Mechanische Zuverlässigkeit

NeKoLas – Erweiterung des Nenn- und Strukturspannungskonzeptes für die Auslegung lasergeschweißter Antriebskomponenten

Das Projekt IGF-Vorhaben-Nr.: 22699 BG; Laufzeit: 2 Jahre wird von der AiF-Forschungsvereinigung: Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS gefördert.

Beteiligte Institute sind das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und die Technische Universität Darmstadt, Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)

Motivation

Die Verfügbarkeit von experimentell abgesicherten Auslegungsmethoden und Gestaltungsvorgaben für zyklisch torsionsbeanspruchte Laserschweißverbindungen, sind von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Infolge der immer besseren prozess- und werkstofftechnischen Beherrschung der Schweißtechnologie werden laserstrahlgeschweißte Komponenten zunehmend auch in zyklisch hochbelasteten Konstruktionen eingesetzt, bei denen Ermüdungsrisse nicht akzeptabel sind. Um derartige Komponenten sicher auslegen zu können, wird ein zuverlässiges Bemessungskonzept benötigt. Dabei wird für die industrielle Anwendung besonderen Wert auf ein möglichst einfach anzuwendendes Konzept gelegt. Diese Kriterien werden üblicherweise von den anwendungsorientierten Bemessungskonzepten Nenn- und Strukturspannungskonzept erfüllt. Die Definition eine Nenn- oder Strukturspannung erweist sich für den Fall der betrachteten laserstahlgeschweißten Welle-Nabe-Verbindungen als schwierig. Zur Ermüdungsfesten Auslegung von Lasergeschweißten Antriebskomponenten fehlt eine einfache und zuverlässige Auslegungsmethode für die Industrielle Praxis

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist es, die Grenzen der Anwendbarkeit des Nenn- und Strukturspannungskonzeptes auf laserstrahlgeschweißte Welle-Nabe-Verbindungen entsprechend der aktuellen Empfehlungen etablierter Regelwerke zu identifizieren und im nächsten Schritt zu erweitern. Ein weiteres Ziel stellt die Ermittlung geometrie- und prozessabhängiger Auslegungskennwerte für schubbeanspruchte Laserschweißnähte mit einer praxisrelevanten Nahttiefe von 1,5 mm – 5 mm unter Berücksichtigung der Nahtkonfiguration (Radial / Axial), der Prozesskonfiguration (mit / ohne Zusatzwerkstoff) und des Einflusses praxistypischer Schweißnahttiefen und –fehler dar.

Lösungsweg

Um die Projektziele zu erreichen, werden Schwingfestigkeitsversuche an Proben für die verschiedenen Nahtkonfigurationen durchgeführt und die Ergebnisse, zusammen mit jenen für gesammelte Literaturdaten, mit den rechnerischen Lebensdauern nach den beiden Spannungskonzepten verglichen.

Im ersten Schritt werden aufbauend auf den im Vorgängerprojekt entwickelten Prüfkörpergeometrien (Axial / Radial: t = 3 mm) für die im geplanten Projekt vorgesehenen geometrischen (t = 1,5 mm / 3,0 mm / 5,0 mm) und prozesstechnischen Konfigurationen (mit / ohne Zusatzwerkstoff) angepasst, mittels FE-Simulationen prüfgerecht ausgelegt und fertigungsgerecht konstruiert. Anschließend erfolgt die mechanische Prüfkörperherstellung und schweißtechnische Umsetzung mittels Laserstrahlschweißen. Im nächsten Schritt wird die zyklische Prüfung der Proben unter reiner Torsion durch-geführt. Die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit erfolgt dann unter Verwendung des Nenn- und Strukturspannungskonzeptes, mit dem Ziel, diese Konzepte in Bezug auf die Anwendbarkeit auf laserstrahlgeschweißten rotationssymmetrischen Bauteilen zu verbessern. Die Auswertung der Ergebnisse mündet schließlich in der Ableitung allgemein verwendbarer Auslegungskennwerte wie FAT-Klassen und Gestaltungsvorgaben.

Kontakt
M.Sc. Markus Faß
Tel: +49 6151 705-454
Email: markus.fass@sam.tu-darmstadt.de