Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von lasergeschweißten Nahtformen, die seit einigen Jahren mit den Möglichkeiten der Remotelaserstrahlschweißtechnik herstellbar sind. Grundidee dabei ist das Auskoppeln der Nahtstart- und -endpunkte aus dem Kraftübertragungsbereich, da diese Gebiete bei geraden Nähten zum einen die höchsten Beanspruchungen beinhalten und zum anderen als Unstetigkeitsstellen beim Laserstrahlschweißen Schwachpunkte darstellen.
Die Aufgabe besteht darin, geeignete Nahtformen zu finden und zu bewerten, welche mit dem Auskoppeln von Start- und Endpunkt aus dem Bereich hoher Beanspruchung eine gleichmäßigere Lastverteilung über die ganze Naht realisieren. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt bei der anwenderrelevanten zyklusartigen Beanspruchung, da hierbei von einer möglicherweise verminderten Kerbempfindlichkeit der Nahtenden ausgegangen werden kann.
Ziel ist eine Bewertung der einzelnen Nahtformen bezüglich der heute üblichen geraden Steppnaht, sowie das Aufzeigen von Vorteilen und Schwächen des neuen Verfahrens.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Allgemeiner Kenntnisstand
2.1 Kurzüberblick Ermüdungsfestigkeitsnachweise
2.1.1 Ermüdungsfestigkeit, Wöhlerversuch
2.1.2 Einflussgrößen auf das Ermüdungsverhalten
2.1.3 Mittelspannungseinfluss
2.1.4 Mehrachsige Beanspruchungen
2.2 Lokale Berechnungskonzepte für die Bauteildimensionierung
2.2.1 Festigkeitsnachweis mit örtliche Strukturspannungskonzepte
2.2.2 Kerbspannungskonzepte
2.3 Stand der Forschung, Kerbspannungskonzepte für Laserschweißverbindungen
2.3.1 Stand der Forschung
2.3.2 Wesentlicher Forschungsbedarf
2.4 Thermoelastische Spannungsanalyse zur Lebensdauerprognose
3 Experimentelle Untersuchung der Lasernahtformen
3.1 Rechnerische Voruntersuchungen zur Nahtformoptimierung
3.2 Ziele der Untersuchungen
3.3 Auswahl der Schweißnahtgeometrien
3.4 Auswahl des Grundwerkstoffes
3.5 Probenform der Scherzugprobe
3.6 Schweißnahtzustand, Härte und Gefügeeigenschaften
3.7 Statische Festigkeitskennwerte
3.8 Dynamische Kennwerte, Wöhlerdiagramme und Dauerfestigkeiten
3.9 Experimentelle thermische Spannungsanalyse
3.9.1 Bewertung des Ermüdungsvorganges
3.9.2 Bewertung des Ermüdungsverhaltens der verschiedenen Nahtformen
3.9.3 Bewertung des Ermüdungsverhaltens in Abhängigkeit vom Lasthorizont
3.9.4 Zusammenfassung
4 Rechnerische Ermittlung der Dauerfestigkeiten
4.1 Ziele der Untersuchungen
4.2 Diskretisierung und Modellierung
4.3 Bewertung des globalen Spannungszustandes
4.4 Abschätzung der Dauerfestigkeiten nach dem Kerbspannungskonzept
4.5 Vergleich der rechnerisch und experimentell ermittelten Dauerfestigkeitskennwerte
4.6 Kerbspannungskonzept unter Berücksichtigung plastischer Kennwerte
4.7 Zusammenfassung
4.8 Lastrichtungsabhängigkeit der ermittelten Kerbspannungen
4.9 Spaltmaßabhängigkeit der rechnerisch ermittelten Kerbspannungen
4.10 Blechdickenabhängigkeit der ermittelte Kerbspannungen
5 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung und Bewertung von lasergeschweißten Nahtformen im Feinblechbereich, mit dem primären Ziel, die Kerbempfindlichkeit durch gezielte Geometrieanpassung (Nahtendenverrundung) zu reduzieren und ein valides lokales Festigkeitsnachweiskonzept für diese Verbindungen zu etablieren.
- Entwicklung optimierter S- und C-Nahtgeometrien zur gleichmäßigeren Lastverteilung.
- Experimentelle Untersuchung des Ermüdungsverhaltens mittels Perlschnurverfahren und thermischer Spannungsanalyse.
- Etablierung eines lokalen Versagenskriteriums zur Reduzierung des Einflusses von Rissfortschrittslebensdauern.
- Numerische Validierung mittels Kerbspannungskonzept unter Berücksichtigung plastischer Stützeffekte.
- Analyse von Einflussgrößen wie Spaltmaß, Blechdicke und Lastrichtung.
Auszug aus dem Buch
2.1 Kurzüberblick Ermüdungsfestigkeitsnachweise
Der Festigkeitsnachweis für Bauteile und Baugruppen erfolgt anhand des Vergleiches der lokal auftretenden Beanspruchung mit der zulässigen Beanspruchbarkeit des verwendeten Werkstoffes. Gemäß der FKM Richtlinie für Maschinenbauteile ergibt sich daraus eine prinzipielle Vorgehensweise nach Abbildung [Abbildung 1], der zufolge die Nachweisführung in 8 grundlegende Bearbeitungsschritte zerlegt werden kann.
