Das Reibschweißen ist eine Fügetechnik mit der sich Bauteile schnell und effizient fügen lassen. Es können dabei auch Werkstoffkombinationen gefügt werden, die mit konventionellen Scheißverfahren nicht zuverlässig gefügt werden können. Zu Projektbeginn existierten jedoch noch keine Bewertungskonzepte, mit der die Schwingfestigkeit reibgeschweißter Bauteile abgeschätzt werden konnten. Eine Anwendung der Bewertungskonzepte für lichtbogengeschweißte Verbindungen war nicht zielführend, da die versagenskritischen Kerben gänzlich unterschiedliche Charakteristika aufweisen. Nach Abschluss des Projekts steht nun eine Bewertungsmethodik zur Verfügung, mit der eine zuverlässige Bemessung möglich ist.
Für eine Schwingfestigkeitsbewertung von reibgeschweißten Verbindungen gibt es nach dem Stand der Technik, z. B. nach der FKM-Richtlinie „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“, der IIW-Empfehlungen oder den Merkblättern DVS 0905 oder DVS 2909, noch keine Empfehlungen. In der Industrie erfolgte daher eine Bemessung von zyklisch beanspruchten reibgeschweißten Bauteilen typischerweise auf Basis von Erfahrungen an sich im Einsatz bewährten Bauteilen oder über Validierungsversuche. Mit dieser Vorgehensweise ist es jedoch nur mit hohem Aufwand möglich Bauteile zu entwickeln, die gleichzeitig hoch-performant, leicht und ressourcenschonend in der Fertigung sind.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden anhand von reibgeschweißten Versuchskörpern aus industrierelevanten Materialkombinationen hergestellt und hinsichtlich der resultierenden geometrischen und metallurgischen Eigenschaften sowie der Eigenspannungsverteilung charakterisiert, Abbildungen 1 und 2. Ferner wurden Schwingfestigkeitsuntersuchungen unter Axial- und Torsionsbeanspruchung durchgeführt, um die Auswirkung der charakteristischen Schweißnahtausbildung auf die resultierende Verbindungsfestigkeit zu ermitteln.
Im Vergleich zu Lichtbogenschweißverbindungen zeigte sich eine durchgehend sehr hohe Schwingfestigkeit, Abbildung 3. Durch eine mechanische Entfernung der Wulst konnte die Schwingfestigkeit der Verbindung zusätzlich gesteigert werden. Die Wechselfestigkeit der Reibschweißverbindungen liegt ohne Berücksichtigung eines Mittelspannungseinflusses (jeweiliger Herstellungszustand) um mind. Faktor 2 höher als sie nach dem Nennspannungskonzept für konventionell geschweißte Stumpfstöße zu erwarten wären. Zudem weisen die an Reibschweißverbindungen ermittelten Wöhlerlinien eine, im Vergleich zu konventionellen Schweißverbindungen flache Neigung auf. Dies kann einerseits auf die geringe Kerbschärfe sowie andererseits auf die vorteilhafte Eigenspannungsverteilung (Druckeigenspannungen in kerbnahen Bereichen) zurückgeführt werden. Im Übrigen ist in den Schwingfestigkeitsversuchen der Verbindungen ohne Wulst ein Einfluss der Werkstofffestigkeit auf die erzielte Schwingfestigkeit klar beobachtbar.
Klassische Konzepte der Schweißnahtbewertung, wie das Nenn- oder Kerbspannungskonzept, können aufgrund der unterschiedlichen Charakteristika der versagensrelevanten Kerben nicht für eine Bemessung angewandt werden. Aus diesem Grund wurde eine Bewertungsmethodik auf Basis der FKM-Richtlinie entwickelt, mit der alle relevanten Einflussgrößen zuverlässig bewertet werden können: Dies ist die Werkstofffestigkeit, die Spannungsüberhöhung und die Spannungsgradienten, sowie die Eigenspannungen. Eine Gegenüberstellung von experimentell ermittelter und rechnerisch abgeschätzter Lebensdauer zeigt eine geringe Streuung und eine durchweg konservative Bewertung der Lebensdauer, siehe Abbildung 4.
Die erzielten Ergebnisse geben Konstrukteuren und Anwendern eine Methode zum rechnerischen Festigkeitsnachweis von Reibschweißverbindungen und sind, für die im Vorhaben betrachteten Materialkombinationen, mit branchenüblichen Verfahren direkt anwendbar. Eine Übertragung der Ergebnisse auf weitere Materialkombinationen und Realbauteilgeometrien ist mit reduziertem Versuchsaufwand im Einzelfall vorzusehen.
Fördergeber
Die vorgestellten Untersuchungen wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) durch die AiF e.V. (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V.) unter dem Förderkennzeichen 20.357N gefördert. Die technische und wissenschaftliche Begleitung des Projekts erfolgte durch den Deutschen Verband für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS e. V.) und einen industriellen Lenkungsausschuss.
Projektpartner
Institut für Füge- und Schweißtechnik (ifs), TU Braunschweig
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF