Einfluss der mechanischen Verfestigung auf die Eigenspannungsentstehung beim Schweißen von Stählen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem abgeschlossenen Forschungsvorhaben sollte geklärt werden, inwieweit die durch einen mit dem Schmelzschweißen verknüpften thermischen Zyklus aus schneller, lokalisierter Erwärmung und nachfolgender Abkühlung und dem daraus resultierenden Wechselverformungszyklus zu verfestigend wirkenden plastischen Verformungen der Schweißnahtumgebung führen. Da verformungsinduzierte Verfestigungen die lokale Fließgrenze, von der die Maximalhöhe entstehender Eigenspannungen abhängt, begrenzen, sind so Eigenspannungen in der Schweißnahtumgebung, die die Grundwerkstoffgrenze überschreiten, grundsätzlich möglich und kann erklärt werden, warum in Eigenspannungsberechnungen die Ergebnisse häufig deutlich von den Messergebnissen abweichen, wenn das Verfestigungsverhalten nicht angemessen bei der Berechnung berücksichtigt wird. Es war insbesondere zu klären, inwieweit verformungsinduzierte Verfestigungen nach der Abkühlung der Schweißnaht erhalten bleiben und sich durch ein isotropes oder kinematisches Verfestigungsmodell in geeigneter Weise abbilden läßt. In der ersten Projektphase konzentrierten sich alle Untersuchungen auf einen austenitischen und einen ferritischen Chromstahl, in der zweiten Projektphase wurde geprüft, inwieweit die dabei gewonnenen Erkenntnisse auf schweißbare Baustähle unterschiedlicher Festigkeit übertragbar sind. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen. • Mit keinem der angewendeten Verfestigungsmodelle kann einheitlich eine vollständige Übereinstimmung von Berechnungsergebnis und Experiment erzielt werden. Ein vor Allem qualitativer Vergleich von numerischen und experimentellen Ergebnis liefert allerdings die Erkenntnis, dass die isotrope Verfestigung in allen Fällen eine Rolle zu spielen scheint, da sie stets die näher an den Messergebnissen liegenden Befunde liefert und gleichzeitig in der Lage ist, im Verlauf auftretende Eigenspannungsspitzen realistischer abzubilden. Das bedeutet auch, dass bei den hochlegierten Stählen der Bauschingereffekt für die durch den Thermozyklus ausgelösten Spannungs- Dehnungszusammenhänge keine oder nur eine untergeordnete Rolle zu spielen scheint. • Kinematische oder gemischte Berechnungen sollten nur dann eingesetzt werden, wenn die Verfestigungsexponenten temperaturunabhängige Werte aufweisen. Es ist zudem zu beachten., dass diese Modelle nichtkonservative Werte liefern und die Eigenspannungsverteilungen nicht immer qualitativ korrekt wiedergeben. Aus diesem Grunde empfiehlt sich eher ein isotropes Modell für die Durchführung solcher Berechnungen, weil hier in allen Fällen die besten Übereinstimmungen erzielt werden konnten. • Die eingesetzten Verfahren zur Analyse des Verfestigungszustandes ermöglichen eine differenzierte Bewertung der lokalen Verformungsvorgänge infolge der durch die thermischen Zyklen verursachten Plastizierungen und deren Folgen für den Verfestigungszustand zu. Insbesondere die aus der Interferenzlinienprofilanalyse gewonnen Kennwerte ermöglichen qualitativ eine zielgenaue Auswahl des für die Berechnung bevorzugt einzusetzenden Verfestigungsmodells. • Die Orte höchster Eigenspannungen stimmten überwiegend mit denen überein, an denen auch die höchsten Verfestigungen detektiert wurden. • Bei den umwandlungsfähigen Baustählen läßt sich kein Einfluß der plastizierungsinduzierten Verfestigungen auf Lage und Höhe der Schweißeigenspannungen nachweisen bzw. wird durch die in der Schweißnaht und in der WEZ primär wirksamen Festigkeitsänderungen infolge der Phasenumwandlungen vollständig überdeckt. Die im nahtnahen Grundwerkstoff auftretenden Nebenmaxima der Längseigenspannungen lassen sich daher in keinen Zusammenhang mit Plastizierungen bringen, sondern sind ebenfalls als Gleichgewichtsreaktion auf die Umwandlungsvorgänge in der Schweißnaht zurückzuführen. • Ein Zusammenhang zwischen Verfestigungsverhalten und der Eignung eines der angewendeten Berechnungsmodelle kann daher nicht eindeutig abgeleitet