SB_20357NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Konzeptgestützte
Schwingfestigkeitsbewertung
von reibgeschweißten
Stahlverbindungen

Konzeptgestützte
Schwingfestigkeitsbewertung
von reibgeschweißten
Stahlverbindungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 20.357 N
DVS-Nr.: 09.1013
Technische Universität Braunschweig
Institut für Füge- und Schweißtechnik
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit
und Systemzuverlässigkeit LBF
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.357 N / DVS-Nr.: 09.1013 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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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 576
Bestell-Nr.: 170686
ISBN: 978-3-96870-576-7
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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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung des
Forschungsprojektes .......................................................................................... 1
1.1 Zielsetzung ...................................................................................................... 1
2 Stand von Wissenschaft und Technik ................................................................. 3
2.1 Rotationsreibschweißen .................................................................................. 3
2.2 Schwingfestigkeit ............................................................................................. 4
2.2.1 Bewertungskonzepte ............................................................................. 5
2.2.2 Eigenspannungen ................................................................................. 6
2.2.3 Schwingfestigkeit von Reibschweißverbindungen ................................. 8
3 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten mit den Zielen des
Forschungsvorhabens ...................................................................................... 10
3.1 Arbeitsumfang des Forschungsprojektes ...................................................... 10
3.1.1 Arbeitspaket 1: Probendesign, Materialbeschaffung und
Probenherstellung ............................................................................... 10
3.1.2 Arbeitspaket 2: Probencharakterisierung ............................................ 12
3.1.3 Arbeitspaket 3: Zyklische Werkstoffkennwerte -
Dehnungswöhlerlinien ......................................................................... 14
3.1.4 Arbeitspaket 4: Schwingfestigkeitsversuche ....................................... 14
3.1.5 Arbeitspaket 5: Num. Untersuchungen ................................................ 15
3.1.6 Arbeitspaket 6: Ergebnisbewertung ..................................................... 15
3.1.7 Arbeitspaket 7: Berichterstattung ........................................................ 15
3.1.8 Arbeitspaket 8: Umsetzung ................................................................. 16
4 Ausführliche Darstellung der Ergebnisse .......................................................... 17
4.1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe ......................................................... 17
4.2 Durchführung der Schweißungen .................................................................. 18
4.2.1 Prozessqualifizierung Serie 3 (P460NH-20MnV6) .............................. 19
4.2.2 Spannungsarmglühen der Serie 1 (S355-S355 SA) ............................ 19
4.3 Charakterisierung der Schweißungen ........................................................... 20
4.3.1 Geometrie ........................................................................................... 21
4.3.2 Gefüge ................................................................................................ 23
4.3.3 Härte ................................................................................................... 25
4.3.4 Eigenspannungen ............................................................................... 27
4.3.5 Fazit der Charakterisierung ................................................................. 29
4.4 Schwingfestigkeit der Verbindungen ............................................................. 30
4.4.1 Schwingfestigkeit unter Axialbelastung ............................................... 30
I

Inhaltsverzeichnis
4.4.2 Schwingfestigkeit unter Torsionsbelastung .......................................... 37
4.4.3 Abweichend gebrochene Proben / Ausreißer ...................................... 42
4.4.4 Zusammenfassung der Schwingfestigkeitsversuche ........................... 44
4.5 Zyklisches Dehnungsverhalten der Schweißungen ....................................... 44
4.5.1 Probenfertigung ................................................................................... 44
4.5.2 Dehnungsgeregelte Versuche ............................................................. 45
4.5.3 Dehnungsfeldmessung ........................................................................ 48
4.5.4 Örtliches Dehnungskonzept ................................................................. 53
4.6 Methodische Auswahl eines geeigneten Modellierungsansatzes .................. 55
4.6.1 Neigungsanpassung ............................................................................ 56
