SB_16.870NLP

2014
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Qualifizierung mechanischer
Randschichtverfestigungsverfahren
zur Schwingfestigkeitsverbesserung
geschweißter Aluminiumbauteile

Qualifizierung mechanischer
Randschichtverfestigungsverfahren
zur
Schwingfestigkeitsverbesserung
geschweißter
Aluminiumbauteile
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 16.870 N
DVS-Nr.: 09.054
Technische Universität Braunschweig,
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 16.870N / DVS-Nr.: 09.054 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2014 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 243
Bestell-Nr.: 170353
ISBN: 978-3-96870-243-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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TU Braunschweig
AiF-Nr. 16870 N - Nachbehandlung von Aluminiumschweißnähten II
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung des Projektverlaufs ................................................................ I
1. Einleitung ............................................................................................................. 1
2. Stand der Forschung und Technik ...................................................................... 3
2.1. Nachbehandlungsmethoden zur Schwingfestigkeitsverbesserung ................ 3
2.2. Anwendung und Wirkungsweise ................................................................... 4
2.3. Anwendung von Nachbehandlungsverfahren bei Aluminiumwerkstoffen ...... 6
2.4. Grundsätzliche Überlegungen zur Wirksamkeit von
Nachbehandlungsverfahren .................................................................................... 8
3. Versuchsprogramm und Versuchsdurchführung ............................................... 12
3.1. Werkstoff und Probenformen ....................................................................... 12
3.2. Schweißung und Probenherstellung ............................................................ 12
3.3. Röntgenographische Eigenspannungsbestimmung .................................... 15
3.4. Richten der Detailproben ............................................................................. 19
3.5. Metallographische Untersuchung und Härtemessungen ............................. 20
3.6. Mechanische Nachbehandlungsverfahren .................................................. 20
3.6.1. Hochfrequente Hämmerverfahren ......................................................... 20
3.6.2. Strahlbehandlung .................................................................................. 23
3.7. Bauteilversuche zur Bestimmung der Biegehöhe ........................................ 24
3.8. Schwingfestigkeitsuntersuchungen ............................................................. 26
4. Ergebnisse ........................................................................................................ 28
4.1. Stumpfstoß, DV-Naht 6 mm ........................................................................ 28
4.1.1. Nahtgeometriebestimmung ................................................................... 28
4.1.2. Metallographische Untersuchungen und Härtemessungen .................. 28
4.1.3. Eigenspannungsbestimmung ................................................................ 30
Schweißzustand ................................................................................................ 31
Einfachkugelstrahlen ......................................................................................... 31
Doppelkugelstrahlen .......................................................................................... 32
Reinigungsstrahlen, industriell ........................................................................... 33
Reinigungsstrahlen unter Laborbedingung ........................................................ 34
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 34
Pit-Nachbehandlung .......................................................................................... 37
4.1.4. Eigenspannungsstabilität unter Zug- bzw. Druckbeanspruchung .... 41
4.1.5. Schwingfestigkeitsuntersuchungen ....................................................... 42
Schweißzustand ................................................................................................ 42
4.2. Stumpfstoß, DV-Naht, 10 mm ..................................................................... 49

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AiF-Nr. 16870 N - Nachbehandlung von Aluminiumschweißnähten III
4.2.1. Nahtgeometriebestimmung ................................................................... 49
4.2.2. Metallographische Untersuchungen und Härtebestimmung ................. 49
4.2.3. Eigenspannungsbestimmung ................................................................ 51
Schweißzustand ................................................................................................ 51
Kugelstrahlen .................................................................................................... 51
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 52
Pit-Nachbehandlung .......................................................................................... 53
4.2.4. Schwingfestigkeitsuntersuchung ........................................................... 54
Schweißzustand ................................................................................................ 54
Kugelstrahlen .................................................................................................... 54
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 55
4.3. Quersteife 6 mm, MIG-Kehlnaht, beidseitig ................................................. 57
4.3.1. Nahtgeometriebestimmung ................................................................... 57
4.3.2. Metallographische Untersuchungen und Härtemessungen .................. 57
Schweißzustand ................................................................................................ 59
Kugelstrahlen .................................................................................................... 60
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 61
Pit-Nachbehandlung .......................................................................................... 61
4.3.3. Schwingfestigkeitsuntersuchung ........................................................... 63
Schweißzustand ................................................................................................ 63
Kugelstrahlen .................................................................................................... 63
4.4. Überlappstoß MIG-beidseitig, 6mm ............................................................. 66
4.4.1. Nahtgeometriebestimmung ................................................................... 66
4.4.2. Metallographie und Härtebestimmung .................................................. 66
4.4.3. Eigenspannungsbestimmung ................................................................ 67
Schweißzustand ................................................................................................ 68
Kugelstrahlen .................................................................................................... 68
HiFIT- und Pit-Nachbehandlung ........................................................................ 69
4.4.4. Schwingfestigkeitsuntersuchung ........................................................... 70
Schweißzustand ................................................................................................ 70
Kugelstrahlen .................................................................................................... 71
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 72
Pit-Nachbehandlung .......................................................................................... 72
4.5. Überlappstoß, einseitig 3mm ....................................................................... 74
4.5.1. Nahtgeometriebestimmung ................................................................... 74
4.5.2. Metallographie und Härtebestimmung .................................................. 74
4.5.3. Eigenspannungsbestimmung ................................................................ 76

