereits vielfältige Anwendungen in der Flugzeug- und Schiffbauindustrie. Wenn metallische Werkstoffe gefügt werden, so beeinflußt der thermo-mechanische Prozeß deren Mikrostruktur und Eigenschaften. Im Bereich der Schweißnaht bildet sich eine Nicht-Gleichgewichtsphase aus, welche sich stark vom Grundwerkstoff unterscheidet. Unter anderem können Bruchlast und Zähigkeit der Materials herabgesetzt werden. Bei der Konstruktion integraler Strukturen wird versucht, diese Veränderung durch Vergrößerung der Bauteildimensionen oder durch komplexe Formen auszugleichen. Dies hat allerdings negative Folgen für Produktivität, Materialverbrauch und Preis der integralen Bauteile. Die Erkenntnisse über die Kinetik dieser Nicht-Gleichgewichtsphasen mußten bisher aus geschweißten Proben im
Nachhinein (post-mortem) extrapoliert werden. Mit dem in-situ Experiment sind auch die Übergangsphasen während des Prozesses zugänglich und man erhält den direkten Blick auf deren Kinetik. Hierfür wurde am Helmholtz-Zentrum Geesthacht die portable Reibrührschweißanlage FlexiStir entwickelt und gebaut. Es ist so erstmals möglich, die Kinetik härtender Ausscheidungen im Werkstoff AA7449 während des Reibrührschweißens zu untersuchen. Mit Hilfe der Kleinwinkelstreuung können Volumenbruchteil und Radius dieser Partikel quantitativ für verschiedene Zonen der Schweißnaht bestimmt werden. Diese Daten sind eine wertvolle Stützstelle für das Prozeßmodell, welches das Reibrührschweißen beschreibt. Aufgrund der Streuergebnisse muß das Modell um die Ausscheidungen ergänzt werden, welche sich entlang der Korngrenzen während der Abkühlphase bilden. Zusätzliche wurden Eigenspannungsmessungen mittels Neutronenstreuung an reibrührgeschweißten Komponenten durchgeführt. Neutronen sind insbesondere zur Untersuchung großer Bauteile sehr gut geeignet. Die Ergebnisse können das Modell für das Ermüdungsverhalten geschweißter Bauteile validieren.
Friction stir welding (FSW) has in a very short time found a multitude of hightech applications in the transportation and energy industries. When metallic engineering materials are friction stir welded, thermo-mechanical processes alter the base metal microstructure and properties. The result is the formation of nonequilibrium microstructures in the joint region, which are significantly different from those found in the base material. Such non-equilibrium phases can reduce strength and toughness of the material and are normally compensated by increasing the dimensions or design complexity of integral structures with negative effects on material consumption, performance, and productivity of these structures. The present knowledge on such non-equilibrium metallurgical reactions has been extrapolated from investigations on specimens in ’as welded’ (i.e. post mortem) condition. However, the intermediate stages of precipitation or phase transformations in the weld zone during welding can only be registered by in-situ experiments. Therefore, a new transportable FSW system FlexiStir, for in-situ measurements was developed and patented by the Helmholtz-Zentrum Geesthacht(HZG). Quantitative results of precipitation and recrystallisation phenomena have been achieved by an in-situ monitoring of a weld of aluminium alloy AA7449. Small-angle X-ray scattering (SAXS) at high photon energies was used to obtain time resolved results on volume fractions and sizes of precipitates at different locations in the weld zone. The results give unique information about the FSW process. The process model describing precipitations phenomena during high-speed FSW has to be optimized according to den scattering results. The precipitation at the grain boundaries must be included into the model. Also the residual stress state of friction stir welds of aluminium can be described by numerical methods. Residual stress measurements by scattering experiments have been carried out, to validate the results of the process model. Neutron scattering is very well suited for the investigation of thick components.