Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schweißnahtgüte und Schwingfestigkeit geschweißter Verbindungen aus Aluminium Knet- und Druckgusswerkstoffen

Beim Schweißen von Verbindungen aus Al-Druckguss bzw. Al-Knetlegierungen hängen Nahtqualität sowie statische und Ermüdungsfestigkeit direkt von der Gussqualität und dem verwendeten Schweißverfahren ab. Allgemeingültige Auslegungskennwerte sind für derartige Schweißverbindungen bisher aber nicht verfügbar, insbesondere nicht unter Berücksichtigung der realen Schweißnahtqualität. Besonders KMU im Bereich Al-Gießerei, Schweißtechnik und Ingenieurdienstleitung der Zulieferindustrie benötigen aber abgesicherte Bemessungskonzepte um Zugang zum rasant wachsenden Markt der Al-Gießerei, Berechnung und Auslegung sowie Schweißfertigung von Al-Komponenten zu erhalten bzw. zu sichern.

Ziel des beantragten Forschungsprojektes besteht in der statistisch abgesicherten Ermittlung der statischen und zyklischen Festigkeit geschweißter Al-Druckguss-Verbindungen bzw. Mischverbindungen aus Al-Druckguss und Al-Knetlegierungen. Dabei werden sowohl konventionelle Lichtbogen- (MIG als Referenz) und Laserstrahl-Schweißverfahren als auch neue Prozessentwicklungen zur Reduzierung der Nahtporosität, wie Elektronenstrahl-Mehrbad-Schweißen und Laserstrahlschweißen mit hochfrequenter Strahloszillation betrachtet. Die Untersuchungen werden an praxistypischen Stoßarten (Stumpf-, Überlapp-, abgesetzter Stumpfstoß) durchgeführt.

Basierend auf der Charakterisierung der Nahtgeometrie (Randkerben, Nahtüberhöhung) und -qualität (Porosität) werden im Querzugversuch quasistatische und zyklische Kennwerte ermittelt, welche mit den Qualitätskennwerten in Korrelation gebracht werden. Parallel erfolgt die Überarbeitung des rechnerischen Ermüdungsfestigkeitsnachweises (Kerbspannungskonzept) in Anlehnung an die Regelwerke und die Ableitung allgemeingültiger Empfehlungen zur Auslegung lichtbogen- und strahlgeschweißter Al-Druckguss- und Knetlegierungsverbindungen.

Die angestrebten Projektergebnisse ermöglichen besonders KMU der Zulieferindustrie die Überwindung vorhandener Markteintrittsbarrieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden Schweißverbindungen an Aluminiumlegierungen (insb. Al-Druckguss) unter Verwendung unterschiedlicher Schweißverfahren (MIG, EBW, LBW, LBW-HF) betrachtet. Die erstellten Verbindungen wurden zur Charakterisierung von Art und Umfang der Unregelmäßigkeiten metallographisch sowie mittels CT-Messungen analysiert und im Rahmen von Zug- und Schwingversuchen geprüft, um die Auswirkung der charakteristischen Schweißnahtausbildung auf die resultierende Verbindungsfestigkeit zu ermitteln.

Das Vorhaben konnte zeigen, dass in Abhängigkeit des verwendeten Schweißverfahrens eine charakteristische Verteilung der äußeren sowie innenliegenden Schweißnahtdefekte resultiert. Diese wirken sich im Weiteren, aufgrund unterschiedlicher Kerbwirkungen, auf die ertragbaren Lasten unter statischer- und insbesondere zyklischer Beanspruchung aus. Im Ergebnis zeigte sich, dass für Al-Druckgusswerkstoffe unter Beachtung fertigungsbedingter Qualitätsstreuungen nach dem Nennspannungskonzept eine konservative Abschätzung der Schwingfestigkeit erfolgen kann. Auf Grundlage der erarbeiteten Ergebnisse wurden Empfehlungen zur rechnerischen Bewertung lichtbogen- und strahlgeschweißter Al-Druckguss- und Al-Knetlegierungen, abgeleitet, die mit branchenüblichen Mitteln direkt anwendbar sind.

Die erzielten Ergebnisse geben Konstrukteuren und Anwendern Kennwerte zum rechnerischen Festigkeitsnachweis geschweißter Aluminiumdruckgussbauteile in Abhängigkeit des verwendeten Schweißverfahrens. Zusätzlich geben die erarbeiteten Ergebnisse Aufschluss über die Auswirkungen unterschiedlicher Schweißprozesse auf die resultierende Schweißnahtqualität unterschiedlicher Werkstoffkombinationen und ermöglichen so dem Anwender die Auswahl angepasster Schweißstrategien.