Schweißen von Leichtbaurahmenkonstruktionen : funktionale Werkstoffauswahl und Schweißzusatzwerkstoffmodifikation

Treutler, Kai GND

Die nachhaltige Nutzung von Bodenflächen in der Land- und Forstwirtschaft unter ökologischen Aspekten ist, ebenso wie die ökonomische Betriebsführung, eine der Kernanforderungen an die heutigen land- und forstwirtschaftlichen Betriebe. Die Fülle der Gesetze und Zertifizierungen, wie z.B. das FSC-Gütesiegel, führen heute dazu, dass die Anforderungen an die neuzeitlichen Agrar- und Forstgeräte immer weiter zu niedrigeren Bodenbelastungen unter Steigerung der Nutzlasten führen. Durch diese neuen gesetzlichen Rahmenbedingungen und dem Wunsch nach einer erhöhten Produktivität sowie der Verringerung der Bodenverdichtung wird der Druck, Leichtbau auch bei forst- und agrarwirtschaftlichen Maschinen umzusetzen, immer größer. Dabei spielt auch der Wunsch nach immer größeren Nutzlasten für eine gesteigerte Produktivität eine entscheidende Rolle. Hierfür ist die Einführung von Leichtbauaspekten und eine funktionale Werkstoffauswahl eine Möglichkeit. Um das Ziel einer Leichtbaustrategie zu erreichen wird nachfolgend eine systematische Analyse der Einflussfaktoren auf die Festigkeit von Schweißverbindungen unter unterschiedlichen Lastarten (statisch, zyklisch und schlagartig-dynamisch) durchgeführt, um die Gewichtsreduktion über eine funktionale Werkstoffauswahl und eine gezielte Modifikation von Schweißzusatzwerkstoffen zu erreichen. Bei der funktionalen Werkstoffauswahl wird davon ausgegangen, dass sich das Verhalten von verschiedenen Stählen, entsprechend ihrer chemischen Zusammensetzung, der Gefügeausprägung und der Herstellungsmethode, im Gegensatz zum derzeit verbreiteten Kenntnisstand, voneinander unterscheiden können. Ziel der Arbeit ist es, durch das dargestellte Vorgehen, die Grundlagen für eine Gewichtsreduktion von Rahmenkonstruktionen in der Agrartechnik, mit dem Fokus auf schweißtechnische Verbindungen und deren Festigkeiten unter variierenden Belastungsarten, von 50% zu erarbeiten. Beim detaillierten Vergleich der Verbindungseigenschaften von zwei unterschiedlichen Feinkornbaustahlgruppen um eine funktionale Werkstoffauswahl für Leichtbaupotentiale identifizieren und charakterisieren zu können, zeigte sich, dass trotz vergleichbarer mechanischer Ausgangseigenschaften signifikante Unterschiede im Gefüge vor und nach dem Schweißen vorhanden sind. Diese führen dazu, dass sich nach dem Schweißen deutlich andere Eigenschaften einstellen und so für eine der Stahlgruppen deutlich höhere zyklische Lasten ertragbar sind. Des Weiteren konnte über die Erarbeitung einer weiteren Methodik zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung unter statischen, zyklischen und dynamisch-schlagartigen Belastungen unter Modifikation des Schweißzusatzwerkstoffes, die technische Dauerfestigkeit noch weiter gesteigert werden. Hierzu wurde gezielt die Fließfähigkeit der Schmelze durch eine Oberflächenbeschichtung mit Titan beeinflusst und dadurch die geometrische Kerbwirkung am Nahtübergang vermindert. Auf Basis der erhöhten technischen Dauerfestigkeit unter zyklischer Last und dem Erfüllen der an die Verbindungen gestellten statischen und dynamisch-schlagartigen Festigkeitsanforderungen, ist ein Leichtbaupotential von deutlich über 50% hinsichtlich des Rahmengewichts in der Agrartechnik antizipierbar, da in jedem Fall die Grundwerkstofffestigkeit erreicht werden oder gängige Auslegungskriterien um mehr als 50% überschritten werden.

The sustainable use of land in agriculture and forestry under ecological aspects, as well as economic management, is one of the core requirements for today's agricultural and forestry enterprises. The plethora of laws and certifications, such as the FSC seal of quality, mean that the demands placed on modern agricultural and forestry equipment are leading to ever lower soil loads and increased payloads. Due to these new legal framework conditions and the desire for increased productivity as well as the reduction of soil compaction, the pressure to implement lightweight construction in forestry and agricultural machinery is becoming ever greater. The desire for ever greater payloads also plays a decisive role in increasing productivity. The introduction of lightweight construction aspects and a functional selection of materials is one way of achieving this. In order to achieve the goal of a lightweight design strategy, a systematic analysis of the influencing factors on the strength of welded joints under different load types (static, cyclical and impact-dynamic) will be carried out in order to achieve weight reduction through functional material selection and targeted modification of filler metals. The functional material selection is based on the assumption that the behaviour of different steels, according to their chemical composition, the microstructure and the manufacturing method, can differ from each other, in contrast to the currently widespread state of knowledge. The aim of the work is to develop the basis for a weight reduction of 50% for frame constructions in agricultural engineering, with the focus on welding joints and their strengths under varying load types, by means of the procedure described. A detailed comparison of the joining properties of two different fine-grained structural steel groups in order to identify and characterise a functional material selection for lightweight potential showed that, despite comparable mechanical initial properties, there are significant differences in the microstructure before and after welding and that these lead to significantly different properties occurring after welding and thus to significantly higher cyclic loads being bearable for one of the steel groups. Furthermore, by developing a further methodology for improving the mechanical properties of the welded joint under static, cyclic and dynamic shock loads by modifying the filler metal, it was possible to further increase the technical fatigue strength. For this purpose, the flowability of the melt was specifically influenced by a surface coating with titanium, thereby reducing the geometric notch effect at the seam transition. On the basis of the increased technical fatigue strength under cyclic load and the fulfilment of the static and dynamic strength requirements placed on the joints, a lightweight construction potential of well over 50% can be anticipated with regard to the frame weight in agricultural engineering, since in any case the base material strength is achieved or common design criteria are exceeded by more than 50%.

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Treutler, Kai: Schweißen von Leichtbaurahmenkonstruktionen : funktionale Werkstoffauswahl und Schweißzusatzwerkstoffmodifikation. 2019.

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