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Monday, September 16, 2019, Saal 5 2:00 PM Konstruktion und Festigkeit |
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Betriebsfestigkeitsanalyse von Schweißverbindungen anhand von digitalisierten Realgeometrien und FEM-Berechnungen sowie deren Validierung anhand von Schwingversuchen |
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Ralf Späth* / Universität der Bundeswehr München
Fakultät für Maschinenbau
Professur für Konstruktion und Leichtbau, D |
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Das Ermüdungsverhalten von Schweißverbindungen hängt, neben dem Grundwerkstoff und der sich durch den Schweißprozess ergebenden metallurgischen Kerbe, sehr stark von der Oberflächengeometrie der Schweißnaht ab. Diese geometrische Kerbe war bisher kaum eindeutig zu erfassen: Die sich aus dem Schweißprozess ergebenden Nahtformen variieren sehr stark, eine einfache Beschreibung durch mathematische Oberflächen o. Ä. konnte nur in starker Vereinfachung gelingen. In dem hier beschriebenen Projekt werden die Realgeometrien von zwei typischen Verbindungen (MAG-geschweißter Kreuzstoß und lasergeschweißter Stumpfstoß) durch ein 3D-Scanverfahren bis ins Detail erfasst. Eingesetzt wird hierzu ein hochpräziser Streifenlichtscanner dieser kann 3D-Punktabstände bis zu 18 µm auflösen. Mit dieser Technologie können auch kleinste Kerben in der Schweißnaht bzw. am Schweißnahtübergang erfasst werden. Ausgehend von den so digitalisierten Realgeometrien werden Finite-Elemente-Modelle (FEM) der Nahtschweißverbindungen erzeugt. Mittels aktueller Rechnertechnologie sind Vernetzungsgrößen von 25 µm in kritischen Zonen durchaus realisierbar. Anhand dieser feinen Netze können die lokalen Spannungsspitzen am Schweißnahtübergang sehr genau berechnet werden. Die sich damit ergebenden höchstbeanspruchten Bereiche deckten sich in den meisten Fällen mit dem Anrissort in den realen Schwingversuchen, die mit einem Hochfrequenzpulsator durchgeführt wurden. Das Lastniveau wurde jeweils so gewählt, dass sich ein Anriss bei ca. 250.000 bis 700.000 Lastspielen ergab. Anhand der Ergebnisse konnten auch zulässige Kerbschwingspannungen für beide Verbindungen abgeschätzt werden. Zusammenfassung: - Das Erfassen von Schweißnahtgeometrien mittels 3D-Scantechnik ist mit heutiger Technologie problemlos möglich. - Die Erstellung von daraus abgeleiteten FEM-Modellen ist dank aktueller Rechnerleistungen auch mit Vernetzungen im Bereich von etwa 25 µm durchaus realisierbar. - Die so aufgebauten FEM-Modelle können anhand der höchstbeanspruchten Bereiche den Anrissort im späteren realen Schwingversuch gut vorhersagen. - Weiter steigende Computerleistungen lassen dieses Verfahren in Zukunft noch attraktiver werden. Ein Einsatz in der Serienfertigung ist mittelfristig denkbar. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Schweißeigenspannungen sowie mit nichtlinearer Werkstoffmodellierung sind geplant. Der Einfluss von Eigenspannungen wurde bisher durch eine Glühbehandlung ausgeschlossen. |