4.7 Vorgeschlagenes Bemessungskonzept für Proben mit Wulst ....................... 58
4.7.1 Eingangsgrößen (Modellerstellung und Härteermittlung) ..................... 58
4.7.2 Rechnung für Nachweisort .................................................................. 60
4.7.3 Nachweis für Bauteil – Bestimmen der höchsten Auslastung .............. 65
4.7.4 Nachweis für Bauteil – Konstruktion der Wöhlerlinie ........................... 66
4.7.5 Berücksichtigung der Eigenspannungen ............................................. 69
4.7.6 Zusammenfassung .............................................................................. 72
4.8 Anwendung des Bemessungskonzepts auf Proben ohne Wulst .................... 74
4.8.1 Axiale Belastung .................................................................................. 74
4.8.2 Torsionslast ......................................................................................... 75
4.8.3 Zusammenfassung .............................................................................. 76
4.9 Neubewertung von Literaturdaten .................................................................. 77
4.9.1 Veröffentlichung von Hasegawa .......................................................... 77
4.9.2 Veröffentlichung von Manteghi, Gibson und Johnston......................... 82
5 Richtlinien und Einsatzempfehlungen ............................................................... 85
5.1 Gliederung und Inhalt des DVS 2909-6 ......................................................... 85
6 Schlussbemerkung ............................................................................................ 86
7 Zusammenstellung aller Veröffentlichungen ..................................................... 89
8 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 90
9 Anhang .............................................................................................................. 93
9.1 Dehnungsgeregelte Versuche ....................................................................... 93
9.2 Spannungsgeregelte Versuche ...................................................................... 94
9.2.1 Axial mit Wulst ..................................................................................... 94
9.2.2 Axial ohne Wulst .................................................................................. 96
9.2.3 Torsion ................................................................................................. 98
II

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung des
Forschungsprojektes
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
des Forschungsprojektes
Reibschweißungen bieten Potential zur wirtschaftlichen und ökologischen Fertigung
von rotationssymmetrischen Bauteilen in übergreifenden Branchen des Maschinenbaus.
Weiterhin lassen sich durch das Reibschweißen viele, konventionell nicht
schweißbare, Werkstoffkombinationen fügen. Ein Zusatzwerkstoff wird im Prozessablauf
nicht benötigt. Hierdurch bietet das Verfahren gute Möglichkeiten zum ressourceneffizienten
und modernen Einsatz. Bei ordnungsgemäßer Ausführung weisen die
Schweißnähte eine im Vergleich zum Grundwerkstoff höhere statische Festigkeit auf.
Auch eine gute Ermüdungsfestigkeit wurde in vereinzelten Veröffentlichungen bereits
festgestellt. Zur Auslegung und Bewertung dieser Verbindungen im Hinblick auf ein
Ermüdungsversagen liegen aktuell jedoch keine gesonderten Regelwerke vor.
In Veröffentlichungen wurden bereits Werkstoffeinflüsse auf die Schweißnahtfestigkeit
identifiziert. Zudem wurden durch den Prozess eingebrachte Druckeigenspannungen
nahe der Wulst beobachtet. Hinsichtlich der geometrischen Schweißnahtausbildung
wird die für eine Anwendung des Kerbspannungskonzepts benötigte Mindestkerbwirkung
an den Wulstgrundkerben unter Umständen nicht erreicht, während die Fügeflächenkerbe
spitz ausgeprägt sein kann. Diese Eigenschaften liegen bei konventionell
geschweißten Verbindungen (z. B. Metall-Schutzgas-Schweißen, MSG) in der Regel
nicht vor. Zum anderen werden bei Reibschweißungen oftmals die für den Prozess
charakteristischen Schweißwulste mechanisch abgearbeitet, was wiederum zu einer
metallurgischen Kerbe führen kann. Hierdurch bietet sich kein von Lichtbogenschweißungen
bekanntes Konzept unmittelbar zur Übertragung auf Reibschweißverbindungen
an [1, 2, 3]. Die Schwingfestigkeit sollte dennoch durch die Verwendung lokaler
Konzepte zur Bestimmung der Belastung der Werkstoffe beschreibbar sein. Entsprechend
lag dem Forschungsvorhaben die Arbeitshypothese zugrunde, dass die
Schwingfestigkeit von Reibschweißverbindungen mithilfe von globalen und lokalen Beanspruchungsgrößen
berechnet werden kann.
Die Entwicklungsarbeit großer Konzerne wird heutzutage zunehmend ausgelagert,
weshalb kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) eigenständig Entwicklung
betreiben müssen. Besonders in der Fahrzeugindustrie werden die Zulieferer mit der
Erarbeitung von technischen Lösungen gemäß vorgegebener Lastenhefte beauftragt
[4]. Die notwendigen Ressourcen zur selbsttätigen Produktentwicklung und dem experimentellen
Nachweis der Schwingfestigkeit stehen KMU in der Regel nicht zur Verfügung.
