Ermüdungsrissverhalten von Tailored Welded Blanks unter Berücksichtigung der Eigenspannungen und der Geometrie eines Dickenübergangs

Kurzfassung

Gegenstand vergangener und aktueller Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten im Luftfahrtsektor ist die Gewichtsreduktion von Flugzeugen, um den Treibstoffverbrauch zu senken und Nutzlast sowieReichweite zu erhöhen. Ein potentielles Fügeverfahren zum Ersetzen des aufwendigen und gewichtssteigernden Nietens im Bereich des Rumpfes ist Reibrührschweißen (engl. Friction stir welding, FSW). FSW bietet die Möglichkeit, die im Flugzeugbau eingesetzten hochfesten Aluminiumknetlegierungen zu schweißen, ohne dass drastische Verluste der mechanischen Eigenschaften einhergehen.Zudem lassen sich beanspruchungsoptimierte Bauteile herstellen, indem Bleche unterschiedlicher Dicke verbunden werden (Tailored Welded Blanks, TWB). In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an einer Al-Mg-Sc-Legierung durchgeführt. Al-Mg-Sc-Legierungen bieten gute Korrosions- und Damage Tolerance-Eigenschaften und lassen sich überdies kriechformen, was die Herstellung doppelt-gekrümmter Bauteile ermöglicht.Durch den FSW-Prozess werden makroskopische Eigenspannungen eingebracht, die erhebliche Auswirkungen auf das Ermüdungsrissverhalten haben. Da zudem durch die konstruktiven Begebenheiten (Stoffschluss) keine Rissstopper-Funktion wie bei Nietverbindungen zu erzielen ist, ergibt sich weitere Relevanz für das Verhalten der Struktur bei Rissfortschritt. Das Verhalten von Ermüdungsrissen ist aber essentiell für die im Flugzeugbau angewandte Konstruktionsphilosophie der Damage Tolerance.Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung und die quantitative Beschreibung des Ermüdungsrissverhaltens von reibrührgeschweißten Strukturen der Al-Mg-Sc-Legierung AA5028-H116.Zum Erreichen dieses Ziels wurden zunächst Versuchs-und Auswertemethoden (weiter-)entwickelt.Mit Hilfe von Finite-Element-Simulationen mit bruchmechanischer Auswertung und digitaler 3DBildkorrelation wurden versuchsabhängige Geometriefunktionen zur Anwendung des Spannungsintensitätsfaktors für die durchgeführten zyklischen Rissfortschrittsexperimente an geschweißten Proben bestimmt. Auf diese Weise konnten Rissfortschrittskurven mit hoher Genauigkeit an solchen Proben ermittelt werden, die über die Dimensionen von Standard-Proben hinausgehen. Für die Bestimmung der Eigenspannung zur Untersuchung des Einflusses auf den mRissfortschritt mittels der Cut- Compliance-Methoden wurden FE-Simulationen herangezogen, um den geometrischen Einfluss des Dickenübergangs der Proben abzudecken. Rissfortschrittsverhalten und Eigenspannungen wurden für Proben mit und ohne Dickenübergang jeweils quer zur und innerhalb der Naht bestimmt.Makroskopische Eigenspannungen und deren Einfluss auf den Rissfortschritt wurden für die eigenspannungsbehafteten Proben ermittelt, sodass eine Korrektur der Rissfortschrittskurven dahingehend möglich war, diese auf das Verhalten des Grundmaterials zurückzuführen. Dazu wurde für die Al-Mg-Sc-Legierung eine Mittelspannungskorrektur des zyklischen Spannungsintensitätsfaktors bestimmt. Es zeigte sich, dass die Änderungen des Rissfortschrittsverhaltens maßgeblich durch die Eigenspannungen bestimmt werden; starke Auswirkungen infolge der mikrostrukturellen Änderungen innerhalb der Schweißnaht waren nicht zu beobachten. Das Verhalten der durch den Schweißprozess stark verzogenen Proben mit Dickenübergang konnte nicht allein durch Berücksichtigung der Eigenspannungen erklärt werden, sodass weiterhin Untersuchungen der Rissmundöffnung hinzugezogen wurden.