In diesem Forschungsvorhaben wurde die Schwingfestigkeit von zwei Bauteilen mit Blechdicken t < 2 mm, einem Injektor zur Benzindirekteinspritzung und einem Längsträger aus dem Karosseriebereich, sowie zwei an die Geometrie des Längsträgers angelehnten Proben unter konstanter Amplitudenbelastung experimentell ermittelt. Hierbei bildeten scharfe Wurzelkerben und Schweißnahtenden versagenskritische Orte. Für alle Versuchskörper wurden die Schweißnahtbeanspruchung basierend auf dem Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept numerisch mittels Finite Element Analyse berechnet und anhand der Versuchsergebnisse die Beanspruchbarkeit bestimmt. Es erfolgte eine Bewertung der ermittelten Beanspruchbarkeiten der einzelnen Versuchskörper untereinander sowie eine Gegenüberstellung gegen die Bemessungswöhlerlinie der IIW Empfehlungen sowie einer Bemessungswöhlerlinie, die von Versuchen an laserstrahlgeschweißten Feinblechverbindungen abgeleitet wurde. Bei der Bewertung mit dem Kerbspannungskonzept zeigte sich, dass die Versuchsreihen an Proben mit Nahtenden eine etwa doppelt so hohe Beanspruchbarkeit aufweisen wie die Versuchsreihen an Proben ohne Nahtenden. Eine Überführung der Ergebnisse in eine gemeinsame Referenzwöhlerlinie ist daher nicht möglich. Für das Struktur- und Nennspannungskonzept wiesen die einzelnen Versuchsreihen dagegen eine ähnliche Beanspruchbarkeit auf. Im Vergleich zu den IIW-Bemessungswöhlerlinien wie auch zu der in diesem Vorhaben auf Basis von Versuchen an Feinblechverbindungen abgeleiteten Bemessungswöhlerlinie ergaben sich für alle Konzepte vereinzelt nichtkonservative Ergebnisse. Dies beruhte vornehmlich auf einer Versuchreihe an Proben, die eine mangelnde Schweißnahtqualität aufwiesen, teils auch an einer Versuchreihe mit sehr flacher Neigung von k ~ 10. Aus den erzielten Ergebnissen lassen sich u.a. folgende Erkenntnisse extrahieren: Aus den Versuchsergebnissen dieses Projekts ergibt sich eine mittlere Neigung von k = 5,8. Für eine Bemessung von laserstrahlgeschweißten Feinblechverbindungen aus Stahl unter Schäl- oder Scherbeanspruchung kann auf Basis dieser Daten eine Neigung von k = 6 empfohlen werden. Für eine Bemessung von laserstrahlgeschweißten Feinblechverbindungen unter Schubbeanspruchung kann daher eine Neigung von k = 8 empfohlen werden. Der Abknickpunkt sollte, entsprechend den Empfehlungen der IIW, auf Nk =/> 107 Schwingspiele gelegt werden. Für Schweißnahtenden werden, bedingt durch die lokale Spannungsüberhöhung, höher Beanspruchbarkeiten im Vergleich zu den Proben ohne Nahtenden ermittelt. Eine prinzipielle Anwendung des Strukturspannungskonzepts scheint, auf Basis der in diesem Vorhaben erzielten Ergebnisse, auch für Wurzelkerben möglich, wenn ein Pfad zur Spannungsextrapolation und eine Blechdicke definiert werden kann. Die in den IIW Empfehlungen angegebenen FAT-Werte können, für Schwingspielzahlen N > 2x106 auch für die Auslegung von geschweißten Feinblechverbindungen genutzt werden. Es zeigt sich aber, dass die für steife, dickwandige Bauteile und Strukturen gültige IIW-Neigung von k = 3 (offensichtlich) für die untersuchten Feinblechverbindungen (0,7 mm < t < 2,0 mm) zu steil ist. Hierdurch ergeben sich für alle Auslegungskonzepte nicht konservative Ergebnisse im Bereich N < 2x106. Dies wird im Vergleich des Verhältnisses von empfohlener zu berechneter Beanspruchbarkeit für alle untersuchten Auslegungskonzepte deutlich und gilt gleichermaßen für das Versagenskriterium Anriss und Bruch. Bei der Anwendung der Bemessungswöhlerlinie BSB mit einer flacheren Neigung von k = 5.5 ergibt sich im Bereich N < 2x106 eine konservative Abschätzung für alle Proben ausgenommen der Rohr-Flansch Probe unter Axiallast aufgrund der niedrigen Schweißnahtqualität. Durch die im Vergleich zu Liniennähten hohe lokale Beanspruchbarkeit ergibt sich für die Rohr-Flansch Proben eine sehr konservative Bewertung. In den Versuchen werden tatsächliche Schadenssummen im Bereich von 0,3 < D < 2 beobachtet. Die mittlere Schadenssumme aller Versuche beträgt D = 0,95. Für alle Versuche mit einer Beanspruchung normal zur Schweißnaht konnte eine für Feinblechverbindungen ungewöhnlich lange Rissfortschrittsphase beobachtet werden.
Schwingfestigkeitsbewertung laserstrahlgeschweißter Stahlstrukturen geringer Wanddicken aus dem Automobilbau
2009
12 Seiten, 12 Bilder, 10 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
Schwingfestigkeit , Laserstrahlschweißen , Stahl , Wanddicke , Automobilbau , Längsträger , Schweißnaht , Versagen , Kerbspannung , Werkstoffgefüge , Finite-Elemente-Methode , numerisches Verfahren , Feinblech , Neigungswinkel , Bemessung , Materialbeanspruchung , Schubbeanspruchung , Schwingspiel , Blechdicke , Bewertung , Rissfortschritt , Wöhler-Schaubild , Empfehlung , IIW (International Institute of Welding)
Schutzgasgeschweißte Stahlstrukturen geringer Wanddicke aus dem Automobilbau
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