Schweißen unter Betriebsbeanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens war es, den Einfluss von zyklischen Schweißnahtflankenverschiebungen während des Schweißprozesses auf die Güte der Schweißnaht zu klären. Hierzu wurde der Einfluss einer Nahtflankenverschiebung bzw. einer veränderlichen Nahtbeanspruchung senkrecht zur Naht, in Nahtlängsrichtung und Kombinationen aus beiden Beanspruchungsrichtungen während des Schweißprozesses auf das statische und das Ermüdungsverhalten der so geschweißten Nähte untersucht und bewertet. Die Versuche zeigen, dass ein Schweißen der Bleche in Abhängigkeit der Verschiebungsparameter möglich ist. Das Parameterfeld beinhaltete Verschiebungsamplituden von ±0,1 bis ±1,1 mm sowie Verschiebungsfrequenzen von 0,25 bis 7,0 Hz. Die Ergebnisse der Schweißversuche zeigen eine starke Abhängigkeit der Rissausbildung (Größe und Anzahl der Risse) von der Größe der aufgebrachten Verschiebungsamplitude sowie der -frequenz. Die unter Bewegung hergestellten Nähte wurden hinsichtlich ihrer statischen und dynamischen Tragfähigkeit untersucht. Die statische Tragfähigkeit der aus den verschweißten Blechen entnommenen Proben wurde aus der im klassischen Zugversuch bestimmten Arbeitslinie ermittelt. Die Ergebnisse der Zugversuche zeigen im Wesentlichen zwei Haupteinflüsse: Zum einen bewirkt eine Erhöhung der Verschiebungsamplitude bzw. -frequenz einen Rückgang der Zugfestigkeit der Schweißverbindung. Zum anderen führt bereits eine Verschiebungsamplitude von ±0,2 mm zu einem dramatischen Rückgang der Bruchdehnung. Hinsichtlich ihrer dynamischen Tragfähigkeit wurden Proben mit relativ großer statischer Tragfähigkeit untersucht, also solche, die mit kleinen Verschiebungsamplituden und -frequenzen geschweißt wurden. Es zeigt sich, dass beträchtliche Ermüdungsfestigkeiten erzielt werden können. Bei der Zuordnung der dynamischen Tragfähigkeit muss zwischen dem Nahtanfang und dem Nahtende unterschieden werden, da das Schweißnahtende durch den bereits erstarrenden Nahtanfang und die daraus resultierende Stützwirkung in der Regel eine bessere Qualität aufweist. Es zeigt sich, dass eine Beanspruchung in Nahtrichtung hierbei größere Verschiebungsamplituden und -frequenzen erlaubt als eine Querbeanspruchung. Eine Nahtflankenverschiebung führt jedoch für beide Verschiebungsrichtungen zu einer Beeinträchtigung der Nahtgüte. Die aufgezwungene zyklische Beanspruchung während des Schweißprozesses führt zu Heißrissen in Nahtmitte, die eine Querschnittsschwächung hervorrufen. Weiter wurden Versuche durchgeführt, die darauf abzielten die durch eine Nahtflankenverschiebung geschädigten Schweißnähte zu ertüchtigen. Dies ist durch eine Nachbehandlung mit einem Plasmaschweißgerät geschehen. Die unter Bewegung hergestellten Nähte weisen eine beträchtliche statische Festigkeit auf, so dass sie wie eine Heftnaht zu einer zeitlich beschränkten Fixierung der zu verbindenden Bauteile führen, die die Bewegung im Bereich der Schweißung stark verringert oder sogar vollständig verhindert. So konnte durch nachträgliches Aufschmelzen eine Verbesserung der Schweißnahtgüte unter Bewegung hergestellter Schweißproben erzielt werden. In weiteren Versuchen wurde bereits vor dem eigentlichen Schweißprozess durch die Herstellung von Heftstellen die Nahtflankenverschiebung soweit unterbunden werden, dass ein Schweißen quasi in Ruhe durchgeführt werden konnte. Die numerischen Ergebnisse, die mit dem Programm SYSWELD erzielt wurden, zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den im Experiment gemessenen Daten. Die Wärmequelle und die Temperaturausbreitung wurden mithilfe von Messungen mit Thermomessstellen und einer Thermobildkamera verifiziert. Es wurden unter anderem Spannungs- und Dehnungsverteilungen an unter Bewegung hergestellten Schweißnähten und dem angrenzenden Werkstoff ermittelt. Da bereits grundlegende Erkenntnisse zum Schweißen an sich bewegenden Nahtflanken erzielt werden konnten, ist es nun von Interesse Untersuchungen an konkreten Bauteilen durchzuführen. Neben praktischen Versuchen, bieten numerische Berechnungen die Möglichkeit eine Vorhersage bezüglich der Heißrissentstehung zu geben. Hierfür ist es jedoch erforderlich, das Phänomen der Heißrissentstehung genauer zu betrachten. Zukünftige Arbeiten sollten sich daher auf die Schweißeigenspannungen und Gefügeänderungen als Ursachen der Heißrissenstehung beim Schweißen unter Last konzentrieren. Weiter ist der Einfluss der Schweiß- und Werkstoffparameter auf die Heißrissbildung zu klären. Ziel sollte dabei sein, Kriterien zu entwickeln, anhand derer eine Rissentstehung im Vorfeld verhindert werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Schweißen unter Betriebsbeanspruchung - Werkstoffkennwerte für einen S355 J2G3 unter Temperaturen bis 1200°C. Stahlbau 73 (2004), Heft 6, S. 400-416
Peil, U., Wichers, M.
- Schweißen unter Betriebsbeanspruchung - Experimentelle Untersuchungen unter einachsiger Nahtflankenbewegung während des Schweißprozesses. Stahlbau 74 (2005), Heft 12
Peil, U., Wichers, M.
- Schweißen unter Betriebsbeanspruchung - Numerische und experimentelle Bestimmung des Temperaturfeldes beim Schweißen. Stahlbau 74 (2005), Heft 11, S. 843-851
Peil, U., Wichers, M.
- Schweißen unter Betriebsbeanspruchung - Werkstoffkennwerte zur Temperaturfeldberechnung für einen S355 J2G3. Stahlbau 74 (2005), Heft 4, S. 249-257
Peil, U., Wichers, M.
- Schweißen unter einachsiger, zyklischer Beanspruchung – Experimentelle und numerische Untersuchungen. Dissertation, Institut für Stahlbau, 2006
Wichers, M.
- Große Schweißtechnische Tagung, Dresden, 2008. Reparaturschweißungen an Bauwerken unter Betriebsbeanspruchung. DVS-Berichte Band 250, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2008
Peil, U., Hoeft, T.
- Schweißen unter dynamischer Einwirkung. Stahlbau 77 (2008), Heft 10, S. 721-727
Peil, U., Hoeft, T., Reininghaus, M., Wichers, M.
- Große Schweißtechnische Tagung, Essen, 2009. Schweißen unter dynamischer Einwirkung. DVS-Berichte Band 258, DVS Media GmbH, Düsseldorf, 2009
Hoeft, T., Peil, U., Reininghaus, M.
