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Theoretische und experimentelle Analyse des Bauteilverhaltens rührreibgeschweißter Überlappverbindungen
(2013) Kleih, Leonard Gregor; Roos, Eberhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Der erweiterte Einsatz von Rührreibschweißverbindungen im Kraftfahrzeugwesen im Zuge der Durchsetzung von Leichtbaumaßnahmen insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung von Aluminiumstrukturen erfordert eine intensive Diskussion der Einsatzfähigkeit des Rührreibschweißprozesses hinsichtlich der Verbindungsqualität. Durch die Anwendung im Flugzeugbau ist die durch Rührreibschweißen erreichbare Nahtqualität hinreichend bewiesen, jedoch müssen die Rahmenbedingungen im Fahrzeugbau berücksichtigt werden. Das Produktionsvolumen und die abgesetzte Menge sowie die Diversität der Bauteilverbindungen unterscheiden sich dabei besonders stark von den bisherigen Einsatzgebieten des Rührreibschweißens. Aufgrund konstruktiver Vorgaben ist ein Einsatz von Überlappverbindungen z.B. bei der Herstellung von Tailored Blanks großer Blechdickenübergänge, der Erzeugung von Mischverbindungen, sowie beim Verschließen von Tanks und Gehäusen notwendig. Die untersuchten Überlappverbindungen finden typischerweise aufgrund der gewählten Blechdicken sowie der Legierungswahl (EN AW-5454 O, EN AW-6016 T4) im Karosseriebau Anwendung. Die Beurteilung der Verbindungseigenschaften von Überlappverbindungen erfolgt üblicherweise auf Basis des Nennspannungskonzeptes mit zusätzlicher Berücksichtigung des Kerbeinflusses. Durch diese Vorgehensweise können die Mechanismen, die zur Verkürzung bzw. zur Verlängerung der Lebensdauer einer spezifischen Verbindung führen, kaum identifiziert werden. Auch sind werkstoff- und eigenspannungsbedingte Einflüsse auf die Verbindungseigenschaften hinsichtlich der Anwendung in Form von rührreibge-schweißten Überlappverbindungen kaum erforscht. Um eine umfassende Charakterisierung rührreibgeschweißter Überlappverbindungen zu gewährleisten, wurden Schweißparameterstudien mit artgleichen Verbindungen und Mischverbindungen durchgeführt. Anhand der quasistatischen Verbindungsfestigkeit wurden Verbindungen ausgewählt und hinsichtlich ihrer zyklischen Verbindungseigenschaften geprüft. Unterstützend wurden metallografische und fraktografische Analysen zur Beurteilung der Gefügestrukturen sowie thermografische Untersuchungen und thermodynamische Berechnungen des Ausscheidungszustandes herangezogen, um mögliche Ausscheidungsauflösungen sowie Nahtfehler zu erkennen. Im Fokus der weiteren Untersuchungen stand die Erarbeitung und Anwendung einer vereinfachten analytischen Berechnungsmethodik zur Bestimmung der maximalen Strukturspannung in einschnittigen Überlappverbindungen. Die Berücksichtigung der wirkenden, den Zugspannungen überlagerten, Biegespannungen ermöglicht einen direkten Vergleich der Festigkeitseigenschaften mit Stumpfstoßverbindungen und den Grundwerkstoffen. Zur Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen wurde ein Finite-Elemente-Berechnungsmodell erstellt, das es erlaubt, den Schrumpfeigenspannungszustand einer Probe zu erfassen und hinsichtlich eines Einflusses auf die Verbindungseigenschaften zu bewerten. Mit den in dieser Arbeit durchgeführten Analysen wird eine vereinfachte, realistische Bewertung des zyklischen Verbindungsverhaltens rührreibgeschweißter Überlappverbindungen geringer und mittlerer Fügestellenbreiten ermöglicht. Es wird gezeigt, dass die in der Naht herrschenden Strömungsverhältnisse großen Einfluss auf die Form und Lage von Oxidschichtpartikeln und damit direkte Auswirkungen auf das Bauteilverhalten besitzen.