A205

Berechnungsmethoden für die Lebensdauerabschätzung von MSG- bzw. lasergeschweißten Kehlnähten in dünnwandigen Stahlblechstrukturen

(A205 S 24/10047/2000)

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2003 - 31. März 2005

Das Fügen von dünnwandigen Stahlblechstrukturen durch Kehlnähte spielt im Karosserie- und Fahrwerksbereich eine bedeutende Rolle. Die Festigkeits- und Lebensdauerberechnung solcher Strukturen ist heute dringend notwendig. Diese ist jedoch noch unbefriedigend, u.a. weil die Erfahrungen von dickwandigen Konstruktionen, z.B. Eurocode und IIW-Empfehlungen, nicht ohne weiteres auf Feinblechstrukturen, Blechdicke < 3mm, übertragbar sind und weil für dünnwandige Bleche methodische Untersuchungen zur Absicherung eines Berechnungskonzeptes weitgehend fehlen.

Solche Berechnungsmethoden sollten in diesem Vorhaben auf der Basis des Struktur- und Kerbspannungskonzeptes entwickelt werden. Dabei kann man das Vorhaben als Folgevorhaben zu dem bereits abgeschlossenen Vorhaben A 154 „Ingenieurmäßige Berechnung zur Lebensdauerabschätzung von geschweißten Dünnblechverbindungen“ verstehen. Dieses Vorhaben behandelte Liniennähte, die jedoch als I-Nähte ausgeführt waren.

Ziel war es, ein einheitliches Berechnungskonzept für die Beanspruchbarkeit der Kehlnähte in dünnwandiger Struktur zu definieren, welches sich nicht auf eine bestimmte Struktur versteift, sondern auch auf allgemeine Strukturen im realen Ingenieurwesen anwendbar ist. Grundlage ist die Lebensdauervorhersage unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und der lokalen Beanspruchbarkeit. Hierfür bieten sich Strukturspannungskonzepte an, bei denen sich die örtliche Beanspruchung hauptsächlich über die auftretenden Momente definiert. Bei dem Kerbspannungskonzept sollen die mit einem Finite Elemente Modell berechneten örtlichen fiktiven Spannungen als Grundlage einer Masterwöhlerlinie dienen, mit der man die Beanspruchbarkeit auf Grund festgelegter Kenngrößen bestimmen kann. Diese Kenngrößen galt es zu definieren und zu verifizieren. Dabei sollten die unterschiedlichen Probenstrukturen, Blechdicken und Schweißverfahren sowie Beanspruchungsarten als Parameter dienen, die in die entwickelten Berechnungskonzepte mit hineinfließen und entsprechend das Ergebnis der Lebensdauervorhersage richtig bestimmen.

Es wurde gezeigt, dass die Lasernaht im Bereich der Festigkeit der MSG-Naht in nichts nachsteht. Da bei der Lasernaht ohne Zusatzwerkstoffe geschweißt wird, kommt diese Naht den Grundwerkstoffeigenschaften am nächsten. Das bedeutet, dass die guten Tiefzieheigenschaften des Werkstoffs DC 05 nicht verloren gehen. Dies ist bei den MSG-Nähten anders. Durch die Verwendung eines Zusatzwerkstoffs beim Schweißen erhält man im Vergleich zum Ausgangswerkstoff ein erheblich härteres Schweißnugget. Dadurch liegt die Dehnbarkeit des Schweißnuggets deutlich unter dem des Grundwerkstoffes. Dies spielt aber für die Schwingfestigkeit eine untergeordnete Rolle.

Es wurden Bleche mit verzinkter Oberfläche untersucht. Dadurch ergaben sich etwas größere Streuungen als ohne Beschichtung. Die Beanspruchbarkeit der Schweißnaht sinkt etwas, was auf den negativen Einfluss durch das Verdampfen der Zinkschicht während des Schweißvorgangs zurückzuführen ist.

Es hat sich herausgestellt, dass die besten Berechnungsergebnisse mit dem Kerbspannungskonzept erzielt werden. Es können dabei die Laser- als auch die MSG-Nähte für alle Versuche unter schwellender Beanspruchung bei demselben Grundwerkstoff in eine Masterwöhlerlinie unter geringer Streuung vereint werden. Dabei wird mit einem Kerbradius an den Wärmeeinflusszonen von r = 0,05 mm gerechnet. Für Querzug bietet das Nahtstrukturspannungskonzept ähnlich gute Ergebnisse. Bei diesem Konzept wird die Beanspruchbarkeit über den jeweiligen Nahtquerschnitt ermittelt. Das Nennstrukturspannungskonzept eignet sich für die Längszugbeanspruchung, da der hauptsächliche Kraftfluss durch den Probenkörper (Grund- und Überlappblech) ertragen wird, und die Schweißnaht eine untergeordnete Rolle spielt.

Generell ist festzustellen, dass die Beanspruchbarkeit der Nähte sehr stark von den jeweiligen Nahtquerschnitten abhängig ist. Dadurch können Schwankungen in der Lebensdauer von bis zu 20% entstehen. Deshalb ist eine gute Vorhersage nur möglich, wenn der genaue Nahtquerschnitt bekannt ist und wenn dieser über die gesamte Produktionszeit eingehalten wird.

Forschungsstelle 1:
Institut für Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit (IMAB) TU Clausthal
www.imab.tu-clausthal.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. A. Esderts

(vorgelegt vom Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) für Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V. (FAT))

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband der Deutschen Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF