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Ausgewählte Ausgabe: 09-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Effiziente Eigenspannungsanalyse reibrührgeschweißter Raumfahrt-Komponenten

Efficient Residual Stress Analysis of Friction Stir Welded Components for Space Applications


Inhalt: Reibrührschweißen wird zunehmend im Flugzeugbau und der Raumfahrt als Fügemethode für hochfeste Aluminiumlegierungen genutzt. Die dabei entstehenden Eigenspannungen können sich ungünstig auf das Betriebsverhalten auswirken und müssen in der Auslegung der Bauteile berücksichtigt werden. Für Eigenspannungsanalysen werden verständlicherweise keine kompletten Bauteile herangezogen, sondern bevorzugt Probekörper aus größeren, bauteilnahen Komponenten. Die Frage ist, ob der Eigenspannungszustand in diesen Komponenten und Probekörpern demjenigen im tatsächlichen Bauteil nahe kommt oder zumindest eine konservative Bewertung des Eigenspannungseinflusses ermöglicht.
Abstract: Friction stir welding (FSW) is increasingly used joining of high-strength aluminum components. Residual stresses resulting from FSW may reduce performance of components and have to be taken into account in design. In most cases, for the experimental determination of residual stresses parts cut from components are used. The question is, whether the residual stress state of the part and the component is comparable or, at least, allows for a conservative assessment of the influence of residual stresses.

1 Einleitung

Beim Reibrührschweißen taucht ein rotierender Pin unter hoher axialer Kraft in die zu verbindenden Komponenten ein. Dabei wird das umliegende Material durch Reibung erwärmt und zähplastisch verformt. Mit fortschreitendem lateralem Vorschub wird so Material der Fügepartner durch einen der Extrusion ähnlichen Prozess vermengt und eine Naht erzeugt. Das Reibrührschweißen (engl. friction stir welding, FSW) findet zunehmend Beachtung im Flugzeugbau und der Raumfahrt als Fügemethode für hochfeste Aluminiumlegierungen. Einen Überblick zum Stand dieser Technik bietet beispielsweise [1].

Bild 1 Reibrührschweißen von Aluminium.  (Bild: MT Aerospace)

Bild 1
Reibrührschweißen von Aluminium.
(Bild: MT Aerospace)


Obwohl die während des Reibrührschweißens entstehenden Temperaturen wesentlich geringer sind als beim Schmelzbadschweißen, entstehen thermisch und verformungsbedingte Eigenspannungen und können sich ungünstig auf das Betriebsverhalten auswirken. Eigenspannungen werden jedoch beim Reibrührschweißen oft als weniger relevant für das Betriebsverhalten eingeschätzt, da im Allgemeinen wenig thermisch bedingter Ver-zug beobachtet wird. Experimentelle Eigenspannungsermittlungen wurden mit verschiedenen Verfahren durch-geführt. Messungen mit Synchrotron- und Neutronenstrahlung an Bauteilen ergaben ungünstige Zugeigenspannungen in der Wärmeeinflusszone und Druckeigenspannungen im Zentrum der Naht [1]. Generell wird berichtet, dass Eigenspannungen quer zur Schweißrichtung deutlich geringer sind als in Schweißrichtung.
Eigenspannungsermittlungen können jedoch meist nicht an vollständigen Bauteilen durchgeführt werden. Zur Beurteilung der Übertragbarkeit von Eigenspannungsermittlungen an Proben auf reale Bauteile ist es wichtig, den Einfluss der Probengröße auf die sich einstellenden Eigenspannungsverteilungen bzw. mögliche Veränderungen des Eigenspannungszustandes durch Entnahme von Proben aus Bauteilen zu kennen.
Bild 2 Makro-Querschliff durch eine FSW-Naht eines 8 mm dicken Ringes aus der Legierung AA 2219 mit durch unterschiedliche thermo-mechanische Vorgänge beeinflusste Bereiche A – D. Zone A repräsentiert den Kern der Schweißnaht (Schweißgut), der durch dynamische Kristallisation geprägt ist. In der Zone B führt die thermomechanische Beanspruchung zu signifikanten Korndeformationen. Zone C ist die Wärmeeinflusszone, der Bereich D zeigt das unbeeinflusste Grundgefüge.

Bild 2
Makro-Querschliff durch eine FSW-Naht eines 8 mm dicken Ringes aus der Legierung AA 2219 mit durch unterschiedliche thermo-mechanische Vorgänge beeinflusste Bereiche A – D. Zone A repräsentiert den Kern der Schweißnaht (Schweißgut), der durch dynamische Kristallisation geprägt ist. In der Zone B führt die thermomechanische Beanspruchung zu signifikanten Korndeformationen. Zone C ist die Wärmeeinflusszone, der Bereich D zeigt das unbeeinflusste Grundgefüge.


Untersuchungen zum Einfluss der aus größeren Bauteilen entnommenen Probengröße auf den Eigenspannungszustand wurden an Stumpfnähten von dünnen (3 mm, [2] – [4]) und dickeren (25 mm, [5]) Blechen durchgeführt. Daraus wurde für dünne Bleche abgeleitet, dass die Schweißnahtlänge in dünnen Blechen mindestens das 8- bis 12-fache des Durchmessers des Pins des Reibrührwerkzeugs sein sollte, um von der Blechgröße unabhängige Ergebnisse zu erhalten. Für dicke Bleche wurde aus numerischen Analysen abgeleitet, dass die Blechlänge mindestens das 8-fache der Blechdicke betragen sollte.

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Autoren

Dr.-Ing. Wulf Pfeiffer

Geschäftsfeldleiter Werkstoffbewertung, Lebensdauerkonzepte

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
IWM, Wöhlerstraße 11, D-79108 Freiburg
Tel.: 07 61/51 42–166
E-Mail: wulf.pfeiffer@iwm.fraunhofer.de

 Eduard Reisacher

Gruppe Mikrostruktur, Eigenspannungen
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
IWM, Wöhlerstraße 11, D-79108 Freiburg
Tel.: 07 61/51 42–166

 Michael Windisch

Senior Expert Materials & Processes
MT Aerospace AG
Franz-Josef-Strauß-Straße 5, D-86153 Augsburg
Tel.: 0821/5 05–26 24
E-Mail: michael.windisch@mt-aerospace.de

Dr. Markus Kahnert

MT Aerospace AG
Franz-Josef-Strauß-Straße 5, D-86153 Augsburg
Tel.: 0821/5 05–26 24

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