Untersuchung zur Übertragbarkeit von Lebensdauerkenndaten auf Aluminiumschweißkonstruktionen auf der Grundlage der Schädigungsmechanismen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Verbesserung bisheriger rechnerischer Lebensdauerabschätzungen für dynamisch beanspruchte Schweißkonstruktionen aus AlMg4,5Mn. Zu diesem Zweck wird die Übertragbarkeit werkstoffspezifischer Lebensdauerkenndaten, die durch Versuche an geschweißten Kleinproben gewonnen wurden, auf bauteilähnliche konstruktive Details untersucht. Als exemplarisches konstruktives Detail dient der Doppel-T-Stoß mit vier tragenden Kehlnähten. Durch Variation der Schweißparameter unterscheiden sich die untersuchten Doppel-T-Stöße in Abhängigkeit von der jeweiligen Charge hinsichtlich ihrer lokalen Geometrieparameter im Bereich der Schweißnähte. Da die Schwingfestigkeit schwerpunktmäßig für den Bereich der der Zeit- und Kurzzeitschwingfestigkeit untersucht wird, wird das Kerbdehnungskonzept angewendet. Die erforderlichen Daten der Werkstoffbeanspruchbarkeit werden durch experimentelle Untersuchungen in dehnungsgeregelten Wöhlerversuchen mit Grundwerkstoffflachproben und geschweißten Kleinproben ermittelt, die den untersuchen Doppel-T-Stößen hinsichtlich des Ausgangshalbzeugs und der Schichtung der unterschiedlichen Gefügezonen im Bereich der Schweißverbindung weitestgehend entsprechen. Das werkstoffspezifische Verformungsverhaltens wird zum einen für die Bereiche Schweißgut (SG)und Grundwerkstoff (GW) aus den Dehnungs-Wöhlerlinen abgeleitet. Beim Versagen im Bereich der Nahtübergänge kann der technische Anriss in Abhängigkeit von den lokalen geometrischen Verhältnissen im Bereich des Schweißguts aber auch im Bereich der Wärmeeinflusszone (WEZ) initiiert werden. Da in den dehnungsgeregelten Wöhlerversuchen kein Versagen in der WEZ provoziert werden kann, werden zusätzlich zur Charakterisierung des ZSD-Verhaltens der Gefügezonen Grundwerkstoff, Schweißgut und WEZ kraftgeregelte ISTs durchgeführt. Die ermittelten Dehnungs-Wöhlerlinien zeigen, dass die Werkstoffschwingfestigkeit des Schweißguts bei der hier vorliegenden artgleichen Verbindung von EN AW-5083 H l11mit S Al-5183 nur geringfügig unter der des Grundwerkstoffs liegt. Eine Ursache dafür sind Wasserstoffporen in der Oberfläche des SGs. Die aus den Einstufenversuchen abgeleiteten ZSD Kurven für den GW und das SG zeigen beide deutliche Verfestigungen im Vergleich zum quasistatischen SD-Verhalten. Der geringe Unterschied der beiden ZSD-Kurven ist aber im wesentlichen in dem größeren E-Modul des Walzgefüges des GW gegenüber dem Erstarrungsgefüge des SG begründet. Die in den kraftgeregelten ISTs ermittelten ZSD-Kurven zeigen trotz der in der Versuchsführung bedingten Vordehnung (prestrain) eine deutlich geringere Verfestigung auf als die ZSD-Kurven aus den Einstufenversuchen. Die ZSD-Kurven aus den ISTs für den GW, das SG und die WEZ unterschieden sich dagegen kaum. So wird für die Lebensdauerabschätzung mit dem Kerbdehnungskonzept aufgrund der etwas geringeren Schwingfestigkeit die Dehnungs-Wöhlerlinie für das SG verwendet. Die vorhandene Datenbasis kann dabei sinnvoll durch Schwingfestigkeitsdaten aus anderen Untersuchungen ergänzt werden. Zur Lebensdauerabschätzung werden die Schwingfestigkeitsdaten zusammenfassend nach dem Ansatz von Smith, Watson und Topper durch eine Schädigungsparameter- Wöhlerlinie beschrieben, welche die talsächlichen Spannungsverhältnisse während der Einstufenversuche berechnet. Für alle Doppel-T-Stöße wird die lokale Querschnittsgeometrie der angerissenen Schweißnaht an Schliffen mit einem Videomikroskop erfasst. Aus den so ermittelten Geometrieparametern wird mit einem numerischen begründeten Kerbformzahlansatz die schwingbruchkritische Hooke'sche Kerbspannung berechnet. Die Makrostützwirkung wird mit zwei unterschiedlichen Ansätzen nach Neuber und nach Glinka berücksichtigt. Die rechnerische Lebensdauer nach beiden Ansätzen liefert konservative Ergebnisse, wobei der Ansatz nach Glinka die elastisch- plastischen Kerbbeanspruchungen im Bereich der Nahtübergänge der Doppel-T-Proben geeigneter beschreibt. Alternativ zu aufwendigen Bestimmung der tatsächlichen Querschnittsgeometrie wird untersucht, ob die vereinfachende Annahme eines konstanten Kerbradius (Bezugsradius) am Nahtübergang möglich ist. Dabei wird deutlich, dass mit einem kleiner werdenden Kerbradius die Streuspanne der Schwingfestigkeitsdaten im Schädigungsparameter-Wöhlerlinie abnimmt, die Lebensdauerabschätzung durch die Annahme der höheren Kerbspannungen im Vergleich zur werkstoffspezifischen Lebensdauerlinie immer konservativer wird. Mit der Annahme eines konstanten Bezugsradius 0,75 mm < p < 1mm können dagegen ähnlich gute Lebensdauerabschätzungen getroffen werden wie durch die Berücksichtigung der gemessenen Querschnittsparameter.
