Festigkeitshypothesen zum Schwingfestigkeitsverhalten von dünnwandigen Laserstrahlschweißverbindungen aus Aluminium unter mehrachsigen Beanspruchungen mit konstanten und veränderlichen Hauptspannungsrichtungen Buchkatalog

Mechanischen Strukturen unterliegen im Allgemeinen komplexen, von außen einwirkenden Belastungen. In der Regel wirken mehrere verschiedene Lasten unabhängig voneinander und zeitlich veränderlich auf solche Strukturen. Das hat zur Folge, dass in den schwingbruchkritischen Bereichen meist mehrachsige Spannungszustände infolge der Belastung vorliegen. Ziel dieser Arbeit ist das Schwingfestigkeitsverhalten dünnwandiger Laserstrahlschweißverbindungen aus Aluminiumknetlegierungen, wie sie häufig in der Fahrzeugindustrie verwendet werden, unter komplexen mehrachsigen Belastungen zu ermitteln und eine zuverlässige Bemessungshypothese auf Basis von Kerbgrundbeanspruchungen abzuleiten bzw. bestehende Konzepte auf ihre Anwendbarkeit zu prüfen und ggf. weiterzuentwickeln. Eine besondere Herausforderung stellt die rechnerische Lebensdauerberechung unter Berücksichtigung des Einfluss von zueinander nichtproportionalen Deviatorspannungsverläufen auf die Schwingfestigkeit dar. Je nach Werkstoffduktilität und dem Verhältnis von Normal- zu Schubspannungen bewirken zeitlich veränderliche Hauptspannungsrichtungen entweder eine Lebensdauerverkürzung, eine Verlängerung oder verhalten sich neutral im Vergleich zu konstanten Hauptspannungsrichtungen. Die zur Verifikation der Berechnungsmethoden erforderlichen Schwingfestigkeitsversuche wurden an Rohr-Rohr-Überlappschweißverbindungen aus der naturharten Legierung AlMg3, 5Mn (EN AW 5042) sowie aus dem aushärtbarem Werkstoff AlSi1MgMn T6 (EN AW 6082 T6) durchgeführt. Das experimentelle Versuchsprogramm beinhaltete neben Versuchen mit reinen Axial- bzw. Torsionslasten zusätzlich Versuche mit kombinierter Axial- und Torsionslast zur Simulation mehrachsiger Spannungszustände. Bei den multiaxialen Versuchen wurde darüber hinaus die Phasenbeziehung der beiden Lastkomponenten zwischen phasengleich und phasenverschoben variiert, um experimentell proportionale und nichtproportionale Beanspruchungszustände, d.h. mit konstanten und veränderlichen Hauptspannungsrichtungen, zu realisieren. Weiterhin wurden zur Bestimmung von anzusetzenden Schadenssummen und als einen weiteren Schritt in Richtung realer Betriebsbelastungen neben Einstufenversuchen zusätzlich Untersuchungen mit variablen Lastamplituden durchgeführt. Zur Beurteilung und Bewertung der Ermüdungsfestigkeit wurden erprobte Mehrachsigkeitshypothesen auf ihre Anwendbarkeit geprüft und weiterentwickelt. Die vorliegenden Versuchsergebnisse wurden auf Basis der numerisch berechneten Kerbspannungen, nach dem Referenzradiuskonzept mit rref = 0, 05 mm, zunächst mit einer Hypothese der integralen Anstrengung, der so genannten Hypothese der Wirksamen Vergleichsspannung (WVS), bewertet. Diese Hypothese beschreibt trendmäßig das Phänomen einer größeren Schädigung bei duktilen Werkstoffen durch drehende Hauptspannungsrichtungen, wie hier beobachtet, und die damit verbundene Lebensdauerverkürzung. Weiterhin wurde die ebenfalls im LBF, bisher jedoch nur für konstante Amplituden, entwickelte Hypothese SSCH (Stress Space Curve Hypothesis) angewendet. Bei diesem Ansatz wird eine Raumkurve betrachtet, die sich als Zeitentwicklung der Spannungszustände ergibt. Aus dieser Kurve wird eine Vergleichsspannung bzw. eine Schädigung abgeleitet. Allerdings konnte diese Methode bisher nur für konstante Amplituden angewendet werden. Auch mögliche unterschiedliche Neigungen der einaxialen Basiswöhlerlinien für reine Axial- und Torsionsbelastung, die die Bewertungsgrundlage darstellen, blieben bisher unberücksichtigt. Deshalb wurde die SSCH dahingehend weiterentwickelt, die unterschiedlichen Wöhlerlinienneigungen der reinen Axial- und Torsionswöhlerlinien mit in die Bewertung zu integrieren. Somit werden unterschiedliche Versagensmechanismen, in Abhängigkeit von der Beanspruchungshöhe, erfasst. Die so mit der modifizierten Methode bewerteten experimentellen Ergebnisse lassen sich in einem für Schweißverbindungen engen Streuband erfassen. Im Vergleich zur ursprünglichen Variante ohne Berücksichtigung unterschiedlicher Neigungen ergab sich eine zutreffendere Übereinstimmung zwischen experimentellen und rechnerisch bestimmten Lebensdauern. Darüber hinaus wurde die Methode zusätzlich auf die Anwendung von variablen Amplituden erweitert. Auch hier ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen rechnerischer und experimenteller Lebensdauer.