TY - BOOK

T1 - Einfluss von Imperfektionen auf die Schwingfestigkeit hochfester Stahlschweißverbindungen

AU - Ottersböck, Markus

N1 - nicht gesperrt

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Schweißen ist ein weit verbreitetes Fügeverfahren zur Fertigung komplexer Tragwerkskonstruktionen oder Baugruppen im Antriebsstrang, das auch bei dynamisch hoch belasteten Komponenten zum Einsatz kommt. Durch den Schweißprozess können eine Vielzahl von fertigungsprozessbedingten Fehlern an der Schweißnaht auftreten, die allesamt direkte oder indirekte Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit der Fügestelle haben. Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zur Bewertung des Einflusses auf die Ermüdungsfestigkeit für einige dieser oftmals unvermeidbaren Schweißnahtimperfektionen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Methode zur Ableitung der für die Schwingfestigkeit relevanten Nahtgeometrieparameter aus einem 2D- oder 3D-Oberflächenscan der Schweißnaht vorgestellt. Damit können hinsichtlich ihrer Schwingfestigkeit kritische Stellen bereits im Rahmen der Qualitätssicherung während des Fertigungsprozesses identifiziert werden. Eine weitere vorgestellte Methodik ermöglicht die Erkennung von Anrissen an der Probenoberfläche während des Schwingversuchs durch digitale Bildkorrelation. Zusätzlich ist damit eine Verfolgung des Oberflächenrisswachstums mit fortlaufender Lastwechselzahl bereits während des Versuchs möglich. Schweißversatz und Winkelverzug von geschweißten Blechen bewirken bei axialer Belastung ein zusätzliches sekundäres Biegemoment. Schwingversuche an Stumpfnähten mit gezielt hergestelltem axialem Versatz zeigen, dass bereits ein Versatz von 10% der Blechdicke die Schwingfestigkeit um rund 20% reduziert. Beim Schweißverzug hingegen ist die Verzugsrichtung ausschlaggebend für die Wirkung der Sekundärbiegung. So zeigen Schwingversuche an T-Stößen, dass bereits ein Verzugswinkel von 0,5° zu einem Abfall der Schwingfestigkeit um etwa 12% führt, während ein komplementärer Verzugswinkel von −1° eine Steigerung um rund 13% bewirkt. Für beide Nahtfehlstellungen werden Bewertungsmodelle basierend auf numerischen Simulationen vorgestellt, mit denen eine individuelle Abschätzung der resultierenden Ermüdungsfestigkeit möglich ist. Eine breit angelegte Versuchsserie untersucht den Einfluss der lokalen Schweißnahtübergangstopographie auf die Schwingfestigkeit eines ultrahochfesten Stahls. Basierend auf 3D-Oberflächenscans jeder Probe und der darauf aufbauenden numerischen Simulation ist das Spannungsmittelungsverfahren nach Neuber mit einer Ersatzstrukturlänge von ρ∗ = 0,13mm gut geeignet, um Variationen in der lokalen Nahtübergangstopographie hinsichtlich der Auswirkungen auf die Betriebsfestigkeit zu bewerten. Bei einer bruchmechanischen Bewertung ist die Berücksichtigung der Anrisslebensdauer von großer Bedeutung, da diese bei den durchgeführten Versuchen mindestens 50% der Lebensdauer ausmacht. Durch die vorgestellten Beiträge zur Berücksichtigung von oberflächenbasierten Nahtimperfektionen am Nahtübergang sowie der Nahtfehlstellung kann somit die Auslegung von technisch hochqualitativen und hochfesten Stahlschweißverbindungen wesentlich verbessert erfasst werden.

AB - Schweißen ist ein weit verbreitetes Fügeverfahren zur Fertigung komplexer Tragwerkskonstruktionen oder Baugruppen im Antriebsstrang, das auch bei dynamisch hoch belasteten Komponenten zum Einsatz kommt. Durch den Schweißprozess können eine Vielzahl von fertigungsprozessbedingten Fehlern an der Schweißnaht auftreten, die allesamt direkte oder indirekte Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit der Fügestelle haben. Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zur Bewertung des Einflusses auf die Ermüdungsfestigkeit für einige dieser oftmals unvermeidbaren Schweißnahtimperfektionen. Im Rahmen der Arbeit wird eine Methode zur Ableitung der für die Schwingfestigkeit relevanten Nahtgeometrieparameter aus einem 2D- oder 3D-Oberflächenscan der Schweißnaht vorgestellt. Damit können hinsichtlich ihrer Schwingfestigkeit kritische Stellen bereits im Rahmen der Qualitätssicherung während des Fertigungsprozesses identifiziert werden. Eine weitere vorgestellte Methodik ermöglicht die Erkennung von Anrissen an der Probenoberfläche während des Schwingversuchs durch digitale Bildkorrelation. Zusätzlich ist damit eine Verfolgung des Oberflächenrisswachstums mit fortlaufender Lastwechselzahl bereits während des Versuchs möglich. Schweißversatz und Winkelverzug von geschweißten Blechen bewirken bei axialer Belastung ein zusätzliches sekundäres Biegemoment. Schwingversuche an Stumpfnähten mit gezielt hergestelltem axialem Versatz zeigen, dass bereits ein Versatz von 10% der Blechdicke die Schwingfestigkeit um rund 20% reduziert. Beim Schweißverzug hingegen ist die Verzugsrichtung ausschlaggebend für die Wirkung der Sekundärbiegung. So zeigen Schwingversuche an T-Stößen, dass bereits ein Verzugswinkel von 0,5° zu einem Abfall der Schwingfestigkeit um etwa 12% führt, während ein komplementärer Verzugswinkel von −1° eine Steigerung um rund 13% bewirkt. Für beide Nahtfehlstellungen werden Bewertungsmodelle basierend auf numerischen Simulationen vorgestellt, mit denen eine individuelle Abschätzung der resultierenden Ermüdungsfestigkeit möglich ist. Eine breit angelegte Versuchsserie untersucht den Einfluss der lokalen Schweißnahtübergangstopographie auf die Schwingfestigkeit eines ultrahochfesten Stahls. Basierend auf 3D-Oberflächenscans jeder Probe und der darauf aufbauenden numerischen Simulation ist das Spannungsmittelungsverfahren nach Neuber mit einer Ersatzstrukturlänge von ρ∗ = 0,13mm gut geeignet, um Variationen in der lokalen Nahtübergangstopographie hinsichtlich der Auswirkungen auf die Betriebsfestigkeit zu bewerten. Bei einer bruchmechanischen Bewertung ist die Berücksichtigung der Anrisslebensdauer von großer Bedeutung, da diese bei den durchgeführten Versuchen mindestens 50% der Lebensdauer ausmacht. Durch die vorgestellten Beiträge zur Berücksichtigung von oberflächenbasierten Nahtimperfektionen am Nahtübergang sowie der Nahtfehlstellung kann somit die Auslegung von technisch hochqualitativen und hochfesten Stahlschweißverbindungen wesentlich verbessert erfasst werden.

KW - Schwingfestigkeit

KW - Schweißen

KW - Schweissnahtfehler

KW - hochfeste Staehle

KW - Fatigue strength

KW - Welding

KW - Weld defects

KW - High-strength steels

M3 - Dissertation

ER -