Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schaffung konsolidierter und ingenieurtechnisch anwendbarer Verfahren zur Ermüdungsbewertung nicht nachbearbeiteter und nachbearbeiteter Schweißverbindungen im LCF-Bereich

Schweißen stellt eine der wichtigsten Fügetechniken für Strukturen aus metallischen Werkstoffen dar. Nahezu alle Produktsparten des Maschinenbaus, des Stahl- und Kranbaus, des Fahrzeugbaus, des Druckgerätebaus, der Windenergietechnik, etc. nutzen diese Fügtechnik in erheblichem Maße.

Gegenstand dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen bei niederzyklischer Ermüdung. Hierfür soll zunächst anhand von zwei sehr unterschiedlichen Werkstoffen – X6CrNiTi18-10 sowie S960M an geschweißten Proben mit zwei unterschiedlichen Wandstärken/Nahtdicken die dafür notwendige experimentelle Basis geschaffen werden, um darauf aufbauend im Projekt rechnerische Konzepte untersuchen und weiterentwickeln zu können.

Ziel des Vorhabens ist es, verbesserte Lebensdauerkonzepte für Schweißverbindungen aus dem austenitischen Stahlwerkstoff X6CrNiTi18-10 (1.4541) sowie dem hochfesten Baustahl S960M für rein niederzyklische Beanspruchungen unter konstanten Amplituden und plastischer Deformation zu entwickeln und anhand von experimentellen Ergebnissen zu validieren. Hierbei wird sowohl auf lokale, werkstoffbasierte Konzepte als auch vereinfachende Korrekturfunktionen für etablierte spannungsbasierte Konzepte (Nennspannungs-, Strukturspannungs-, Kerbspannungskonzepte) zurückgegriffen.

Mit einer verbesserten Prognosefähigkeit im rein niederzyklischen Bereich erhofft man sich eine Basis zu schaffen, um damit zukünftig auch die Lebensdauer von Strukturen mit Belastungsspektren, die sowohl im nieder- als auch hochzyklischen Spektrum liegen, besser prognostizieren zu können. Dieses Ziel hilft dabei, die Bauteilzuverlässigkeit zu verbessern, dadurch Produktrisiken unterschiedlichster Branchen zu minimieren und ressourcenschonender auszulegen. Da Produktentwicklung im Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbau vermehrt von Unternehmen der Zuliefererketten geleistet werden (Ingenieurbüros, Entwicklerfirmen) sind die Ergebnisse besonders für KMU relevant.

Ergebniszusammenfassung:

Mit den untersuchten Berechnungsverfahren kann die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Bauteile, auch im niederzyklischen Bereich, rechnerisch und mit geringem experimentellem Aufwand bewertet werden. Damit kann eine kosten- und ressourcenschonende Auslegung geschweißter Bauteile erzielt werden. Dadurch wird wiederum die Wettbewerbsfähigkeit der KMU gesteigert. Da die Berechnungsverfahren auch den niederzyklischen Bereich abdecken und rein auf linear-elastischen Finite-Elemente-Analysen basieren, wird eine wirtschaftliche Auslegung bei langen Last-Zeitreihen ermöglicht.

Mit der FKM-Richtlinie Nichtlinear besteht seit 2019 die Möglichkeit, den rechnerischen Festigkeitsnachweis für ungeschweißte Bauteile unter expliziter Erfassung nichtlinearen Werkstoffverhaltens zu führen. Mit den Untersuchungen von Rudorffer et al. wurde die FKM-Richtlinie Nichtlinear für den Nachweis geschweißter Bauteile erweitert. In diesem Projekt wurde zusätzlich die Anwendbarkeit der FKM-Richtlinie Nichtlinear für nachbearbeitete Schweißnähte überprüft. Zusätzlich wurde ein Verfahren erarbeitet, mit dem der Festigkeitsmismatch bei Schweißverbindungen in Form eines Dehnungskonzentrationsfaktors quantifiziert werden kann. Weiterhin wurde für den vereinfachten elastisch-plastischen Ermüdungsnachweis eine Methode vorgeschlagen, mit der ein Nachweis geschweißter Bauteile im niederzyklischen Bereich ermöglicht wird.

Die erzielten Ergebnisse können in zahlreichen Branchen, wie z.B. dem Maschinen- und Anlagenbau zur Auslegung geschweißter Strukturen mit Lebensdauern im Kurzzeit-, Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich angewendet werden.