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AiF-Nr. 16870 N - Nachbehandlung von Aluminiumschweißnähten IV
Schweißzustand ................................................................................................ 76
Kugelstrahlen .................................................................................................... 76
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 77
4.6. Schwingfestigkeitsuntersuchung ................................................................. 79
4.7. Bauteilproben, einseitige MIG-V-Naht, 6mm ............................................... 81
4.7.1. Nahtgeometriebestimmung ................................................................... 81
4.7.2. Metallographie und Härtemessungen ................................................... 81
4.7.3. Eigenspannungsbestimmung ................................................................ 83
Schweißzustand ................................................................................................ 83
Reinigungsstrahlen ............................................................................................ 83
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 84
4.7.4. Dehnungsmessungen zur Biegehöhenbestimmung .............................. 85
4.7.5. Schwingfestigkeitsuntersuchungen ....................................................... 88
Schweißzustand ................................................................................................ 88
Reinigungsstrahlen ............................................................................................ 89
HiFIT-Nachbehandlung ..................................................................................... 90
5. Bewertung und Zusammenfassung ................................................................... 91
5.1. Stumpfstoß, DV-Naht 6 mm ........................................................................ 91
Eigenspannungsstabilität bei zyklischen Beanspruchungen ............................. 98
5.2. Stumpfstoß, DV-Naht, 10 mm ................................................................... 100
5.3. Quersteife 6 mm, MIG-Kehlnaht, beidseitig ............................................... 102
5.4. Überlappstoß beidseitig (6 mm) und einseitig (3 mm) ............................... 103
5.5. Bauteilproben, einseitige MIG-V-Naht, 6 mm ............................................ 104
6. Fazit ................................................................................................................. 107
7. Ergebnistransfer .............................................................................................. 109
8. Bedeutung für die Praxis ................................................................................. 110
9. Literaturverzeichnis ......................................................................................... 112
10. Anhang ......................................................................................................... 117

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AiF-Nr. 16870 N - Nachbehandlung von Aluminiumschweißnähten 1
1. Einleitung
Bekanntlich fällt die Schwingfestigkeit geschweißter Aluminiumwerkstoffe im Vergleich
zum Grundwerkstoff mitunter erheblich ab, wenn die Verbindungen im geschweißten
Zustand, also ohne weitere Bearbeitung der Schweißnaht, eingesetzt
werden. Die Ursache hierfür ist in der Kerbwirkung zu sehen, die mit der Herstellung
der Schweißnaht einhergeht. Werden innere Fehlstellen durch erhöhten Fertigungsaufwand
und verbesserte Fertigungsqualität vermieden, so bleibt als bruchauslösende
Fehlstelle der Nahtübergang zwischen ungestörtem Grundwerkstoff und dem
Schweißgut übrig. Hier entstehen bei der Beanspruchung Spannungskonzentrationen,
die dafür verantwortlich sind, dass die ertragbare Nennspannung der Verbindung
deutlich unter der des ungestörten Grundwerkstoffes liegen wird.
Mit zunehmender Zugfestigkeit reagieren metallische Konstruktionswerkstoffe bei
Schwingbeanspruchung immer stärker auf das Vorhandensein von Kerben. Dies hat
zu der zunächst von Stählen her bekannten Erkenntnis geführt, dass die ertragbare
Spannungsamplitude bei unveränderter Herstellungsweise einer Schweißverbindung
nicht zu steigern ist, indem an Stelle eines anspruchslosen billigen Werkstoffs ein
hochwertiger Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit verwendet wird. Diese Erkenntnis gilt
so zunächst für eine rein wechselnde Beanspruchung. Bei zusätzlichen Mittelspannungen
verbleiben aufgrund der höheren, ertragbaren Oberspannungen bei höherfesten
Werkstoffen noch gewisse Vorteile. Die für die Beurteilung der Schwingfestigkeitseigenschaften
maßgeblichen Unterschiede in der ertragbaren Spannungsamplitude
bestehen allerdings auch dann noch. Für Aluminiumwerkstoffe sind die
beschriebenen Zusammenhänge aufgrund deren sehr hohen Kerbempfindlichkeit
noch viel mehr von Bedeutung.
In den letzten 10 – 15 Jahren wurden die sogenannten hochfrequenten Hämmerverfahren
immer interessanter für die Verbesserung der Schwingfestigkeit von Fügeverbindungen.
Die Verfahren werden angewandt, um klar definierte plastische Verformungen
an den Nahtübergängen herzustellen, so dass vorteilhafte Druckeigenspannungen
in Kombination mit lokaler durch Kaltformung verursachter Aufhärtung und
möglicherweise auch einer geometrischen Verbesserung des Nahtübergangsprofils
geschaffen wird. Die Verfahren sind den klassischen Hämmerverfahren sehr ähnlich,
wie sie schon in verbesserter Design vorgesehen sind, wie z. B. den IIW-
Empfehlungen für die Verbesserung der Schwingfestigkeit. Der Hauptunterschied der
neuen Techniken, die „HiFIT“ (high frequency impact treatment), „Pit“ (pneumatic
impact treatment), „UIT“ (ultrasonic impact treatment) oder „UP“ (ultrasonic peening)
genannt werden, zu den älteren Techniken liegt im Design der Werkzeuge und der
Anregung, die mittels Luftdruck oder Ultraschalltechnik ausgeführt wird. Das führt zu
relativ hohen Hämmerfrequenzen, was relativ hohe Verformungsintensitäten ermöglicht.
Da das Hauptinteresse in den meisten Fällen auf dem Betrag und der Eindringtiefe
der erzeugten Druckeigenspannungen liegt, befassen sich viele Arbeiten mit
den Nachbehandlungsverfahren, um die beste Anwendungsmethode zur Optimierung
der Eigenspannungszustände von geschweißten Stählen zu finden. Dennoch
beinhalten Aluminiumschweißungen auch ein hohes Potenzial für die Verbesserung
der Schwingfestigkeit. Das rührt daher, dass die FAT-Klassen von Aluminiumschweißungen,
die in den IIW-Empfehlungen zu finden sind, konservativ so niedrig
eingestuft worden sind, dass Aluminiumlegierungen normalerweise nicht wirtschaft-

TU Braunschweig
AiF-Nr. 16870 N - Nachbehandlung von Aluminiumschweißnähten 2
lich verwendet werden können, um Stähle in ermüdungsbelasteten geschweißten
Konstruktionen zu ersetzen. Andererseits haben verschiedene Untersuchungen offensichtlich
gezeigt, dass die Schwingfestigkeit von Aluminiumlegierungen durch mechanische
Oberflächenbehandlungen wesentlich verbessert werden kann.

