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Materials 15(11), 3771 (2022). doi:10.3390/ma15113771, Published by MDPI, Basel

Illustrationen, Diagramme

Wesentliches Ziel des Vorhabens MetLife ist die Steigerung der Einsatzfähigkeit der leichteren Aluminiumlegierungen AIMgSc und AlCuLi im Flugzeugbau. Das Projekt umfasste dabei insgesamt drei Themenbereiche. Im ersten Arbeitspaket wurde der korrosive Einfluss auf die Lebensdauer von FSW-Nähten untersucht. Dabei wurde geprüft wie Korrosionsschutzsysteme für FSW-Nähte im besonders korrosionsgefährdeten Rumpfbereich unterhalb des Fenstergürtels einsetzbar sind. Weiterhin wurden Lebensdauerversuche unter korrosiven Medien durchgeführt, woraus ein quantitatives Verständnis der relevanten Schädigungsmechanismen abgeleitet werden sollte. Der zweite Teil des Projekts befasste sich mit der Bewertung von Schweißdiskontinuitäten in Hinblick auf die Ermittlung von industriell akzeptablen Fehlstellengrenzwerten. Dabei zeigte sich, dass sich AlMgSc sehr gut mittels Ultraschall prüfen lässt. Untersuchungen zur Lebensdauer von FSW-Nähten mit einem lack of penetration (LOP) Defekt haben ergeben, dass das Ermüdungsverhalten dabei nicht nur vom Vorhandensein eines LOP abhängt, sondern auch welcher lokale Defekt sich dabei ergibt. Das dritte Arbeitspaket umfasste die biaxiale Prüfung von flugzeugrumpfähnlichen Kreuzproben. Hierbei wurden Teilaspekte des IMA-Schalentests auf Kreuzproben übertragen, um somit die Szenarien von Umfangs- und Längsrissen, sowie der Rissablenkung zielgerichteter untersuchen zu können. In den Rissfortschrittsversuchen wurden Proben aus AA2024-T351, AA5028-H116, sowie Proben mit einer FSW-Naht getestet. Weiterhin wurde zur Auswertung ein spezieller Postprozessor entwickelt, mit dem sich die vorliegenden Rissspitzenbeanspruchungen mittels digitaler Bildkorrelation (DIC) bestimmen lassen.

Der Entwicklungs- und Zulassungsprozess eines Flugzeugs beinhaltet immer ein aufwändiges experimentelles Versuchsprogramm. Optimierungspotential hinsichtlich Kosten und Zeit besteht durch Reduktion der Anzahl an - insbesondere sehr komplexen ? Versuchen. Erreicht werden kann dies durch Steigerung der Aussagefähigkeit der einzelnen Versuche, ebenso wie durch den Einsatz geeigneter Simulationen. Ebendieser Weg wird in dieser Arbeit durch eine sinnvolle Verknüpfung von Simulationen und realitätsnahem biaxialen Experiment aufgezeigt. Ausgehend von realistischen Lastannahmen werden mit einem Rumpfdimensionierungstool detaillierte Schnittlasten für den ermüdungskritischen oberen Rumpfbereich zwischen Tragflügel und Heckleitwerk ermittelt. Basierend auf diesen Lastdaten wird in einem biaxialen Versuch das statische und zyklische Verhalten einer Probe mit drei aufgebrachten Stringern untersucht. Versuchsbegleitende Finite-Elemente-Simulationen ermöglichen eine präzise Bewertung der Rissspitzenbeanspruchung mittels linear-elastischer Bruchmechanik. Im Szenario eines gebrochenen Stringers wird die Probe während des zyklischen Versuchsprogramms auf ihr Ermüdungsrissverhalten untersucht. Zur Auswertung des Versuchs kommt neben Kraft-, Weg- und Dehnungsaufnehmern ein digitales 3D-Bildkorrelationssystem zum Einsatz, welches berührungslos eine großflächige Ermittlung der Verschiebungs- und Dehnungsfelder ermöglicht. Ein Vergleich der Verschiebungsfelder zwischen biaxialem Versuch und zugehöriger Simulation mit realitätsnaher Krafteinleitung zeigt sehr gute Übereinstimmung für die Stringer-Hautfeld-Probe - sowohl ohne als auch mit Riss. Mit Hilfe der bruchmechanischen Auswertung der Simulationen lässt sich das Rissfortschrittsverhalten der biaxialen Probe auswerten und mit an Standardproben ermittelten Daten aus der Literatur vergleichen.

MTEXT setzt ausgewählte Arbeiten aus HERMET und HERMO zu den Themen Friction Stir Welding (FSW) von Tailored Welded Blanks (TWB) und Aluminiumdünnblechen für splicefreie Faser-Metall-Laminate (FML) fort. Im Rahmen einer FSW-Parameteroptimierung für TWB aus AA5028 wird u.a. eine neue Pin-Geometrie für das FSW-Werkzeug vorgestellt. Der Einfluss wiederholter FSW-Durchgänge (z.B. Reparaturschweißung, kreuzende Nähte) auf die Mikrostruktur sowie die quasi-statischen Eigenschaften im Nahtbereich wurden untersucht, wobei sich bei allen Nahtvarianten nur eine mäßige Degradation der Eigenschaften ergab. Bei der bruchmechanischen Charakterisierung konnte mit Hilfe von unterstützenden FE-Simulationen eine geeignete Prüfmethodik für FSW-TWB entwickelt werden. Zur zukünftigen Realisierung splicefreier FML wurde der Einfluss von FSW-Nähten in 0,4 mm dicken Al-Folien auf die mechanischen Eigenschaften des Verbunds am Beispiel eines 3/2-Aufbaus untersucht. Die Ergebnisse bestätigen das hohe Potential der FSW-Technologie, zeigen aber gleichzeitig auch weiteren Entwicklungsbedarf auf.

Im Rahmen des Projekts HERMO wurde innerhalb des KOSMO-Verbundes das Friction Stir Welding (FSW) für die Herstellung von Tailored Welded Blanks sowie zur Ermöglichung splicefreier Faser Metall Laminate (FML) durch FSW dünner Aluminiumbleche untersucht. Hierbei wurden auch wesentliche Aspekte beleuchtet, die für den Einsatz des FSW in der industriellen Praxis relevant sind, wie z.B. Robustheit des FSW-Prozesses hinsichtlich Parametervariation, die Möglichkeit der Ultraschallprüfung von FSW-TWB sowie der Verzug von FSW-Verbindungen wie auch FML. Zusammengefasst konnten basierend auf den Arbeiten Empfehlungen für das TWB-Design sowie geeignete FSW-Parameter (hinsichtlich Fehlerfreiheit und Festigkeit der FSW-Verbindung) für die untersuchten Legierungen 6013 sowie Ko8242 gegeben werden. Auch konnte gezeigt werden, dass der Aspekt des Verzugs beim FSW in erster Näherung sinnvoll über transiente thermo-mechanische FE-Simulationen qualitativ richtig abgebildet werden kann. Erste Untersuchungen zur Ermüdungsrissausbreitung in der FSW-Naht sowie zur Restfestigkeit bei vorhandenem Riss zeigen, dass die bereitgestellten FSW-Parameter grundsätzlich geeignet scheinen, um auch Quer- oder Längsnähte in metallischen Rumpfstrukturen zu erzeugen.