Ermüdung von reibrührgeschweißten Verbindungen aus hochfesten Aluminiumlegierungen unter biaxialer, zyklischer Belastung

Abstract

Die im Rahmen dieser Arbeit geprüften FSW Überlapp-T-Stöße wurden mittels Ultraschallprüfung auf Fehler hin untersucht. Hierzu wurden Messungen unter zwei verschiedenen Einschallwinkeln (20°; 0°) durchgeführt und ausgewertet. Aus diesen Auswertungen geht hervor, dass sich im „nugget” keine Defekte befinden. Um dieses Ergebnis zu bestätigen wurde ein metallographischer Schliff angefertigt. Bei der Schliffuntersuchung wurde eine stark abgeschwächte Form des so genannten „hook flaws” in der Schweißung im Übergang vom „nugget” zur TMAZ gefunden. Aufgrund seiner Lage in der Schweißung kann dieser Defekt nicht detektiert werden. Da der Defekt jedoch sehr schwach ausgeprägt war, konnte er in seinen Auswirkungen auf das Ermüdungsverhalten bei den untersuchten Spannungen vernachlässigt werden. Der Kleber FM® 73 der Firma Cytec, der für die Herstellung der bei biaxialer Ermüdung benötigten Kreuzproben ausgewählt worden war, wurde auf seine Eignung für die Herstellung der Kreuzproben hin untersucht. Hierzu wurden Proben hergestellt, die den Übergang von Probenarm zu Prüfbereich der Kreuzproben imitierten. Die Proben erreichten unter den gewählten Prüfparametern (σ_max = 150 MPa; 225 MPa; R = 0,1) ausreichend hohe Lebensdauern. Somit war der Kleber für die deutlich geringeren Maximalspannungen bei der für die biaxiale Ermüdung verwendeten Probengeometrien geeignet und wurde bei allen Kreuzproben eingesetzt. Für das Ermüdungsverhalten der untersuchten Proben ist der Steifigkeitssprung am Übergang von unverschweißtem Material und „nugget” mit der dadurch verursachten Dehnungskonzentration maßgeblich. Bei den biaxialen Ermüdungsversuchen entstand der Riss, der zum Versagen der Probe führte, überwiegend am Anfang der Schweißnaht. Dies kann dadurch erklärt werden, dass beim Schweißprozess das Werkzeug beim Aufsetzten auf das Material eine gewisse Zeit auf derselben Stelle reibt. Dadurch erfährt dieser Teil der Naht zusätzlich einen größeren Wärmeeintrag, was zu Überalterungseffekten führt. Trotz des am Nahtende verbleibenden Loches versagen auch FSW DLR-Proben überwiegend am Nahtanfang. In ihren Auswirkungen auf das Ermüdungsverhalten sind die Überalterungseffekte somit von größerer Bedeutung als der durch das Endloch verursachte Kerbeffekt. Bei der Rissausbreitung konnte ein Unterschied zwischen FSW DLR und Stringerproben festgestellt werden. Die Schädigung durch Reibermüdung verteilt sich bei FSW DLR-Proben gleichmäßig und symmetrisch auf beide Seiten der Naht. Bei den Proben mit aufgeschweißtem Stringer kommt es nur auf der dem Steg des Stringers abgewandten Seite der Schweißnaht zu einem deutlichen Effekt der Reibermüdung. Dies ist auf die zusätzliche Versteifung durch den Steg des Stringers und die damit verbundene Einschränkung der Relativbewegung bei der Ermüdung auf dieser Seite zurückzuführen. Dadurch breiten sich die Risse bei den Stringerproben nicht exakt senkrecht zur Schweißrichtung aus wie bei den FSW DLR-Proben, sondern sie knicken auf der dem Steg des Stringers abgewandten Seite zur Probenmitte hin ab. Der Einfluss der Walzrichtung auf das Versagen der Schweißungen konnte durch die Erstellung von Fließortkurven als nicht entscheidend eingestuft werden. Durch die Ermüdung bei unterschiedlichen Lastverhältnissen wurde das Verhalten der Proben in und quer zur Schweißrichtung genauer untersucht. Biaxiale Versuche bei Lastverhältnissen von λ = 0 bis λ = ∞ zeigten, dass zunehmende Lasten quer zur Schweißrichtung bei gleicher Last in Schweißrichtung die Lebensdauer erhöhen. Die durchgeführten Versuche ergaben weiterhin, dass der Steifigkeitssprung am Übergang zwischen unverschweißten Material und „nugget” in Verbindung mit Reibermüdungseffekten am Schweißnahtanfang bzw. Ende, sowie Überalterungseffekte am Nahtanfang das Verhalten der Proben, unter biaxialer zyklischer Belastung bestimmen.