Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Einflusses der konstruktiven Steifigkeit von dickwandigen laser- und laserhybridgeschweißten Verbindungen auf die Heißrissbildung

Im Rahmen dieses Vorhabens soll ein standardisiertes Prüfverfahren entwickelt werden, um die Schweißeignung von Werkstoffen bezüglich ihrer Neigung zur Bildung von Mittelrippendefekten beim Schweißen mit dem Laserstrahlverfahren zu charakterisieren. Hierbei soll der Schwerpunkt auf höhere Blechdicken gelegt werden, wo bisher deutliche Defizite in Verständnis von Mechanismen der Rissentstehung beim Laserstrahlschweißen und daraus folgende Unsicherheit bei der Anwendung von Strahlverfahren zum Schweißen von Stahlkonstruktionen bestehen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, primär die konstruktiven Einflüsse auf die Erstarrungsrissbildung zu untersuchen. Dazu gehört die Steifigkeit der äußeren Einspannung, welche sich infolge einer Schrumpfbehinderung beim Abkühlen unmittelbar auf die resultierenden örtlichen Spannungen und Dehnungen in der Schweißbadnähe auswirkt. Zu diesem Zweck sollen mit Hilfe der an der BAM aufgebauten Prüfmaschine Versuche mit Laser- und Laserhybridschweißverfahren an fest eingespannten Kleinproben durchgeführt werden. Die Rissresistenz einzelner Werkstoffen wird anhand der flexiblen Variation des Einspanngrades ermittelt. Damit werden Grundlagen für eine Übertragung der an Proben erzielten Ergebnisse auf eine full-scale Anwendung geschaffen. Darüber hinaus soll mit Hilfe der Simulation ein für Praxiszwecke geeignetes Kriterium, das auch auf andere Proben-, Naht- und in allgemeinem Fall Bauteilgeometrien übertragbar ist, abgeleitet werden, mit deren Hilfe die Risswahrscheinlichkeit auf Basis der Testergebnisse abgeschätzt werden kann. Diese Informationen sollen als eine Hilfestellung für die Konstrukteure bei der Auslegung von schweißtechnischen Konstruktionen bereits in der Planungsphase dienen. Ein weiteres Ziel ist es die Verbreitung des Laserstrahlschweißverfahrens als Fertigungsverfahren in den industriellen Anwendungen bei zahlreichen deutschen KMUs im Bereich Getriebebau, die als Lohnfertiger oder Zulieferer für Großindustrie produzieren, durch seine sichere Anwendung zu unterstützen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens zur Erforschung des Einflusses der Struktursteifigkeit von dickwandigen Laser- und Laserhybridschweißverbindungen auf die Heißrissbildung wurden mittels Heißrisstests die Einspanngrade beim Schweißen variiert, um eine Korrelation zwischen den Einspanngraden und der Rissbildung zu gewinnen. Nachdem die Prüfmaschine modifiziert wurde, war es möglich, unterschiedlichen Einspanngrade im Zusammenhang mit den Reaktionskräften zu simulieren. Für verschiedene Werkstoffe und Schweißverfahren wurden Experimente durchgeführt, um den kritischen Bereich der Einspanngrade zu bestimmen, in dem Erstarrungsrisse auftreten. Die numerische Simulation hat gezeigt, dass der Einspanngrad einen direkten Einfluss auf das Spannungsverhalten in der Ausbauchung hat, wo die Erstarrungsrisse entstanden sind. Die Ergebnisse zeigten außerdem, dass eine Korrelation zwischen den Einspanngraden und den Spannungsverläufen vorhanden ist, d.h. durch Erhöhung der Einspanngrade die Quer- und Vertikalspannungen zunehmen.

Der Einfluss der Schweißparameter auf die Rissbildung bei Proben unter kritischen Einspanngraden wurden ebenfalls untersucht. Die Untersuchungen wurden an dem Stahl S690QL für das Laserhybridschweißverfahren durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit und die Verschiebung der Fokuslage auf die Probenoberfläche, die Anzahl der Risse deutlich reduziert werden kann.

Ein selbstbeanspruchender Heißrisstest wurde gewählt, um die Ergebnisse aus den Experimenten zu übertragen. Dies vereinfachte das Testverfahren und machte es für die Anwender so praktisch wie möglich. Durch die Änderung von zwei geometrischen Parametern der Probe können die Einspanngrade variiert werden. Es wurden ebenfalls Experimente durchgeführt und die Ergebnisse zeigen eine gute Übertragbarkeit.