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Integrale Bestimmung des Eigenspannungsfeldes in Mehrlagenschweißverbindungen

Subject Area Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Term from 2012 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213110645
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Die experimentelle Ermittlung von Wöhlerlinien zur Bestimmung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen ist in der Regel mit hohem Aufwand und damit hohen Kosten verbunden. Die Ermittlung von Wöhlerlinienkennwerten auf Grundlage bruchmechanischer Berechnungen verspricht einen alternativen Lösungsansatz in Verbindung mit einer Minimierung des experimentellen Aufwands. Zur sicheren bruchmechanischen Abschätzung der Schwingfestigkeit sind Eigenspannungen in die Berechnung zu integrieren, da diese maßgeblich die Schwingfestigkeit beeinflussen können. Im Rahmen der durchgeführten Arbeiten ist es gelungen, das Eigenspannungsfeld in typischen Schweißverbindungen mithilfe eines integralen Ansatzes, der Kombination von experimentellen und numerischen Methoden, zu bestimmen. Weiterführend wurde die Stabilität der Eigenspannungen unter mechanischer Beanspruchung untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Ausgangseigenspannungen in den für alle experimentellen Schwingfestigkeitsuntersuchungen im Labormaßstab üblichen Schwingproben aufgrund der begrenzten Steifigkeit gering ausfallen. Einzige Ausnahme sind die untersuchten Längssteifen, die eine selbsteinspannende Wirkung, und damit höhere Eigenspannungen aufweisen. Für alle Probentypen erweisen sich niedrige Eigenspannungen unter mechanischer Beanspruchung als stabil, während hohe Eigenspannungen aufgrund der Begrenzung des Gesamtspannungsniveaus auf die Streckgrenze abgebaut werden. Unter zyklischer Beanspruchung kann der Eigenspannungsabbau näherungsweise durch ein hier abgeleitetes vereinfachtes Modell beschrieben werden. Mithilfe der stabilisierten Eigenspannungen kann die Schwingfestigkeit im IBESS-Modell ermittelt werden. Treten in Bauteilen Schwingrisse auf, wird beobachtet, dass Druckeigenspannungen durch die Risse nicht beeinflusst werden, während Zugeigenspannungen in den ungerissenen Querschnitt umgelagert werden. Eigenspannungsermittlungen an gerissenen Bauteilen sind aufgrund der möglichen Umlagerungseffekte demzufolge mit Messungen an ungerissenen Vergleichskörpern zu validieren. Zukünftige Forschungsvorhaben zum Eigenspannungseinfluss auf die Bauteilintegrität sollten die Übertragbarkeit vom Labor- auf den Bauteilmaßstab sicherstellen. Es hat sich gezeigt, dass Eigenspannungsuntersuchungen an verformungsweichen Bauteilen, wie etwa linienförmigen Schweißnähten ohne nennenswerte Verformungsbehinderung, dies nur begrenzt leisten können. Untersuchungen im tatsächlichen Bauteilmaßstab sollten, trotz des höheren apparativen Aufwands, stärker berücksichtigt werden, um die Akzeptanz der gewonnen Erkenntnisse auf Seite externer Gutachter zu erreichen.

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