Numerical assessment of the residual stress formation in rotary friction welding

Abstract

The present work addresses the estimation of residual stresses in rotary friction welded components using a structural simulation. The starting point is a process simulation for friction welding, which has been elaborated in prior works to predict the temperatures and the material flow. This model is unsuitable for residual stress predicitons, however, due to its underlying material model among other reasons. Therefore, the material simulation is a major focus of this work. Because of their wide use in friction welding applications, the focus shall be on steels. In this work, a practical parameterization for a phenomenological phase transformation model is proposed and the flow properties of the material are derived based on the phase transformation points. The predicted phase transformations are validated by hardness measurements, and the flow properties by non-isothermal hot tensile testing. The developed model is capable of reproducing various examples and phenomena from literature and from industrial applications that are associated with high residual stresses. In addition, general recommendations for a residual stress compliant design have been derived.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Abschätzung der Eigenspannungen in reibgeschweißten Bauteilen mithilfe einer Struktursimulation. Den Ausgangspunkt bildet eine Prozesssimulation für das Reibschweißen, welche in vorangegangen Arbeiten entwickelt worden ist, um die Temperaturen und den Materialfluss zu prädiktieren. Unter anderem durch das zugrundeliegende Materialmodell ist diese jedoch zur Eigenspannungsvorhersage ungeeignet, weshalb die Materialsimulation einen wesentlichen Arbeitsschwerpunkt darstellt. Angesichts der hohen industriellen Verbreitung liegt der Fokus hier auf Stählen. In der Arbeit wird eine praktische Parametrisierung für ein phänomenologisches Phasenumwandlungsmodell vorgeschlagen und es werden ausgehend von den Phasenumwandlungspunkten die Fließeigenschaften des Stahls abgeleitet. Die Validierung der prädiktierten Phasenumwandlungen erfolgt anhand von Härtemessungen, die der Fließeigenschaften anhand von anisothermen Warmzugversuchen. Das erstellte Modell ist in der Lage verschiedene Beispiele und Phänomene aus der Literatur und Praxis abzubilden, die im Zusammenhang mit hohen Eigenspannungen stehen. Darüber hinaus sind allgemeine Empfehlungen für eine eigenspannungsgerechte Gestaltung abgeleitet worden.