Bewertung des Potentials von einseitigen Kehlnähten mit erhöhtem a-Maß

Abstract

In verschiedenen Bereichen der Schienenfahrzeugindustrie und im Besonderen in der Fertigung eines Wagenkastens wird das Schweißen als primäre Fügetechnik eingesetzt. Somit besteht ein typischer Wagenkasten aus einer Vielzahl verschweißter Bleche und Profile, die meistens aus Stahl oder Aluminiumlegierungen produziert werden. Dabei kommen je nach Zweck und Art der Verbindung der einzelnen Profile oder Baugruppen verschiedene Arten von Schweißnähten zustande. Das Schweißen gehört aber auch zu den Verfahren, die aufgrund verschiedenartiger Ausführungen und Einflüsse wie z.B. Schweißparameter oder Gravitationsrichtung eine sehr aufwendige Festigkeitsbewertung erfordert und dadurch die Schweißnähte relativ stark in ihren Nahtformen abweichen können. Für die Berechnung der Ermüdungsfestigkeit ist die Charakterisierung der zu realisierenden Schweißnähte von besonderer Bedeutung, weil die Kosten- und Gewichtsreduktion direkt mit den Ergebnissen der Berechnung zusammenhängen. Realitätsnahe Festigkeitsergebnisse sind bei manchen Schweißnahtformen sehr herausfordernd zu ermitteln und verlangen beim Vorhandensein von markanten Abweichungen von idealisierter Form* meistens zusätzliche experimentelle Untersuchungen als Nachweis. Die einseitige Kehlnaht, bei dünnen Blechen bis einer Blechdicke von 5 mm, gehört zu den am häufigsten vorkommenden Schweißnähten, die bei Überlappstößen zu Abweichungen zwischen den normativen bzw. empirisch ermittelten Festigkeitswerten tendiert. Der vermutete Grund für diese Festigkeitsabweichungen liegt genau darin, dass unterschiedliche Schweißverfahren zu verschiedenartigen Kehlnahtformen führen. Laut aktuellen Normen und Richtlinien wird aber für alle darin geltenden Schweißverfahren die Ermüdungsfestigkeit nach dem gleichen Berechnungsschema ermittelt, obwohl einzelne Schweißverfahren zu völlig unterschiedlichen Kehlnahtformen führen. Mit dem Ziel mehr Kenntnis über die Festigkeit der einseitigen Kehlnaht bei Überlappstößen zu gewinnen, wurde diese Schweißnahtform im Rahmen dieser Diplomarbeit mit Hilfe von Dauerschwingversuchen und Computersimulationen mit Nenn- und Kerbspannungsbetrachtung gründlich untersucht. Dabei ging es unter anderem um den Einfluss der asymmetrischen Form der Naht bei dünnen Blechen, charakterisiert durch das erhöhte a-Maß (siehe Abbildung 1 1). Im experimentellen Teil der Arbeit wurden vier verschiedene Überlappstöße mit zwei üblichen Schweißverfahren, MAG- und WIG-Schweißen, geschweißt und in weiterer Folge auf Ermüdungsfestigkeit mit Hilfe von Schwingversuchen getestet. Die getesteten Überlappproben wurden mit aktueller Simulations-Software nachmodelliert, gerechnet und mit Versuchsergebnissen verglichen. Zusätzlich wurde eine Analyse der gerissenen, geschwungenen Bauteilproben durchgeführt, um die Schweißnahtqualität und die Risslage eindeutig zu beurteilen. Alle getesteten Proben haben die vorausgelegte Ermüdungsfestigkeit nach der aktuellen Berechnungsmethode laut Richtlinie DVS 1612* unter Berücksichtigung von idealisiertem a-Maß* sowie nach derselben Berechnungsmethode unter Berücksichtigung von real vorkommendem (erhöhtem) a-Maß eingehalten bzw. deutlich übertroffen. Dabei wurde bestätigt, dass die Berechnungsmethode mit erhöhtem a-Maß eine stets präzisere Festigkeitsvorauslegung liefert als die bestehende Methode mit dem idealisierten a-Maß. Außerdem konnte man deutlich sehen, dass die Kerbspannungsmethode eine ziemlich präzise Ermüdungsvorauslegung im Vergleich zur häufig angewendeten Schalenmodellberechnung liefert, die deutlich konservativere Ergebnisse zeigte.Weiters führten die Versuchsergebnisse zu den Erkenntnissen, die einen eindeutigen Unterschied in der Ermüdungsfestigkeit zwischen den zwei Kehlnahtformen (WIG- und MAG-geschweißt) aufweisen, was durch die Simulationen teilweise bestätigt werden konnte. Bei beiden Schweißverfahren hielten die gestützten* gegenüber den ungestützten Proben deutlich höhere Lastniveaus aus.Eine weitere interessante Erkenntnis aus den Versuchen ist, dass alle WIG-geschweißten Proben einen Riss an der Nahtwurzel aufwiesen, während alle MAG-geschweißten Proben am Nahtübergang rissen. Dieser Festigkeitsunterschied und die unterschiedliche Risslage der beiden unterschiedlich geschweißten Probenformen sind auf die Unterschiede in der asymmetrischen Nahtform bzw. in der unterschiedlichen Steigung des Nahtübergangswinkels zurückzuführen.

