Schwingfestigkeit von lasergeschweißten T-Stößen an dünnen Blechen
Bei dynamisch stark beanspruchten Stahlkonstruktionen ist die Kenntnis der sogenannten Betriebsfestigkeit von besonderer Bedeutung. Es geht dabei um die Widerstandsfähigkeit einer Konstruktion gegen häufig auftretende Lastschwankungen. Die dadurch entstehende Materialermüdung äußert sich durch die Bildung von zunächst kleinen Anrissen, die sich bei anhaltender Schwingbelastung weiter ausbreiten und zusammenwachsen und schließlich so lang werden können, dass sie die betroffene Komponente oder gar die Struktur im Ganzen gefährden. Die Anrisse entstehen bevorzugt an konstruktions- und fertigungsbedingten Kerbstellen, z.B. Schweißnähten.
Für die Gewährleistung ausreichender Betriebsfestigkeit von Schweißnähten stehen heute verschiedene Berechnungsverfahren zur Verfügung. Alle modernen Verfahren verbinden rechnerisch die Anzahl der ertragbaren Lastspiele mit einer kennzeichnenden Beanspruchungsgröße. Häufig ist das die max. auftretende Spannungsschwingweite. Zu diesen Verfahren gehört auch das sog. Kerbspannungskonzept. Hier wird die Lebensdauer einer Konstruktion aus der Spannungsschwingweite im kritischen Kerbgrund abgeleitet. Die maßgebliche Kerbgrundspannung wird dabei auf Basis der Mikrostützwirkungstheorie nach Neuber bestimmt. Dazu wird die reale Kerbkontur rechnerisch um einen fiktiven Radius vergrößert. Die geringe geometrische Ausdehnung von Schweißnahtkerben erfordert eine hohe Auflösung der fiktiven Kerbgrundgeometrie. Dafür ist die FE-Methode besonders gut geeignet. Allerdings werden dafür sehr feine FE-Netze benötigt. Damit gehört das Kerbspannungsverfahren zu den besonders rechenintensiven Konzepten.
Das Kerbspannungskonzept ist seit einigen Jahren in aktuellen Bemessungsvorschriften verankert. Als Stand der Technik gilt, dass die Plattendicken der zu verschweißenden Bauteile dicker als 5 mm sein müssen. Bei dünnwandigen Schweißkonstruktionen zeigt das Verfahren noch Prognoseschwächen, die derzeit vielerorts Gegenstand der Forschung sind. Dies Forschungsprojekt soll einen Beitrag zur Entwicklung und Absicherung des Kerbspannungskonzeptes auf dünnwandige Schweißbauteile leisten.
Im Rahmen des Vorhabens werden Experimente zur Bestimmung der Wöhlerlinien von lasergeschweißten T-Stößen durchgeführt. Die dazu benötigten Proben wurden mit einer Materialstärke von 2–3 mm von einem Industriepartner robotergeschweißt. Bei den experimentell ermittelten Lebensdauern wird zwischen Anrissen in der Nahtoberseite und -wurzel unterschieden. Vor Durchführung der Experimente wurden die Nahtgeometrien der Proben digitalisiert. Sie werden statistisch aufbereitet und bilden so die Basis für die FE-Berechnungen. Der dann folgende Vergleich zwischen experimentellen und berechneten Lebensdauern soll Aussagen zur Qualität des Verfahrens und seiner aktuell diskutierten Weiterentwicklung zur Anpassung an Dünnblechschweißungen ermöglichen.
Das Projekt wird in einer Kooperation zwischen der Fachhochschule Kiel und der University of Southern Denmark bearbeitet und von einem Industriepartner begleitet. Es bietet dem ausführenden Wissenschaftler die Gelegenheit zur Promotion. Die geplante Projektlaufzeit ist 6/2018 bis 5/2021.