Die verschiedenen Kupferlegierungen verfügen aufgrund ihrer guten thermisch-elektrischen Eigenschaften in vielen zukunftsrelevanten Bereichen, bspw. in der Elektromobilität, über eine essentielle Bedeutung und kommen in vielen Anwendungen u.a. in Steuergeräten, Wicklungen und Stromschienen zum Einsatz. Aufgrund der Anstrebungen nach Ressourceneinsparung sieht die Produktauslegung häufig eine Funktionsintegration vor, wodurch bisher primär elektrisch ausgelegte Komponenten auch mechanischen Beanspruchen unterliegen. Überdies kommen vermehrt kostengünstige und gut automatisierbare Verfahren wie beispielsweise das Laserstrahlschweißen zur Anwendung, um Einzelkomponenten ohne personalintensives Schrauben zu kontaktieren. Derartige Schweißverbindungen ziehen üblicherweise eine hohe Kerbwirkung nach sich, sodass sie bei unzureichender Bemessung unter zyklischen Belastungen versagen können. Eine Herausforderung liegt darin, dass für strahlgeschweißte Kupferverbindungen aus unterschiedlichen Kupferlegierungen weder vergleichende, qualitative Informationen über die Schwingfestigkeitseigenschaften noch quantifizierte Auslegungskennwerte vorliegen. Darüber hinaus ist der Einfluss von Unregelmäßigkeiten, die größtenteils einen werkstofftechnischen Hintergrund haben, gänzlich unbekannt.
In dem geplanten Forschungsvorhaben wird ein auf örtlichen Konzepten beruhende Auslegungsmethode für geschweißte Kupferbauteile erarbeitet, die neben der Auslegungsmethodik auch Vorgaben zur Modellierung der Schweißnähte mit FE-Methode sowie die erforderlichen Materialparameter beinhaltet. Hierbei liegt die Arbeitshypothese zu Grunde, die langjährig bewährten Auslegungskonzepte für Stähle und Aluminiumlegierungen grundsätzlich auch als Basis für ein Auslegungskonzept für Schweißverbindungen aus Kupferwerkstoffen geeignet sind. Dazu werden Probekörper mit variierender Komplexität geschweißt, charakterisiert und unter Schwingbeanspruchung geprüft. Im Anschluss erfolgt der Aufbau und die Validierung von FE-Modellen zur simulativen Abbildung der Schweißverbindungen als Basis für die Identifikation von Nennspannungen, Strukturspannungen und Kerbspannungen. Auf Grundlage dieses Bewertungskonzeptes wird es ermöglicht, einen numerischen Festigkeitsnachweis bereits in der Phase der Produktentwicklung durchzuführen, ohne auf aufwändige Bauteilversuche zurückgreifen zu müssen.
Forschungsvereinigung FVV e.V.
Steinbeis Innovationszentrum BWF Esslingen
Technische Universität Darmstadt, Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik
