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2022
Conference Paper
Title
Schwingfeste Auslegung laserstrahlgeschweißter Welle-Nabe-Verbindungen unter mehrachsiger Beanspruchung
Abstract
Das Laserstrahlschweißen eröffnet vollständig neuartige funktionsintegrative Produktlösungen für Welle-Nabe-Verbindungen mit exzellenten Eigenschaften hinsichtlich Leichtbau, Baugröße, Lebensdauer und Verschleiß. Die Umsetzung von beanspruchungs- und schweißgerechten Bauteildesigns ist allerdings aufgrund der typischerweise komplexen zyklischen Nahtbeanspruchungen in höchstem Maße anspruchsvoll. Daher besteht insbesondere bei Antriebskomponenten im Automobil-, Schienenfahrzeug- und Luftfahrzeugbau der Bedarf nach abgesicherten Richtlinien, Bemessungskennwerten und Konstruktionsempfehlungen für mehrachsig beanspruchte Laserschweißverbindungen, unter Berücksichtigung lasertypischer Schweißgutgefüge sowie geeigneter Nahtkonfigurationen (Axial- bzw. Radialnaht).
Im vorliegenden Beitrag werden Beanspruchbarkeitskennwerte und lokale kerbspannungsbasierte Bewertungsmethoden für lasergeschweißte Welle-Nabe-Verbindungen bei zyklischer Belastung dargestellt und den Empfehlungen in den aktuellen Regelwerken für lokale Bewertungskonzepte (z.B. IIW, DVS 0905, FKM, Eurocode) für Stahlwerkstoffe gegenübergestellt. Die Daten basieren auf der experimentellen Prüfung und numerischen Berechnung der lokalen Schweißnahtschwingfestigkeit unter Berücksichtigung folgender Aspekte:
• dem Verhältnis zwischen Torsions- und Axialbelastung und der daraus resultierenden Schweißnahtschub- und Schweißnahtnormalbeanspruchung
• der Nahtkonfiguration (Radial- bzw. Axialnaht) und der entsprechend spezifischen Spannungsverteilung
• der lokalen Beanspruchbarkeit des lasertypischen Schweißgutgefüges (Martensit bzw. Restaustenit) für Eisenlegierungen in Abhängigkeit von der Werkstoffkombination (Stahl-Stahl bzw. Stahl-Gusseisen)
Darüber hinaus erfolgt eine ergänzende Absicherung der Schwingfestigkeitskennwerte für Welle-Nabe-Verbindungen durch Stumpfnaht-Plattenproben mit variabler Nahtorientierung.
Die vorgestellten Ergebnisse ermöglichen eine zuverlässige schwingfeste Auslegung für lasergeschweißte Welle-Nabe-Verbindungen unter mehrachsiger Beanspruchung. Im Sinne der Bauteiloptimierung erlauben die empfohlenen Auslegungsmethoden und Gestaltungsvorgaben eine Erhöhung der Abschätzungsgüte und damit einhergehend eine bessere Ausschöpfung der Schwingfestigkeit und des Leichtbaupotentials. Im Ergebnis wird zukünftig die Möglichkeit eröffnet, im Rahmen der Entwicklungsarbeit entsprechende Lebensdauerbewertungen auch für komplexe Werkstoffkombinationen und Nahtbeanspruchungen ohne aufwendige Versuchsreihen sowie iterative Konstruktionsanpassungen durchzuführen.
Die Ergebnisse wurden im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 20.621 B / DVS-Nr. 09.3100 LaserMultiAx (Laufzeit 01.03.2019 - 31.12.2021) erarbeitet.
Im vorliegenden Beitrag werden Beanspruchbarkeitskennwerte und lokale kerbspannungsbasierte Bewertungsmethoden für lasergeschweißte Welle-Nabe-Verbindungen bei zyklischer Belastung dargestellt und den Empfehlungen in den aktuellen Regelwerken für lokale Bewertungskonzepte (z.B. IIW, DVS 0905, FKM, Eurocode) für Stahlwerkstoffe gegenübergestellt. Die Daten basieren auf der experimentellen Prüfung und numerischen Berechnung der lokalen Schweißnahtschwingfestigkeit unter Berücksichtigung folgender Aspekte:
• dem Verhältnis zwischen Torsions- und Axialbelastung und der daraus resultierenden Schweißnahtschub- und Schweißnahtnormalbeanspruchung
• der Nahtkonfiguration (Radial- bzw. Axialnaht) und der entsprechend spezifischen Spannungsverteilung
• der lokalen Beanspruchbarkeit des lasertypischen Schweißgutgefüges (Martensit bzw. Restaustenit) für Eisenlegierungen in Abhängigkeit von der Werkstoffkombination (Stahl-Stahl bzw. Stahl-Gusseisen)
Darüber hinaus erfolgt eine ergänzende Absicherung der Schwingfestigkeitskennwerte für Welle-Nabe-Verbindungen durch Stumpfnaht-Plattenproben mit variabler Nahtorientierung.
Die vorgestellten Ergebnisse ermöglichen eine zuverlässige schwingfeste Auslegung für lasergeschweißte Welle-Nabe-Verbindungen unter mehrachsiger Beanspruchung. Im Sinne der Bauteiloptimierung erlauben die empfohlenen Auslegungsmethoden und Gestaltungsvorgaben eine Erhöhung der Abschätzungsgüte und damit einhergehend eine bessere Ausschöpfung der Schwingfestigkeit und des Leichtbaupotentials. Im Ergebnis wird zukünftig die Möglichkeit eröffnet, im Rahmen der Entwicklungsarbeit entsprechende Lebensdauerbewertungen auch für komplexe Werkstoffkombinationen und Nahtbeanspruchungen ohne aufwendige Versuchsreihen sowie iterative Konstruktionsanpassungen durchzuführen.
Die Ergebnisse wurden im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 20.621 B / DVS-Nr. 09.3100 LaserMultiAx (Laufzeit 01.03.2019 - 31.12.2021) erarbeitet.
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