A249

Schwingfestigkeitsbewertung von Nahtenden MSG-gschweißter Dünnbleche aus Stahl

(A249 S 24/10133/2007))

Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Juli 2007 - 31. Dezember 2009

Im Karosseriebereich spielt das Fügen von dünnwandigen Stahlblechstrukturen eine bedeutende Rolle, wobei zur Auslegung von Bauteilen zuverlässige Lebensdauer- und Festigkeitsberechnungsverfahren schon in der frühen Entwicklungsphase unerlässlich sind. Zur Schwingfestigkeit von Schweißnahtenden gibt es kaum Daten. Die Ansätze zur Berechnung von Nahtenden sind je nach Regelwerk unterschiedlich und gelten für Blechdicken größer und gleich 5 mm. Außerdem ist eine experimentelle Verifizierung der bestehenden Kerbspannunsansätze für Nahtenden bisher nicht erfolgt, obwohl diese häufig Ansatzpunkt für einen Schwingbruch sind.

Ziel des Forschungsvorhabens  war es, einen wesentlichen Beitrag zu leisten, die Schwingfestigkeit von Schweißnahtenden in dünnwandigen Stahlblechkonstruktionen mit derselben Treffsicherheit bewertbar zu machen, wie dies bei den übrigen Bereichen der Schweißnaht bereits möglich ist. Es sollte ein allgemein anwendbares Nachweisverfahren zur Bewertung der Schwingfestigkeit von Nahtenden mit dem Kerb- und Strukturspannungskonzept erarbeitet werden.

Kern der Arbeiten war die Erfassung der realen Nahtgeometrie mittels eines optischen 3D Scanners. Aufgenommen wurden hierbei die Schweißnähte der rund 160 getesteten Proben. Somit konnten erstmals in großem Umfang Kerbspannungen an der realen Geometrie berechnet werden. Es ist hierbei gelungen, aus den gescannten Oberflächen Volumenkörper zu erstellen und für diese mit der FE-Methode unter Zuhilfenahme der Submodelltechnik Kerbspannungen zu berechnen. Hierzu wurde zunächst ein per Hand modelliertes Grobmodell mit einer vo-lumenäquivalenten Schweißnaht erstellt. In einem ersten Submodell mit noch leicht vergröberter Auflösung kann der Ort der maximalen Kerbspannung identifiziert werden. An einem zweiten Submodell mit höchster Scannerauflösung wurden die Kerbspannungen bestimmt.

Außerdem war durch die so geschaffene große Datenbasis eine ausführliche Analyse der Nahtendgeometrie insbesondere in Bezug auf den Ausrundungsradius und den Nahtanstiegswinkel möglich. Mit Hilfe dieser Information konnte ein idealisiertes Nahtende abstrahiert und eine Vernetzungsrichlinie erstellt werden. Hiermit lassen sich ebenfalls Kerbspannungen berechnen. Mit dem idealisierten Modell wurde der Einfluss des Kerbradius auf die Kerbspannungen bestimmt. Des Weiteren war es über den statistischen Größeneinfluss möglich, den Einfluss des Kerbradius auf die ertragbaren Spannungen abzubilden.

In Verbindung mit den Versagensschwingspielzahlen aus den Schwingversuchen wurde eine konzeptgebundene Kerbspannungswöhlerlinie für den Referenzradius r = 0,2 mm erstellt. Somit liegt eine in sich geschlossene Bewertungsmethode nach dem Kerbspannungskonzept für Schweißnahtenden vor. Hierbei wird die Einwirkung mit dem idealisierten Nahtendmodell berechnet und auf der Widerstandsseite mit der konzeptgebundenen Wöhlerlinie verglichen.

Das hier genannte Vorgehen konnte für Längs- und Querzug sowie Biegung verifiziert werden. Wie jedoch die Versuchsreihe zum Lastfall Schub zeigte, stellt dieser einen Sonderfall dar und muss getrennt betrachtet werden.

Des Weiteren wurde in Anlehnung an das AVIF Projekt A 205 die Vernetzungsrichtlinie für das Strukturspannungskonzept erweitert. Auch hier wurde aus den Schwingversuchen eine konzeptgebundene Strukturspannungswöhlerlinie für eine Elementkantenlänge von 4mm erstellt.

Durch die Arbeit in diesem Projekt wird erstmals eine Bewertung der Schwingfestigkeit von Schweißnahtenden unter Quer- und Längszug sowie Biegung nach dem Struktur- und Kerbspannungskonzept möglich. Für die Praxis bedeutet dies einen enormen Zugewinn an Präzision und Effizienz bei der Bemessung von Schweißnähten. Zudem können zeit- und kostenintensive Versuchsreihen viel besser geplant werden und damit wirtschaftlicher gestaltet werden.

Forschungsstelle 1:
Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik der TU Darmstadt (IFSW)
www.ifsw.tu-darmstadt.de
 
Forschungsleiter 1:
Prof. Dr.-Ing. Michael Vormwald

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

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF