Dissertation, von Jörg Stötzel. Untersucht wurde die Ermüdungsfestigkeit einer einseitigen stumpfgeschweißten Aluminiumverbindung mit temporärer Badsicherung unter verschiedenen Kriterien.

Einleitung

Im Eurocode 9 "Konstruktion und Berechnung von Aluminiumkonstruktion" ist der Ermüdungsnachweis nach dem Nennspannungskonzept für einige Bauteile geregelt. Für einseitig stumpfgeschweißte Aluminiumverbindung mit temporärer Badsicherung, welche im Brückengerätebau häufiger anzutreffen sind, werden jedoch nicht ausreichend abgedeckt. In dieser Arbeit wird die zyklische Festigkeit der Aluminiumlegierungen ALZn4,5Mg1 in den Güten F35 und F41 und AlMgSi0,5 in der Güte F22 mit dem Nennspannungs-, dem Kerbspannungs-, und dem Bruchmechanikkonzept verifiziert.
Ziel ist die Gewährleistung der Betriebsfestigkeit von einseitigen stumpfgeschweißten Verbindung mit temporärer Badsicherung.

I. Aluminium

Aluminium kommt in der Natur nicht als reines Metall vor, sondern gemischt mit anderen Elementen. Die Gewinnung vom Metall erfolgt durch Prozessen wie den Bayer-Prozess, leider unter höhen Material- und Fertigungskosten. Der Werkstoff hat viele Eigenschaften, unter anderem:

• geringe spezifische Dichte ρ von 2,6 bis 2,8 g/cm³
• gute Umformeigenschaften
• gut schweißbar
• nahezu nicht brennbar und magnetisch neutral.

Durch Zugabe von Legierungselementen wie Kupfer (Cu), Silizium (Si), Magnesium (Mg), Mangan (Mn) und Zink (Zn) verbessern sich die Festigkeit, die Dualität, die Zähigkeit und das Korrosionsverhalten. Die Bandbreite der wichtigsten physikalischen Materialeigenschaften wird mit der Legierung beeinflusst:

• Elektrizitätsmodul E 60.000 bis 78.000 N/mm² • Wärmeausdehnungskoeffizient α 22,8 bis 24,2 · 10 -6 K • Schmelzpunkt 480 bis 660 C° • Wärmeleitfähigkeit λ 110 bis 232 W/m K) • Querkonzentrationszahl ѵ 0,32 bis 0,40 • Schubmodul G 22.000 bis 28.000 N/mm².

Diese Abhandlung erforscht die Ermüdungsfestigkeit der Legierungen AlZn4,5Mg1 (EN AW-7020) und AlMgSi0,5 (EN AW-6060) unter verschiedenen Einflussfaktoren. Für die Untersuchungen sind Grundkenntnisse notwendig: die zugehörigen Schweißzusatzstoffe und die Mechanismen der Festigkeitssteigerungen.

II. Probekörper und Materialkennwerte

Die Versuche wurden mit drei Probenkörper durchgeführt, die sich in der Geometrie (t=5mm zum Beispiel) und in dem Abarbeitungsgrad unterscheiden: • Einseitige Stumpfschweißnaht beidseitig nicht abgearbeitet
• Einseitige Stumpfschweißnaht auf der Wurzelseite abgearbeitet
• Einseitige Stumpfschweißnaht beidseitig abgearbeitet
Über insgesamt 800 Testläufe wurden die Proben auf statischer und zyklischer Festigkeit hinsichtlich des Schweißzusatzes, des Spannungsverhältnisses, des Auslagerungszustands und des Abarbeitungsgrades evaluiert.
Die Analyse der Versuchsergebnisse von der statischen Festigkeit wurden mit der Bauteilfestigkeit üblichen Logarithmus-Verteilung gemacht.

III. Konzepte der Betriebsfestigkeitsberechnung

Verformung- und Versagungszustände werden als Materialermüdung bezeichnen. Sie entstehen als Folge von fortgeschrittener Mikrorissbildung bei einer Wechselbeanspruchung unterhalb der statischen Grenze. Für die Durchführung von einem Lebensdauer- oder Ermüdungsfestigkeitsnachweis ist die Ermittlung einer Funktion der Beanspruchbarkeit, welche die Betriebsfestigkeit ausdrückt, notwendig. Folgende Konzepte sind theoretisch einsetzbar:

• Experimentelle Untersuchungen
• Nennspannungskonzept
• Strukturspannungskonzept
• Konzept der örtlich elastischen Beanspruchung (Kerbspannungskonzept)
• Konzept der örtlichen Beanspruchung (Kerbgrund- bzw. Kerbdehnungskonzept)
• Rissfortschritts- bzw. Bruchmechanikkonzept

In den weiteren Abschnitten werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt und nur mit dem Nennspannungskonzept, dem Kerbspannungskonzept und dem Bruchmechanikkonzept ausgewertet. Experimentelle Untersuchungen werden in Zeit, Dauer- und Betriebsfestigkeitsversuchen unterteilt. Für die Zeitfestigkeitsversuche werden verschiedenen Spannungsniveaus angewendet. Die Festsetzung der Dauerfestigkeit wird mit dem Abgrenzungsverfahren nach Maening, dem Probit- Verfahren nach Finney, dem arcsin-Verfahren nach Fisher oder dem Treppenstufenverfahren in der verbesserten Form nach Hück gemacht. Die Abgrenzung zwischen Betriebsfestigkeitsversuchen und Zeitfestigkeits- und Dauerfestigkeitsversuchen liegt bei der Art der Beanspruchung. Die Wöhlerlinienneigung der Versuchsreihe mit verschiedenen Abarbeitungsgraden wurden mit den vorgegebenen Neigungen des Eurocode 9 verglichen. Daraus resultierte, dass die variable Neigung aus der linearen Regressionsanalyse für die nna und wsa-Versuche und die des Eurocode gut zusammenfallen. Bei dem Abarbeitungsgrad nba kann keine Aussage gemacht werden. Kerben verursachen lokalen Spannungserhöhungen bei einem Bauteil. Die Ermüdungsfestigkeit ist von den Kerben abhängig; sie ist bei gekerbtem Bauteil niedriger als bei ungekerbtem. Es existiert drei Arten von Kerben: Formkerben, Werkstoffkerben und Belastungskerben.

Zusammenfassung

Das Ziel der Arbeit ist die Gewährleistung der Betriebsfestigkeit von einseitig stumpfgeschweißten Verbindungen mit temporärer Badsicherung. Dafür werden die zyklischen Festigkeiten von den Aluminiumlegierungen AlZn4,5Mg1 in den Güten F35 und F41 und AlMgSi0,5 in der Güte F22 geprüft, jeweils nach dem Nennspannungskonzept, dem Kerbspannungskonzept und dem Bruchmechanikkonzept. Die Tests werden nur mit Blechen von 5mm Dicke gemacht. Weiterhin sind die Bauteil- und Materialwöhlerlinien nur eigenspannungsbehaftete Bauteile (f(R) = 1,0) und für eigenspannungsfreie Bauteile für R = 1 (f(R) = 1,16) gültig. Drei neuen Kerbdetails, die im Eurocode 9 nicht deutlich zu erkennen sind, wurden Mithilfe des Nennspannungskonzeptes aus der Auswertung der Wöhlerversuche eingeleitet. Diese Resultate gelten für Blechdicke zwischen 5mm und 15mm. Die Ermittlung der Zugfestigkeit mit dem Rissfortschrittskonzept hat ergeben, dass bei den Festigkeiten F35 und F41 sehr guten Übereinstimmungen mit den Material- und Bauteilwöhlerlinien vorliegen, während bei der Festigkeit F22 größeren Abweichungen auftreten. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind eine gute Unterstützung bei der Entwicklung und Berechnung mobiler Brückengeräten.

Link zum Shop

Amazon

Shaker Verlag