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AiF-Nr. 16870 N - Nachbehandlung von Aluminiumschweißnähten 3
2. Stand der Forschung und Technik
2.1. Nachbehandlungsmethoden zur Schwingfestigkeitsverbesserung
Aufgrund der einleitend beschriebenen Umstände sind in der Vergangenheit die unterschiedlichsten
Maßnahmen entwickelt und erprobt worden, um entweder durch
Optimierung der Schweißprozesse oder aber durch eine nachträgliche, einfache Bearbeitung
deren Schwingfestigkeit zu steigern. Insbesondere zur Wirkungsweise verschiedener
Methoden bei schwingbeanspruchten Stahlschweißverbindungen existiert
ein relativ breiter Kenntnisstand (z.B. [Müs82], [Müs83], [Hee86], [Haa87], [Hob92],
[Son04]).Bild 1 gibt einen Überblick über Methoden, die bisher mehr oder weniger
erfolgreich zu diesem Zwecke eingesetzt wurden und werden.
Zu den thermischen Verfahren sind einerseits Maßnahmen zu zählen, die auf eine
Schwingfestigkeitsverbesserung durch die Verringerung ungünstiger Zugeigenspannungen
abzielen. Das hierzu zu zählende Spannungsarmglühen ist aber in der Regel
nicht immer erfolgreich und zwar einerseits deshalb, weil der alleinige Eigenspannungseinfluss
sicher oft überschätzt wird, andererseits selten bekannt ist, ob durch
eine solche Maßnahme überhaupt ungünstige Eigenspannungen beseitigt werden.
Erfolgreicher sind daher schon solche Maßnahmen, die wie das Wiederaufschmelzen
der Nahtränder für eine Verringerung der Kerbschärfe am Nahtübergang sorgen.
Diese bei Stählen sehr erfolgreiche Methode findet allerdings bei Aluminiumlegierungen
schnell seine Grenzen. Da das verhältnismäßig langsam arbeitende WIG-
Verfahren, das hierfür eingesetzt werden kann, für eine breite Erwärmung der aufgeschmolzenen
Zonen sorgt, werden zuvor erreichte Verfestigungen des Grundwerkstoffes
entweder durch Kaltverformung oder durch Ausscheidungshärtung in der Regel
so stark beeinträchtigt, dass die Kerbwirkung in den Hintergrund tritt und durch
eine Verschiebung des Bruchausgangs in die Entfestigungszone bei kaum verändertem
Nennspannungsniveau sorgt.
Wesentlich vielversprechender sind daher bei Al-Legierungen mechanische Nachbehandlungsmethoden.
Neben der sehr aufwendigen und auf Stumpfschweißverbindungen
beschränkten Möglichkeit, die Kerben durch vollständiges Abschleifen des
Nahtübergangs vollständig zu beseitigen, bieten sich hierbei Methoden an, die darauf
basieren, dass der Werkstoffwiderstand gegen Ermüdungsrissbildung und –
ausbreitung durch die kombinierte Erzeugung von Druckeigenspannungen und Kaltverfestigungen
durch eine gezielte Oberflächenverformung an potentiellen Rissausgangsstellen
erhöht und damit die Schwingfestigkeit gesteigert wird. Hierzu gehören
das Kugelstrahlen und das Hämmern der Nahtübergänge mit einfachen Druckluftwerkzeugen.
Darüber hinaus werden in jüngster Zeit zunehmend so genannte Hochfrequenzhämer-verfahren
wie das UIT- oder das UP-Verfahren oder die HiFIT-
Methode propagiert, Methoden, die aufgrund einer höheren Bearbeitungsintensität
besonders große Schwingfestigkeitssteigerungen nach sich ziehen sollen.

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AiF-Nr. 16870 N - Nachbehandlung von Aluminiumschweißnähten 4
Bild 1: Übersicht über anwendbare Verfahren zur Schwingfestigkeitsverbesserung
von Schweißverbindungen und deren Wirkungsweise.
2.2. Anwendung und Wirkungsweise
Die meisten Untersuchungen zur Wirkung mechanischer Oberflächenbehandlungsverfahren
wurden bislang an Schweißverbindungen aus Stählen durchgeführt
[Wei08], vielfach im Vergleich zu schweißtechnischen Verbesserungsmethoden, die
sich bei Stählen als sehr wirkungsvoll erwiesen haben. Das WIG-
Wiederaufschmelzen konnte allerdings im Gegensatz zu Stählen bei Aluminiumwerkstoffen
bisher nie überzeugen. Der Grund hierfür ist, dass der Verringerung der
Kerbgeometrie einerseits die durch die zusätzliche Erwärmung bedingte Entfestigung
der Aluminiumwerkstoffe den potentiellen Schwingfestigkeitsgewinn wieder aufwiegt.
Während sich ältere Untersuchungen vor allem auf die erzielten Schwingfestigkeitsunterschiede
konzentrierten, liegen in neueren Arbeiten auch Ergebnisse von Versuchen
vor, bei denen der Frage der Eigenspannungsstabilität explizit nachgegangen
wurde. So konnte z.B. bei [Bou06] an Kehlnahtverbindungen aus dem Stahl S355
nicht nur gezeigt werden, dass durch ein Ultraschallhämmern der Nahtübergänge die
Schwingfestigkeit erheblich angehoben werden kann, sondern die erzeugten Eigenspannungen
auch relativ widerstandsfähig gegen Überbelastungen sind. Dies verdeutlicht
Bild 2, in dem die Wöhlerlinie der nachbehandelten Verbindungen der Bemessungswöhlerlinie
des unbehandelten Schweißzustandes gegenübergestellt ist.