Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung des Tragverhaltens von Widerstandspunktschweißverbindungen ultrahochfester Stähle unter zyklischer Belastung sowie Erarbeitung eines Berechnungskonzepts zur Schwingfestigkeit

Trotz bestehender Unsicherheiten im Umgang mit der schweißtechnischen Verarbeitung werden Stahlvarianten, wie die Dual- oder Complexphasenstähle, mit zunehmender Tendenz eingesetzt. Der Vorteil dieser Stähle liegt in ihrer herausragenden Festigkeit bei gleichzeitig guten Umformeigenschaften.

Bisher gibt es keine allgemeingültige Beziehung, die eine Aussage über die Gefährdung eines punktgeschweißten und ultrahochfesten Stahlbauteils bzgl. der Rissbildung und -ausbreitung unter zyklischer Belastung erlaubt. Zur Abdeckung eines breiten Anwendungsspektrums sowie zwecks der Vergleichbarkeit und Ergänzung der bisherigen Erkenntnisse aus vorherigen Forschungsvorhaben sollen für die Werkstoffkombinationen ultrahochfester Dual- und Complexphasenstähle Untersuchungen unter zyklischer Belastung durchgeführt werden. Da Schwingfestigkeitsuntersuchungen allgemein durch die benötigten Versuchsumfänge und die Versuchsdauer einen hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand bedeuten, ist ein weiteres Ziel des Forschungsvorhabens die Erarbeitung eines Berechnungskonzepts bzw. einer Übertragungsfunktion, um die Schwingfestigkeit durch verschiedene charakteristische Kenngrößen zu beschreiben und dadurch im Vorfeld eine Abschätzung bzw. Auslegung zu ermöglichen.

Das Berechnungskonzept in diesem Forschungsvorhaben wird einen funktionalen Zusammenhang zwischen Festigkeitsreduktion in der Erweichungszone und Schwingfestigkeit von ultrahochfesten Stählen herstellen. Um auf analytischem Wege eine KMU-gerechte Auslegung widerstandspunktgeschweißter Verbindungen zu ermöglichen, wird sich an bestehenden Regelwerken wie dem „Rechnerischen Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ laut FKM-Richtlinie und EU-Normen orientiert. Durch weitgehende, umfassende und systematische Untersuchungen werden die Versagensmechanismen analysiert und anschließend eine Methode zur Lebensdauerabschätzung für den Anwender entwickelt.

Ergebniszusammenfassung:

Trotz bestehender Herausforderungen im Umgang mit der schweißtechnischen Verarbeitung werden Stahlvarianten, wie die höchstfesten Stähle, mit zunehmender Tendenz eingesetzt.

Im Rahmen des Vorhabens wurde zuerst eine Charakterisierung der höchstfesten Stähle durchgeführt und die mechanischen Kennwerte ermittelt. Anschließend folgte eine Schweißbereichsermittlung nach SEP 1220-2 für alle artgleichen Werkstoffkombinationen, wodurch die Qualitätsgrenzen bestimmt werden konnten. Die Untersuchungen wurden durch Härte- und Gefügeuntersuchungen der Punktschweißverbindungen vervollständigt. Zur Charakterisierung des Trag- und Versagensverhaltens der Schweißverbindungen wurden qs. Zugversuche mit Hilfe des LWF-KS-2-Prüfkonzepts durchgeführt.

Um die Lebensdauer der Verbindungen unter zyklischer Belastung hinreichend genau vorhersagen zu können, wurden zunächst Schwingfestigkeitskennwerte im Rahmen von Wöhlerversuchen ermittelt. Da diese Untersuchungen einen hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand bedeuten, ist ein weiteres Ziel des Vorhabens die Erarbeitung eines Berechnungskonzepts, um die Schwingfestigkeit durch charakteristische Kenngrößen (wie z.B. die Verbindungsfestigkeit) zu beschreiben und im Vorfeld eine Abschätzung der Lebensdauer zu ermöglichen. Um auf analytischem Weg eine effiziente Auslegung punktgeschweißter Verbindungen zu ermöglichen, werden bestehende Regelwerke wie die FKM-Richtlinie, eingesetzt. Weiterhin wurde mit Hilfe des aufgestellten Berechnungskonzepts das Ziel verfolgt, einen funktionalen Zusammenhang zwischen den Schweißprozesskenngrößen, den Verbindungsfestigkeiten und der Schwingfestigkeit zu stellen. Die ermittelten Ergebnisse flossen in den Entwurf des Berechnungskonzepts zur Bewertung der Bauteilwechselfestigkeit ein. Damit werden Stahlanwender in Konstruktion und Berechnung in die Lage versetzt, Aussagen über die Beanspruchbarkeit von punktgeschweißten Konstruktionen aus höchstfesten Stählen treffen zu können.