Eine angewendete Herangehensweise ist das Überdimensionieren von Bauteilen,
was jedoch aus materieller und energetischer Sicht ineffizient ist. Schlussendlich
wird der Einsatz von reibgeschweißten Verbindungen maßgeblich durch das Fehlen
von rechnerischen Möglichkeiten zur Auslegung verhindert. Eine rechnerische Nachweismöglichkeit
würde KMU wesentliche Kosten- und Zeiteinsparung sowie die Herstellung
besserer Bauteile ermöglichen.
1.1 Zielsetzung
Im Rahmen dieses Vorhabens wird auf Basis experimenteller Versuche ein rechnerisches
Bewertungskonzept für die Schwingfestigkeitsbewertung von reibgeschweißten
Stahlverbindungen mit und ohne Wulst entwickelt. Auf Basis der lokalen Geometrie und
1

Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung des
Forschungsprojektes
Werkstoffhärte bietet das Konzept die Möglichkeit zur Abschätzung der Schwingfestigkeit.
Eigenspannungen können gegebenenfalls zur Präzisionsverbesserung verwendet
werden. Hierdurch kann der experimentelle Schwingfestigkeitsnachweis auf einzelne
Versuche zur Bestätigung des Rechenergebnisses reduziert werden.
Zur Erreichung dieses Ziels wird die Schwingfestigkeit von industrierelevanten
Reibschweißverbindungen anhand von Probenkörpern experimentell bestimmt. Durch
eine Charakterisierung der obengenannten Einflüsse wird die Grundlage geschaffen,
ein Berechnungskonzept zu entwickeln. Bereits von Lichtbogenschweißungen und
Bauteilauslegung bekannte Konzepte werden auf Reibschweißungen angewendet und
mittels der experimentellen Versuchsdaten validiert.
Durch das entwickelte Konzept wird KMU eine wirtschaftlichere Bauteilauslegung bei
gleichzeitiger Verkürzung der Entwicklungszeit ermöglicht werden.
2

Stand von Wissenschaft und Technik
2 Stand von Wissenschaft und Technik
2.1 Rotationsreibschweißen
Das Reibschweißen ist ein Pressschweißprozess, in welchem Reibung zwischen den
Fügeteilen die zur Verbindungsbildung notwendige Wärme erzeugt. Es tritt keine
schmelzflüssige Phase auf. Durch Vermeiden der Schmelze können Verbindungen aus
einer Vielzahl von Materialen hergestellt werden, welche konventionell nicht schweißbar
sind. Beispielweise sind Stahl-Aluminium-Verbindungen herstellbar [5]. Der Prozess
kommt ohne einen Zusatzwerkstoff aus. Eine im Kontext der Pressschweißverfahren
vergleichsweise große Relevanz besitzt das Rotationsreibschweißen zur Verbindung
rotationssymmetrischer Teile. In Deutschland ist ein Verfahren mit kontinuierlichem
Antrieb verbreitet, im amerikanischen Raum hingegen der Schwungradantrieb.
Ein solcher Reibschweißprozess mit kontinuierlichem Antrieb lässt sich in vier Prozessphasen
einteilen, siehe Abbildung 1. Für den Prozessablauf wird einer der Fügepartner
fixiert eingespannt und der zweite Fügepartner wird in Rotation versetzt. Beide Partner
können über einen axialen Vorschubmechanismus aufeinandergepresst werden. Zu
Beginn wird der drehende Fügepartner beschleunigt und in einer Anreibphase der Kontakt
der Halbzeuge zueinander hergestellt, wobei Erhebungen auf der Fügefläche eingeebnet
werden. In der anschließenden Reibphase wird bei konstanter Drehzahl und
einer vorgegebenen axialen Pressung die Prozesswärme mithilfe der Reibung generiert.
Durch das Aufheizen erweichen die Fügeteile lokal und erweichtes Material wird
teilweise nach außen gedrückt. Hierdurch beginnt eine axiale Verkürzung der Halbzeuge
und die Materialverdrängung führt zur Entstehung der verfahrenstypischen
Wulst. Anschließend wird der Antrieb in der Bremsphase abgebremst und mit Einleiten
der Stauchphase eine erhöhte Axialkraft, die Stauchkraft, aufgebracht. Diese wird für
die Dauer der Stauchphase gehalten. Hierbei treten eine weitere Verkürzung und
Wulstbildung auf [6]. Durch die Materialverdrängung im Prozess können auch Verunreinigungen
aus der Fügezone heraustransportiert werden, wodurch das Verfahren als
vergleichsweise robust gilt und gelegentlich auch als selbstreinigend bezeichnet wird
[6, 7].
