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Ermüdungsrissverhalten von Tailored Welded Blanks unter Berücksichtigung der Eigenspannungen und der Geometrie eines Dickenübergangs
2018
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018
Genehmigende Fakultät
Fak05
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-27
Einrichtungen
- Lehrstuhl für Werkstoffchemie (521110)
- Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
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.Scope of past and current research and development in aviation is the reduction of the aircraft’s weight in order to reduce fuel consumption as well as to raise payload and range. A potential joining technology to replace the riveting (state of the art) of fuselage parts is friction stir welding (FSW), because riveting is expensive and raises the aircraft’s weight. FSW enables to weld high strength aluminium alloys that are used in aircraft manufacturing without drastic loss of mechanical properties. Furthermore, it is possible to produce load optimized structures by joining sheets with different thickness (Tailored Welded Blanks, TWB). In the present work, an Al-Mg-Sc alloy was investigated. Al-Mg-Sc alloys offer good corrosion and damage tolerance properties and can be processed by creep forming, which allows to produce double curvature parts.The process of FSW introduces macroscopic residual stresses, which influences the fatigue crack growth behavior significantly. Additionally, the crack arresting capability of riveted structures does not apply to welded structures due to the material’s bond. The fatigue crack growth behavior is essential for the engineering design approach of damage tolerance. Thus, the aim of the present work is to investigate and quantify the crack growth behavior of FSWed structures of the Al-Mg-Sc alloy AA5028-H116.To achieve this aim, experimental and evaluation procedures were advanced. With the help of finite element simulation with fracture mechanics analysis and 3D digital image correlation experimental dependent geometry functions were determined in order to provide stress intensity factors for the cyclic fatigue crack growth experiments on welded specimens. By this means, crack growth curves for rather large specimens could be determined with high accuracy. In order to be able to investigate residual stresses and their influence on the crack growth, the cut-compliance-method was applied. Finite element simulations were used to cover the geometrical influence of the thickness transition for the determination of the residual stresses by means of the cut-compliance-method. Crack growth behavior and residual stresses were determined for specimens with and without thickness transition with the crack growing perpendicular to the weld as well as growing along the weld.Macroscopic residual stresses and their influence on the crack growth were determined for the residual stress affected specimens. Thereby, residual stress affected crack growth curves could be corrected and thus attributed to the base material’s crack growth behavior. For this reason, a correction for the mean stress regarding the cyclic stress intensity factor was specified. It became apparent that the changes in crack growth rate were affected prevailingly by the residual stress. Major effects due to the microstructural changes inside the weld were not observed. The crack growth behavior of the highly distorted specimens with thickness transition could not be explained by solely considering the residual stress. Thus, further investigations of the crack mouth opening displacement were included.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT019934117
Interne Identnummern
RWTH-2019-01904
Datensatz-ID: 755550
Beteiligte Länder
Germany
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