Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schwingfeste Auslegung laserstrahlgeschweißter Verbindungen unter mehrachsiger Beanspruchung

Laserstrahlgeschweißte Welle-Nabe-Verbindungen, z. B. für hochbelastete Antriebskomponenten, finden verbreitet Anwendung. Die in der Regel zyklisch mehrachsig beanspruchten Schweißverbindungen werden aber bislang anhand empirischer Kriterien ausgelegt, weil die erforderlichen Auslegungskennwerte nicht verfügbar sind.

Ziel ist es, für laserstrahlgeschweißte rotatorische Bauteile Auslegungskennwerte für zyklisch mehrachsig beanspruchte Schweißnähte zu ermitteln. Dazu werden speziell gestaltete Prüfkörper mit Radial- bzw. Axialrundnähten mit einer Nahttiefe von 2 – 7 mm unter kombinierter Torsions-Axial-Belastung geprüft, wobei eine systematische Variation der Belastungssituation erfolgt. Dabei werden sowohl die aus der Grundkonstruktion resultierende Nahtkonfiguration (Radial- bzw. Axialnaht), die Art der Prüfteilbelastung (Torsion bzw. Torsion + Axialzug/-druck) und die daraus resultierende Schweißnahtbeanspruchung als auch die lokalen Eigenschaften der Schweißverbindung (martensitisches/austenitisches Schweißgut) variiert.

Neben der experimentellen Schweißnahtprüfung in Torsions-Axial-Prüfständen wird eine FE-basierte Bewertungsmethode für lokal mehrachsig beanspruchte Schweißnähte unter Verwendung lokaler Konzepte entwickelt und anhand der experimentell ermittelten Daten validiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Erstellung allgemeingültiger Richtlinien für belastungs- und verfahrensgerechte Konstruktionen lasergeschweißter Welle-Nabe-Verbindungen unter mehrachsiger Beanspruchung. KmU profitieren von den Projektergebnissen besonders durch die Verfügbarkeit von Bemessungskennwerten und Konstruktionsempfehlungen für Ingenieurdienstleister im Bereich Konstruktion und Berechnung, durch die mögliche Einflussnahme der Schweißbetriebe auf die Gestaltung der Schweißkonstruktion sowie durch die Erweiterung des Leistungsspektrums von Anlagen- und Systemlieferanten auf die Beratung des Kunden hinsichtlich belastungs- und verfahrensgerechter Bauteilgestaltung.

Ergebniszusammenfassung:

Die Ergebnisse des Forschungsprojektes lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Welle-Nabe-Proben

- Werkstoffeinfluss: Die Lebensdauer lasergeschweißter Radialnähte in Stahl-Stahl-Werkstoffkombination ist geringfügig höher als die der Stahl-Guss-Werkstoffkombination.

Konstruktiver Einfluss: Bei allen untersuchten Nahtbeanspruchungen (Schub, Normal- und mehrachsige Beanspruchung) erzielen die Radialnähte stets eine signifikant höhere Lebensdauer als die Axialnähte.

- Die Rissausgangsorte sind mittels optischer und fraktographischer Methoden (REM) nicht eindeutig bestimmbar

Flachproben

- Einfluss mehrachsiger Beanspruchung: Bei den untersuchten Proben ergibt sich mit steigendem Mehrachsigkeitsgrad eine erhöhte Belastbarkeit der Proben

- Bewertung: Der Einfluss der mehrachsigen Beanspruchung auf die Lebensdauer kann mit dem erweiterten Ansatz nach Gough-Pollard korrekt wiedergegeben werden

Bewertungskonzept

- Der klassische Ansatz nach Gough-Pollard ist zur Bewertung von laserstahlgeschweißten Bauteilen geeignet, falls für die Nennspannung keine Parallelspannungskomponenten vorliegen. Ansonsten wird der erweiterte Ansatz nach Gough-Pollard empfohlen

- Bei der Bewertung der Welle-Nabe-Proben nach dem Kerbspannungskonzept führt die FAT 500 teilweise zu

nichtkonservativen Ergebnissen. Für geringe Nahtanstiegswinkel ist für Normalspannungen die FAT 360 zu bevorzugen

Auslegungskennwerte

Anwendungsmöglichkeiten:

- Laserstrahlgeschweißte Antriebs- oder Getriebekomponenten für PKW-Anwendungen (inkl. Elektromobilität:

Untersetzungsgetriebe, Rotorwellen,...)

- Anwendungen im Flugzeugbau (z.B. Flugsteuerungsgetriebe,…), Nutzfahrzeugsektor sowie bei Bau- und Landmaschinen

- Maschinenbaukomponenten (Wellen, Achsen,...)