werden. Dennoch weisen alle Berechnungsergebnisse darauf hin, dass sich mit einem isotropen Werkstoffmodell durchgängig die besten Übereinstimmungen zwischen berechneten und gemessenen Eigenspannungen erzielen und auch lokale Eigenspannungsspitzen und -senken qualitativ gut abbilden lassen. Sofern die Randbedingungen beim Schweißen genau bekannt, die thermischen Zyklen in der Berechnung präzise abgebildet und die temperaturabhängigen mechanischen Kennwerte der Werkstoffe vorliegen, lassen sich zwischen Berechnung und Messung Genauigkeiten >100 MPa erzielen. Dies setzt in jedem Fall die realitätsnahe Berücksichtigung der Phasenumwandlungen voraus. Vernachlässigungen der Umwandlungen sind nicht zulässig. • In-situ Messungen stellen, so weit realisierbar, ein wichtiges Instrument zur zeit- und temperaturabhängigen Verfolgung der mikrostrukturellen Vorgänge und der transienten Spannungsentwicklung beim Schweißen dar, das für das Verständnis des Gesamtzusammenhangs wichtige ergänzende Kenntnisse liefern kann. Voraussetzung ist die Verfügbarkeit der geeignmeten diffraktionselastischen Konstanten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effects of heat source geometric parameters and arc efficiency on welding temperature field, residual stress, and distortion in thin-plate fullpenetration welds. In: International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 99 (2018). London: Springer, 2018: S. 497–515
Sun, J.; Klassen, J.; Nitschke-Pagel, T.; Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00170-018-2516-6) - Experimental and Computational Analysis of Residual Stress and Mechanical Hardening in Welded High-Alloy Steels. In: Seefeldt, M. [Hrsg.]: Materials Research Proceedings, Volume 6 (2018); Residual Stresses 2018 (ECRS-10); 10th European Conference on Residual Stresses, 11.–14.09.2018, Leuven, Belgien
Hempel, N.; Nitschke-Pagel, T.; Rebelo-Kornmeier, J.; Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.21741/9781945291890-36) - Influence of heat input model parameters on the simulated properties in ferritic steel weldments. Dissertation, Technische Universität Braunschweig. Forschungsberichte des Instituts für Füge- und Schweißtechnik, Band 53, Shaker Verlag Düren, 2019
Jiamin Sun
- Solid-state phase transformation and strain hardening on the residual stresses in S355 steel weldments. Journal of Materials Processing Technology (2019) Volume 265; 173-184
Sun, J.; Hensel J.; Klassen, J.; Nitschke-Pagel, T.; Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.10.018) - Influence of temperature- and phase-dependent yield trength on residual stresses in unltra-high strength steel S960 weldments. Journal of Materials Research and Technology 15 (2021) 1854-72
Sun, J.; Nitschke-Pagel, Th.; Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.050) - Effect of phase- and temperature-dependent strainhardening slopes on the calculated welding residual stresses in S235 steel. 13th International Seminar Numerical Analysis of Weldability, 4 - 7 September 2022 Graz - Seggau – Austria
Sun, J., Nitschke-Pagel, Th., Dilger, K.
- Influence of strain hardening models on the predicted welding residual stresses. 11th International Conference on Residual Stresses, 7.-10.3.2022, Nancy, France
Nitschke-Pagel, Th.; Sun,J.
- Influence of strain-hardening models and slopes on the predicted residual stresses in structural steel S235 weldments. Journal of Materials Research and Technology 19 (2022) 4044-4062
Sun, J., Nitschke-Pagel, Th., Dilger, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.06.134) - On the influence of cyclic plasticity on the residual stress state in welded high-alloy steels. 13th International Seminar Numerical Analysis of Weldability, 4 - 7 September 2022 Graz - Seggau – Austria
Hempel, N.; Nitschke-Pagel, Th.; Rebelo-Kornmeier, J.; Dilger, K.
- Zum Einfluß zyklischer Plastizität auf die Eigenspannungsentstehung beim Schweißen hochlegierter Stähle. Dissertation, Technische Universität Braunschweig. Forschungsberichte des Instituts für Füge- und Schweißtechnik, Band 61, Shaker Verlag Düren, 2022
Nico Hempel
