Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Konzeptgestützte Schwingfestigkeitsbewertung von reibgeschweißten Stahlverbindungen

Reibschweißverbindungen finden sich in einer ganzen Reihe von technischen Anwendungen, z. B. im Maschinenbau in der Serienfertigung von Zahnrädern, Hubstangen, Getriebeteilen und Wellen aber auch im Apparate- und allgemeinen Stahlbau an Rohren, Flanschen und Verankerungen. Die Schwingfestigkeit ist ein maßgebliches Bemessungskriterium für sicherheitsrelevante Reibschweißverbindungen und bedarf daher besonderer Aufmerksamkeit. Für die Schwingfestigkeitsbewertung von Reibschweißverbindungen steht aktuell kein validiertes Berechnungskonzept zur Verfügung. Festigkeitskennwerte werden unter hohem Zeit- und Untersuchungsaufwand experimentell bestimmt. Dies hat lange Produktentwicklungszeiten zur Folge und belastet vor allem kleine und mittelständische Unternehmen aufgrund eingeschränkter Prüfmöglichkeiten.

Klassische Konzepte zur Festigkeitsbewertung von Schweißverbindungen, wie das Nenn-, Struktur- und Kerbspannungskonzept sind für Schmelz- und Widerstandsschweißverbindungen abgeleitet worden und berücksichtigen die mikrostrukturellen und geometrischen Merkmale von Pressschweißverbindungen nicht. Dazu kommt, dass Rotationsreibschweißungen einen Schweißwulst ausbilden, der in der Praxis teilweise abgearbeitet wird und die Verbindungen somit teilweise keine geometrische Kerbe aufweisen.

Dieses Vorhaben erweitert die klassischen Berechnungskonzepte (Nenn- und Kerbspannungskonzept) um die Anwendbarkeit auf Reibschweißungen sowie entwickelt ein Konzept zur Schwingfestigkeitsbewertung auf Grundlage des Dehnungskonzeptes. Die Basis hierfür bilden umfangreiche Schwingfestigkeitsversuche, die mit numerischen Untersuchungen begleitet werden.

Das Vorhaben ist bei einer KMU geprägten Zulieferindustrie für diesen Unternehmenstyp relevant. In der Schweißtechnik gibt es umfangreiche Normenwerke, zu deren Verbesserung das Vorhaben einen Beitrag leistet.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden anhand von Laborproben Reibschweißverbindungen aus industrierelevanten Materialkombinationen hergestellt und hinsichtlich der resultierenden geometrischen und metallurgischen Eigenschaften sowie der Eigenspannungsverteilung charakterisiert. Ferner wurden Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Axial- und Torsionsbeanspruchung durchgeführt, um die Auswirkung der charakteristischen Schweißnahtausbildung auf die resultierende Verbindungsfestigkeit zu ermitteln.

Das Vorhaben konnte zeigen, dass im Vergleich zu Lichtbogenschweißverbindungen durchgehend eine sehr hohe Schwingfestigkeit beobachtet wurde. Dies konnte sowohl für Verbindungen mit Wulst, als auch im abgewulsteten Zustand bestätigt werden. Insbesondere nach Entfernen der Wulst konnte zudem ein Einfluss der Grundwerkstofffestigkeit auf die Schwingfestigkeit nachgewiesen werden. Anhand klassischer Konzepte der Schweißnahtberechnung wurde eine Übertragung zum rechnerischen Festigkeitsnachweis von Reibschweißverbindungen entwickelt. Das entwickelte Bemessungskonzept sieht dabei eine separate Bewertung der charakteristischen Merkmale Grundwerkstoff, Wulstgrundkerbe und Fügeflächenkerbe vor. Damit ist eine konservative Auslegung unter Ausnutzung der vorteilhaften Verbindungseigenschaften möglich.

Die erzielten Ergebnisse geben Konstrukteuren und Anwendern eine Methode zum rechnerischen Festigkeitsnachweis von Reibschweißverbindungen und sind, für die im Vorhaben betrachteten Materialkombinationen, mit branchenüblichen Mitteln direkt anwendbar. Das Konzept wird durch Erweiterung der DVS Merkblattreihe zum Reibschweißen (DVS 2909) um das Merkblatt 2909-6 für Anwender verfügbar gemacht werden. Eine Übertragung der Ergebnisse auf weitere Materialkombinationen und Realbauteilgeometrien ist mit reduziertem Versuchsaufwand im Einzelfall vorzusehen.