Eigenspannungsabbau in Schweißverbindungen aus hochfesten Stählen unter mehrachsiger Beanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die Zusammenhänge zwischen Werkstoffzustand, Schweißnahtgestalt und Ausgangseigenspannungen bei mehrachsiger quasistatischer und zyklischer Beanspruchung zu analysieren. Dabei sollte der Eigenspannungsabbau unter den beschriebenen Bedingungen quantitativ untersucht und daraus die Wirksamkeit der Eigenspannungen für die Schwingfestigkeit aufgezeigt werden. Zu diesem Zweck wurde das Relaxationsverhalten von makroskopischen Schweißeigenspannungen in zylindrischen Stumpfnahtproben im Ausgangszustand und nach Zug-, Druck-, Torsions- und kombinierter Zug/Torsionsbeanspruchung systematisch untersucht. Die Untersuchungen erfolgten an Stählen, die bei schwingbeanspruchten Konstruktionen bereits weit verbreitet sind (S355J2H) bzw. künftig verstärkt eingesetzt werden sollen (S690QL). Im Bearbeitungszeitraum wurden durch Experimente an zahlreichen Rundproben unterschiedlicher Abmessung und Variation der Schweißparameter die Entstehungsmechanismen der Schweißeigenspannungen geklärt. Die wichtigsten erzielten Ergebnisse aus dem Projekt lassen sich wie folgt zusammenfassen: 1. Die in der Literatur und in Regelwerken häufig getroffene Annahme bezüglich höchster kritischer Zugeigenspannungen an den schwingbruchkritischen Nahtübergängen von querbeanspruchten Schweißnähten ist so nicht zu bestätigen. Unabhängig von der Probenabmessung treten die höchsten Eigenspannungen grundsätzlich in der Nahtmitte (Quereigenspannungen) oder aber im Grundwerkstoff (Umfangeigenspannung) auf. Diese Erkenntnis steht in Einklang mit früheren Untersuchungen und in der Literatur beschriebenen Mechanismen der Eigenspannungsentstehung beim Schweißen von Flachproben. 2. Die Zugeigenspannungen erreichen nur in Ausnahmefällen die Grundwerkstoffstreckgrenze. Am Ort des erwarteten Versagens bei Schwingbeanspruchung, am Nahtübergang, lagen Druckeigenspannungen vor. 3. Wie die Synchrotron- und Neutronenbeugungsexperimente gezeigt haben, ist das Maximum der Schweißeigenspannungen in der Naht und der angrenzenden Wärmeeinflusszone (WEZ) auf die oberflächennahen Werkstoffbereiche beschränkt. Zum Werkstückinneren fallen diese deutlich ab und erreichen wesentlich geringere durchschnittliche Beträge. 4. Es wurde gezeigt dass die Abkühlrate und damit die Umwandlungstemperatur von Austenit einen großen Einfluss auf das Schweißeigenspannungsfeld haben. Bei einer hohen Abkühlrate infolge geringer Wärmeinbringung ist der phasenumwandlungsbedingte Mechanismus zur Entstehung von Eigenspannungen dominant. Dies führt zu geringen Zugoder sogar Druckeigenspannungen. Bei langsamem Abkühlen dagegen kommt der Schrumpfungsbehinderungsmechanismus mehr zur Geltung wodurch Zugeigenspannungen entstehen. 5. Der Eigenspannungsabbau in Rundschweißverbindungen unter mechanischer Beanspruchung unterscheidet sich von dem der flachen Schweißproben. In Flachproben hat sich gezeigt, dass durch schrittweise Erhöhung der Beanspruchung die Eigenspannungen in der Schweißnaht und ihrer Umgebung kontinuierlich abgebaut werden. In Rundschweißproben blieben die Schweißeigenspannungen unter der Auswirkung von äußerer axialer und axial-torsionaler Belastung stabil. Nur am Schweißnahtübergang und in der (WEZ) fand der Eigenspannungsabbau lokal statt. 6. Die Untersuchungsergebnisse lassen vermuten, dass eine nachhaltige Verringerung vorhandener Ausgangseigenspannungen unter praktischen Bedingungen durch eine einmalige anfängliche Überbeanspruchung unter Torsion oder Tension-Torsion mindestens genauso wirkungsvoll zu erzielen ist, wie durch eine ungleich aufwendigere Glühbehandlung, deren Erfolg aufgrund der in der Regel unbekannten Ausgangseigenspannungen in komplexen Bauteilen völlig ungewiss ist. Da die Höhe der zurückbleibenden Eigenspannungen bei Kenntnis der lokalen Festigkeitseigenschaften und der lokalen Beanspruchungen relativ genau vorausgesagt werden kann, ist davon auszugehen, dass der Eigenspannungseinfluss auf die Schwingfestigkeit bei solchen Verbindungen weitgehend beseitigt und damit gezielte Schwingfestigkeitsverbesserungen erreicht werden können, ohne dass bezüglich der zurückbleibenden Eigenspannungen Unsicherheiten fortbestehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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M. Farajian, Th. Nitschke-Pagel, M. Boin, R. C. Wimpory, Relaxation of Welding Residual Stresses in Tubular Joints under Multiaxial Loading, International Conference on Multiaxial Fatigue and Fracture, ICMFF10, Kyoto, 2013
M. Farajian, Th. Nitschke-Pagel, M. Boin, R. C. Wimpory
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Determination of the Welding residual Stress Field by Diffraction Methods and Studying its Behavior under uniaxial and multiaxial Mechanical Loading, In-situ Studies with Photons, Neutrons and Electrons Scattering, Springer Verlag, ISBN 978-3-319-06145-0, 2014, pp. 177-200
M. Farajian, Th. Nitschke-Pagel, R. C. Wimpory, M. Hofmann
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In situ Studies of the Behavior of Residual Stresses in Tubular Joints in as welded and deep rolled conditions by means of neutron diffraction, International Institute of Welding, Annual Assembly, Seoul, 2014
M. Farajian, W. Pfeiffer, M. Klaus, A. D. Stoica, K. An
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Numerical Investigation of Welding Residual Stress Field and its Behaviour under Multiaxial Loading in Tubular Joints, Advanced Materials Research, Vol. 996, 2014, pp. 788-793
K. Hemmesi, M. Farajian, D. Siegele,
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Welding Residual Stress behavior in Tubular Steel Joints under Multiaxial Loading, HTM Journal of Heat Treatment and Materials, Vol. 69, 1, 2014, pp. 6-12
M. Farajian, Th. Nitschke-Pagel, D. Siegle
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Welding Residual Stresses in Tubular Joints, Materials Science Forum Vols. 768-769, 2014, pp. 605-612
M. Farajian, Th. Nitschke-Pagel, K. Dilger
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Welding: Residual Stresses. In: Ed. George E. Totten, Rafael Colas, Encyclopedia of Iron, Steel, and Their Alloys (Online Version). Boca Raton, CRC Press, 2016. 3767-3793. - eBook ISBN 9781466511057
M. Farajian, D. Siegele,