Abbildung 1: Aufbau und Ablauf eines Reibschweißprozesses [8]
3

Stand von Wissenschaft und Technik
Die Reibschweißparameter sind abhängig von der zu fügenden Geometrie und den
Werkstoffen. Bestimmend sind hier Wärmeleitfähigkeit und Warmfestigkeit. Je höher
die Warmfestigkeit und die Wärmeleitfähigkeit, desto größere Reibkraft und Reibzeit
werden benötigt, um eine ausreichende Temperatur in der Fügezone zu erzeugen [1].
Es steht in der Regel ein breites Prozessfenster zur Verfügung, in dem gute Verbindungen
erzeugt werden können. Hierdurch bestehen für den Anwender Möglichkeiten,
den Prozess zielgerichtet zu beeinflussen [6]. Außerdem weist das Rotationsreibschweißen
gemäß DVS-Merkblatt 2909 gute Verfahrenseigenschaften auf. Aufgrund
der Rotationssymmetrie liegt im Allgemeinen gute Maßhaltigkeit vor und es tritt kaum
Verzug auf. Die erreichbare Plan- und Rundlaufgenauigkeit wird von der Anlagentechnik
bestimmt [6]. Weiterhin erreichen korrekt geschweißte Verbindung in der Regel die
statische Festigkeit des Grundwerkstoffs bei gleichzeitig hoher Beanspruchbarkeit gegen
schwingende und schlagartige Beanspruchungen [6].
In der Ingenieurwissenschaft übernimmt die digitale Betrachtung der Fragestellungen
weiterhin steigende Bedeutung. Auch beim Reibschweißen werden entsprechende
Maßnahmen unternommen, durch simulative Möglichkeiten den Prozess nachzubilden
und weiterzuentwickeln. Angepasste Modellierungstechniken sind in der Lage, die Verbindungsbildung
zweckmäßig zu beschreiben und können darüber hinaus verbesserte
Informationen über Materialeigenschaften, Wärmebeeinflussung und Eigenspannungen
liefern [9]. Von der Anwendung numerischer Verfahren kann eine Beschleunigung
und Kostensenkung der Produktentwicklung erwartet werden.
2.2 Schwingfestigkeit
Die Schwingfestigkeit von Bauteilen aus geschweißten Metallen ist eine komplexe Fragestellung,
deren Ergebnis von verschiedenen Größen abhängt [10]. Eine häufig angewandte
Betrachtungsweise ist das Gegenüberstellen von Beanspruchung und Beanspruchbarkeit
[1]. Auf der Beanspruchungsseite finden sich beispielsweise die
Schwingbreite, Mittellast, die Geometrie und z.B. der Einfluss korrosiver Medien. Auf
der Beanspruchbarkeitsseite gibt es beispielweise Einflüsse des Werkstoffs. Je nach
Betrachtungsart auf beiden Seiten einzuordnen sind zum Beispiel Einflüsse von Defekten
oder die Größe des beanspruchten Materialvolumens (statistischer Größeneinfluss).
Diese Merkmale sind wiederum abhängig vom Schweißprozesses und der Geometrie.
Gemäß Radaj steht eine Vielzahl von rechnerischen und experimentellen Verfahren
zur Betrachtung der Schwingfestigkeit zur Verfügung, jedoch „[…] sind wichtige
Detailfragen nach wie vor unzureichend geklärt“, da es sich um ein „[…] nicht entkoppelbares
Vielparameterproblem“ handele [10].
Vor diesem Hintergrund existiert eine Vielzahl an Ansätzen und Regelwerken, welche
ähnliche Fragestellungen betrachten und doch unterschiedlich sind, bspw., weil sie in
ihrem jeweiligen Anwendungsfeld entstanden. Einen Auszug stellen hier zum Beispiel
die allgemein gehaltenen IIW-Empfehlungen [1], DIN 15018 aus dem Kranbau, der Eurocode
3 [3], die FKM-Richtlinie rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile
[11], das Kerbspannungskonzept nach DVS Merkblatt 0905 [2], der Bruchmechanische
Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile des FKM [12] oder DNVGL-RP-
C203 für Offshore-Strukturen dar. Für Reibschweißungen existiert jedoch kein aktuelles
Regelwerk zur Bewertung der Schwingfestigkeit. In der Literatur gibt es keine Untersuchungen
oder Empfehlungen zur Anwendbarkeit der „konventionellen“ Bemessungskonzepte
auf Reibschweißverbindungen.
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