Betriebsfestigkeit von Schweißverbindungen

Werkstoffe und Fachdisziplinen verschmelzen:

Das Schweißen ist eines der am häufigsten angewandten Fügeverfahren in nahezu allen Industriebereichen. Insbesondere bei mobilen Anwendungen wie dem Fahrzeug- oder Schiffbau, aber auch im Maschinen- und Anlagenbau werden Schweißverbindungen sehr häufig mit zyklischen Betriebslasten beansprucht. Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb ist daher die Bewertung der Schwingfestigkeit unter Betriebslasten unerlässlich.

Der Fügeprozess Schweißen führt zu einer lokalen, nicht zu vernachlässigen Veränderung der Ausgangmaterial- bzw. Halbzeugeigenschaften. Zum einen führt das Erstarren des aufgeschmolzenen Werkstoffs zu metallurgischen und geometrischen Kerben, welche die Schwingfestigkeit der Schweißverbindung maßgeblich bestimmen. Zum andern liegen teils hohe Eigenspannungen durch den Schweißprozess und den Zusammenbau in der Fügeverbindung vor, die in einer Schwingfestigkeitsbewertung berücksichtigt werden müssen.

In Regelwerken für die Bemessung von Strukturen findet die Schwingfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen einheitlich nach Werkstoffgruppen (z.B. Stahl oder Aluminium) statt. Die Werkstofffestigkeit wird, im Gegensatz zu nicht-geschweißten Strukturen, nicht berücksichtigt, da davon ausgegangen wird, dass die geometrische Kerbe die Schwingfestigkeit dominiert. Insbesondere, wenn qualitativ hochwertige oder nachbehandelte Schweißnähte zu bewerten sind, nimmt der Einfluss der geometrischen Kerbe ab und die mikrostrukturellen Ausprägungen in versagenskritischen Bereichen werden maßgeblich. Dieses Leichtbaupotenzial von Schweißverbindungen höherfester Werkstoffe gilt es zu heben. Daher werden die bestehenden Bemessungskonzepte und Konzeptvarianten auf deren Einsatzbarkeit für die jeweiligen Randbedingungen überprüft und weiterentwickelt. Zudem wird an dem Transfer einzelnen Bemessungsmethoden auf weitere Anwendungsfälle wie Punktschweißverbindungen, Schweißverbindungen artungleicher Werkstoffe und Lötverbindungen bzw. der Erweiterung des experimentell abgesicherten Einsatzbereiches am Fraunhofer LBF mit dem Ziel gearbeitet, zutreffende und zuverlässige Bemessungsmethoden für die jeweilige Schweißverbindung zur Verfügung stellen zu können.

Projektbeispiele

Betriebsfestigkeit von Schweißverbindungen ganz konkret

 

Kranstrukturen aus hochfesten Stählen

Schweißverbindungen hochfester Feinkornstähle werden auf ihre Betriebsfestigkeit im Low Cycle Fatigue – Bereich untersucht. Neben der Entwicklung einer Bemessungsmethode für den LCF-Bereich auf Basis örtlicher Beanspruchungen steht die Berücksichtigung realer Beanspruchungszeitfunktionen im Fokus.

Verbundprojekt LaSAAS

Laserstrahlschweißen von Stahl an Aluminnium für die Anwendung im Schiffbau

Das LBF beschäftig sich in diesem Projekt mit der Schwingfestigkeitsbewertung dickwandiger Laserstrahlschweißnähte aus Stahl an Aluminium.  

An der TU Darmstadt:

KranlaSt (P1203): Bemessung von Kranstrukturen aus laserstrahl- und laserhybridgeschweißten höchst- und ultrahochfesten Stählen

FAAM (P1175): Weiterentwicklung, Fügetechnische Absicherung und technische Auslegung von Schweißverbindungen mit martensitischen Chromstählen

Expertise: Dissertationen, Masterarbeiten ...

Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen unter Berücksichtigung von Schweißeigenspannungen und Größeneinflüssen

In dieser Arbeit wird eine anwendungsnahe Berechnungsmethodik zur Schwingfestigkeitsbewertung von geschweißten Bauteilen aus Stahlwerkstoffen vorgestellt. Mit dieser Methodik kann der Einfluss von Schweißeigenspannungen auf die Schwingfestigkeit quantitativ abgeschätzt werden. Dies erfolgt auf Basis eines Zwei-Phasen-Modells, in dem die Anrisslebensdauer mit dem Dehnungskonzept und die Rissfortschrittslebensdauer bruchmechanisch bewertet werden.

Kerbgrundkonzepte für die schwingfeste Auslegung von Aluminiumschweißverbindungen

Die hier vorgestellte Untersuchung basiert auf Schwingfestigkeitsergebnissen mit verschiedenen MIG-Aluminiumschweißverbindungen der Legierungen AlMg4,5Mn (AW-5083) und AlMgSi1 T6 (AW-6082 T6) unter wechselnder und schwellender Beanspruchung. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass das örtliche Kerbspannungskonzept mit einem fiktiven Ersatzradius von rf = 1,0 mm auf Aluminiumschweißverbindungen mit Dicken von t = 5 bis 25 mm angewendet werden kann, wobei es unabhängig von der Legierung und der Schweißnahtgeometrie (Stumpfstoß mit und ohne Wurzelspalt, Quersteife) ist. Es werden Master-Wöhlerlinien für verschiedene Spannungsverhältnisse, R = -1, 0, 0,5, vorgeschlagen, die eine Berücksichtigung sowohl von Eigenspannungen als auch belastungsinduzierten Mittelspannungen zulassen. Darüber wird aus den Ergebnissen der Vorschlag von Δσ = 70 MPa als FAT-Klasse für das IIW-Regelwerk abgeleitet.