Schritt 1 eines jeden Nachweise ist die Definition der Wirkung der äußeren Lasten auf das Bauteil und die Identifikation der lokal hoch beanspruchten Gebiete. Dies kann rein analytisch mit Hilfe klassischer Konzepte der technischen Mechanik oder beispielsweise mit Hilfe der Finiten Elemente Methoden numerisch erfolgen. Für Schweißverbindung haben sich zur Nachweisführung mehr Methoden bewährt. Darunter zählen globale Konzepte für einfache Strukturen mit definierten Lastpfaden, wie Tragwerken, stab- oder flächenartige Baueile, oder lokale Konzepte, welche näher auf die tatsächlichen Zustände im Nahtbereich eingehen.
Allen Konzepten identisch ist, dass der Nachweis immer am höchstbeanspruchten Punkt erfolgen muss, was bei fehlenden Formzahlen oder mehrachsiger Beanspruchungen meist in lokale Konzepte mündet. Das führt so weit, dass bei geometrisch komplexen Nähten und komplexen Beanspruchungen getrennte Nachweise für mehrer Nahtwurzel-, Wärmeeinflusszonen- und Nahtübergangsbereiche geführt werden müssen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Definiert das Ziel der Arbeit, nämlich die Untersuchung und Bewertung neuer, lasergeschweißter Nahtformen zur Reduktion der Kerbempfindlichkeit.
2 Allgemeiner Kenntnisstand: Bietet eine Übersicht über bestehende Ermüdungsfestigkeitskonzepte, lokale Berechnungsmethoden und den Stand der Forschung zu Laserschweißverbindungen.
3 Experimentelle Untersuchung der Lasernahtformen: Beschreibt den experimentellen Aufbau zur Prüfung verschiedener Nahtgeometrien, einschließlich der thermischen Spannungsanalyse und der statischen sowie dynamischen Kennwertermittlung.
4 Rechnerische Ermittlung der Dauerfestigkeiten: Behandelt die numerische Simulation mittels Finiten Elementen zur Abschätzung von Dauerfestigkeiten basierend auf dem lokalen Kerbspannungskonzept unter Einbeziehung plastischer Materialkennwerte.
5 Zusammenfassung: Fasst die wesentlichen Erkenntnisse zur Verbesserung der Kerbempfindlichkeit durch optimierte Nahtformen und zur Anwendbarkeit lokaler Nachweisverfahren zusammen.
Schlüsselwörter
Laserschweißverbindungen, Kerbspannungskonzept, Ermüdungsfestigkeit, Steppnaht, Feinblech, Strukturspannungsanalyse, Thermoelastische Spannungsanalyse, Finiten Elemente Methode, Lebensdauerprognose, Kerbempfindlichkeit, Plastische Stützwirkung, Nahtformoptimierung, Dauerfestigkeit, Rissinitiierung, Nahtgeometrie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht, wie lasergeschweißte Nahtformen im Feinblechbereich durch optimierte Geometrien (wie S- oder C-Formen) hinsichtlich ihrer Ermüdungsfestigkeit verbessert werden können.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die lokale Kerbspannungsbetrachtung, die experimentelle Erprobung von Schweißnahtgeometrien und die Validierung durch numerische FEM-Modelle.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Etablierung eines lokalen Festigkeitsnachweises für lasergeschweißte Nähte, der die reale Bauteilbeanspruchung genauer abbildet als klassische globale Ansätze.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine Kombination aus experimentellen Ermüdungsversuchen (Perlschnurverfahren) mit thermoelastischer Spannungsanalyse sowie numerischen Simulationen (FEM) verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die experimentelle Erprobung verschiedener Nahtformen, deren metallurgische Bewertung und die rechnerische Analyse des Spannungszustandes zur Bestimmung der Dauerfestigkeit.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Kerbspannungskonzept, Laserschweißverbindungen, Steppnaht, Feinblech und Dauerfestigkeit.
Warum sind herkömmliche Nennspannungskonzepte für die untersuchten Nähte oft unzureichend?
Herkömmliche Konzepte vernachlässigen lokale geometrische Inhomogenitäten und metallurgische Besonderheiten, die gerade bei komplexen Nahtformen und dünnen Blechen für das Versagen entscheidend sind.
Welche Rolle spielt die thermische Spannungsanalyse bei der Bewertung des Versagens?
Sie ermöglicht eine berührungslose Identifikation der Rissinitiierung und des Rissfortschritts, was eine präzisere lokale Bewertung erlaubt als nur der globale Steifigkeitsabfall.
Wie beeinflusst das Spaltmaß das Ermüdungsverhalten der Nähte?
Die Arbeit zeigt, dass das Spaltmaß einen signifikanten Einfluss auf die Steifigkeit und den Spannungszustand im Kerbgrund hat, wobei quer belastete Nähte empfindlicher reagieren als längs belastete.
Was bedeutet die "plastische Stützwirkung" im Kontext dieser Arbeit?
Sie beschreibt die Fähigkeit des Werkstoffs, durch lokales plastisches Fließen Spannungsspitzen im Kerbgrund abzubauen, was eine weniger konservative Auslegung der Dauerfestigkeit ermöglicht.
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- MSc, Dipl Ing (fh) Tino Kühn (Author), 2009, Entwicklung von Grundlagen für einen Festigkeitsnachweis für Feinblech-Überlappverbindungen nach lokalem Kerbspannungskonzept, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/128987
