Theoretische und experimentelle Analyse des Bauteilverhaltens rührreibgeschweißter Überlappverbindungen

Abstract

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.

The planned application of friction stir welding in automotive engineering as a part of the realisation of light weight design measures in conjunction with the use of aluminum structures requires an intense discussion of the Friction Stir Welding process ability with respect to the joint quality. The application in the aeronautics industry has proven the ability of Friction Stir Welding to produce high strength joints. However, the boundary conditions in automotive industry have to be considered. The production and sales volume as well as the diversity of joint designs differ strongly from the conventional fields of applications of Friction Stir Welding. The use of the lap joint geometry becomes necessary in such applications as production of tailored blanks of high sheet thickness difference, dissimilar lap joints as well as in sealing of tanks and housings. The investigated lap joints are, due to their sheet thicknesses and the choice of alloys (EN AW-5454 O, EN AW-6016 T4), typically used in car body construction. The assessment of the joint properties of lap joints is usually done by the application of the nominal stress concept with additional determination of the notch influence. Caused by this approach, mechanisms, which lead to the shortening or extension of the joint lifetime, can hardly be identified. The material and residual stress related influences on friction stir welded lap joints haven’t been investigated sufficiently so far. To ensure a comprehensive characterization of lap joints, parameter studies including similar and dissimilar joint configurations were performed. Based on quasi-static performance, chosen joints were tested regarding their cyclic joint properties. Supportive metallographic analysis, thermodynamic calculations of the precipitation conditions and thermographic imaging were used to assess microstructure and precipitation dissolution as well as weld defects. The development and application of a simplified calculation method used to determine the maximum structural stresses in single lap joints was focused during further investigations. By taking into account all acting bending stresses which are superimposed by nominal tensile stress, a direct comparison of strength properties to butt joints and the base material is made possible. To determine the residual welding stresses, a computational model was developed which allows to capture the shrinking residual stresses in a specimen and to evaluate the possible influence on the joint properties. The suggested analytic approach in this thesis allows a simplified, realistic assessment of the cyclic joint behavior of friction stir welded single lap joints with small to mid-sized weldment widths. It is also shown, that the flow characteristics in the weldment affect the shape and size of oxide particles and therefore has direct influence on the joint behavior.