Untersuchungen zum werkstoffspezifischen Ermüdungsverhalten von Aluminium-Schweißkonstruktionen unter Berücksichtigung der lokalen Schweißnahtgeometrie

Abstract

Die Ermüdungsfestigkeit von Bauteilen hängt erwiesenermaßen von den lokalen Parametern der Geometrie, der Belastung und des Werkstoffs ab; trotzdem wird das Zusammenwirken dieser Einflussgrößen in den Bemessungsrichtlinien lediglich phänomenologisch berücksichtigt. Insbesondere bei Aluminium-Schweißverbindungen, die durch Werkstoffinhomogenitäten, Schweißimperfektionen und geometrische Schweißnahtparameter gekennzeichnet sind, müssen unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Merkmale sämtliche Einflüsse Eingang in die Berechnungen finden. Als Fortsetzung der Untersuchung eines DFG-Forschungsprojekts, welches die Übertragbarkeit von Lebensdauerdaten geschweißter Kleinproben auf geschweißte konstruktive Details und bauteilähnliche Ersatzmodelle analysiert, wird die Bewertung verschiedener Konzepte zur betriebsfesten Auslegung dynamisch beanspruchter Schweißkonstruktionen einerseits auf die Kombination nicht artgleicher Aluminiumknetlegierungen und andererseits auf Modellbildungen, welche die hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit als besonders kritisch zu erachtenden Schweißnahtanfänge und -enden berücksichtigen, erweitert. Dabei wird bewusst die reine Anwendung solcher Konzepte hinterfragt, die statistisch begründete, einheitliche lokale Geometrieparameter ansetzen und so eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit durch eine Optimierung der Schweißbarkeit aufgrund fertigungs-, aber auch werkstofftechnischer Maßnahmen pauschal negieren. Um einen möglichst nahen Bezug zur gängigen Praxis gewährleisten zu können, erfolgt die Untersuchung am Fahrgestell eines dreiachsigen Muldenkippers in Ganzaluminiumbauweise. Unter Beachtung der experimentell untersuchten Schweißeignung der Werkstoffe und der fertigungstechnischen Schweißmöglichkeit werden Modelle für die Anwendung sowohl des Strukturspannungs- als auch des Kerbspannungskonzepts erstellt und Modellierungsangaben wie Elementtyp und -größe sowie Diskretisierungsgrad der Vernetzung gegeben. Durch die gezielte Variation nicht nur der lokalen Schweißnahtgeo-metrie sondern auch der Schweißnahtanfänge und -enden kann auf der Basis einer FE-Analyse ein entscheidender strukturmechanischer Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der kompletten Schweißverbindung nachgewiesen werden. Unter Beachtung fertigungstechnischer Aspekte wird eine Empfehlung für die Gestaltung der Schweißnähte in Abhängigkeit der vorliegenden Beanspruchung gegeben, deren Aufwand in den Regelwerken zur Bauteilauslegung jedoch lediglich überschlägig honoriert werden kann. Die Zusammenführung der auf den gängigen Regelwerken basierenden, analytisch und numerisch durchgeführten Berechnungen sowie der experimentellen Untersuchungen zeigt in einer Gesamtbewertung, dass die ganzheitliche Betrachtung der Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit einen entscheidenden Beitrag zur praktischen Konstruktion und Bemessung dynamisch beanspruchter Aluminium-Schweißkonstruktionen leisten kann. Neben der detaillierten und nachvollziehbaren Beschreibung der angewandten Methodik wird auch eine Charakterisierung der Unsicherheiten gegeben, die aus der modellabhängigen Vernachlässigung spezifischer Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit resultieren. Mit Hilfe des entwickelten FE-Modells findet schließlich eine Strukturoptimierung der Achsanbindung des Fahrgestells statt. So können unter Berücksichtigung der realen fertigungstechnischen Schweißmöglichkeit sowie der ermittelten Schweißeignung der artungleichen Grund- und Zusatzwerkstoffe auf der Grundlage einer optimierten Spannungsverteilung Empfehlungen für die geometrische Gestaltung und die schweißtechnische Anbindung im kritischen Bereich gegeben werden.