Welding is used as the primary joining technique in various areas of the rail vehicle industry, especially in the production of a car body. A typical car body of a rail vehicle consists of many profiles and sheets which are welded together and mostly made of steel and aluminum alloys. Depending on the purpose and type of connection of the individual profiles or assemblies, different types of weld seams can be distinguished. Unfortunately, welding is also one of the joining techniques that requires very complex strength assessment. It can deviate significantly in the weld seam form due to various welding techniques and influences such as welding parameters or direction of gravity.The characterization of these weld seams is of main importance for the calculation of the fatigue strength because most material savings are directly related to the results of the calculation. Therefore, realistic strength results are sometimes very challenging to determine and usually require additional experimental investigations if there are significant deviations in the weld geometry from the idealized one* .The one-sided fillet weld at overlapping joints is one of the most common welds which empirically tends to show deviations in strength values. The reason for these strength deviations are exactly those different welding processes, which can lead to various fillet weld shapes. According to common calculation standards the fatigue strength is determined using the same calculation procedure without distinguishing individual welding processes.By aiming to gain more knowledge about the strength of the one-sided fillet weld at overlapping joints, the fillet weld was thoroughly exanimated within the scope of this diploma thesis using fatigue tests and computer simulations with nominal and notch stress consideration. The focus was primarily on the influence of the asymmetrical shape of the weld seam, characterized by the increased value of a-parameter (see Abbildung 1 1). In the practical part of this thesis, four different lap joints were welded using two common welding processes MAG and TIG welding and subsequently tested using fatigue cycle tests. The lap joints were modeled using latest FEA methods and compared with fatigue test results. In addition, an analysis of the used tested samples was carried out to assess the weld quality and position of the crack. All tested specimens complied with the anticipated fatigue strength calculation based on current calculation methods according to guideline DVS 1612* using the idealized a-parameter* as also the same calculation method but using the real (increased) a-parameter. It was confirmed that the calculation method with increased a-parameter delivers a more precise calculation results then the current used method using the idealized a-parameter. The notch stress method provides clearly more accurate fatigue calculations compared to the shell model calculation, which shows more conservative results.Experimental results also led to the new knowledge showing the clear difference in fatigue strength between the two fillet weld shapes (MAG and TIG welded), which are partly confirmed by the simulations. For both welding processes, the supported* specimens withstood significantly higher load levels then the unsupported ones. An interesting finding from the fatigue tests shows that alle of TIG welded specimens cracked at notch root, while all MAG welded specimens cracked at weld toe. The difference in strength and in the crack initial position between these two welding techniques can be attributed to the difference in the asymmetric shape of the weld seams or more precisely to the different slope of flank angle of the seam.