Eigenspannungsabbau bei schwingbeanspruchten Schweißverbindungen aus hochfesten Stählen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde die Stabilität bzw. der Abbau schweißbedingter Eigenspannungen unter quasistatischer sowie unter zyklischer Einstufenbeanspruchung untersucht. Neben dem Versuch einer grundsätzlichen Klärung der Abhängigkeit des Eigenspannungsabbaus von deren Ausgangshöhe und von den Beanspruchungsbedingungen ist diese Aufgabe auch von großer praktischer Bedeutung. Einerseits sind Annahmen bezüglich der Wirksamkeit von Eigenspannungen für die Schwingfestigkeit in bestehenden Regelwerken bereits konkret enthalten, andererseits bestehen bezüglich der vom Abbauverhalten abhängigen realen Wirkung der Eigenspannungen nach wie vor große Unsicherheiten. Im Projekt wurde versucht, ein repräsentatives Spektrum schweißbarer Baustähle zu berücksichtigen, da der Eigenspannungsabbau erheblich von der Zugfestigkeit des Ausgangswerkstoffes abhängig ist. Dies konnte durch die Untersuchung von Baustählen mit Streckgrenzen von 300...1200 MPa realisiert werden, da hiermit die Festigkeitsgrenzen dieser Werkstoffgruppe vollständig abgedeckt sind. Ein wesentliches Problem besteht bei solchen Untersuchungen darin, realitätsnahe Eigenspannungszustände in Prüfkörpern zu erzeugen, die systematischen Laboruntersuchungen zugänglich sind. Um eine sichere Datenbasis zu gewährleisten wurden deshalb systematische Versuche im Laborprobenmaßstab sowie Proben an bauteilnahen Versuchskörpern durchgeführt. Die Laborproben erlaubten eine große Variation der Versuchsparameter, an den Bauteilproben konnten gezielte Versuche an realitätsnahen Ausgangseigenspannungszuständen, wie sie in Schweißkonstruktionen zu erwarten sind, durchgeführt werden. Die wichtigsten Ergebnisse 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 Probenform treten die höchsten Eigenspannungen grundsätzlich in der Nahtmitte (Quereigenspannungen) oder aber im Grundwerkstoff (Längseigenspannungen) auf. Diese Erkenntnis steht in Einklang mit früheren eigenen Untersuchungen und in der Literatur beschriebenen Mechanismen der Eigenspannungsentstehung beim Schweißen. 2. Die Zugeigenspannungen erreichen nur in Ausnahmefällen die Grundwerkstoffstreckgrenze. In Bauteilproben ist generell ein höheres Eigenspannungsniveau vorzufinden, weil der Einspannzustand der Proben zu einem zusätzlichen (sogenannten globalen) schrumpfungsbedingten Eigenspannungsanteil führt, der nicht vom lokalen Zusammenwirken von Schrumpfungsbehinderung und behinderter Volumenausdehnung bei der Phasenumwandlung in der Schweißnaht, sondern nur von erreichten Temperaturniveau und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und damit weniger vom Stahltyp abhängt. Dieser Eigenspannungsanteil nimmt mit der Einspannlänge naturgemäß ab. 3. Auch bei Bauteilproben treten die höchsten Zugeigenspannungen generell nicht am Ort des erwarteten Versagens bei Schwingbeanspruchung, am Nahtübergang, sondern in der Nahtmitte auf. Bei Kleinproben liegt das Verhältnis zwischen höchsten Zugeigenspannungen und Streckgrenze ca. bei 0.6, bei Bauteilproben werden durchschnittlich 0.8 erreicht. 4. Wie die Synchrotron- und Neutronenbeugungsexperimente gezeigt haben, ist das Maximum der Schweißeigenspannungen in der Naht und der angrenzenden WEZ auf die oberflächennahen Werkstoffbereiche beschränkt. Zum Werkstückinneren fallen diese deutlich ab und erreichen wesentlich geringere durchschnittliche Beträge. 5. Der Eigenspannungsabbau vollzieht sich bei allen untersuchten Werkstoffen überwiegend quasistatisch während der Erstbeanspruchung. Der Eigenspannungsabbau orientiert sich dabei an der um den Ausgangseigenspannungsbetrag reduzierten örtlichen Streckgrenze. Überschreitet die örtliche Lastspannung diesen Wert, so führen die auftretenden Plastizierungen zu einem Eigenspannungsabbau, der der Differenz zwischen eigenspannungsabhängiger Streckgrenze und örtlicher Lastspannung proportional ist. Maßgebend hierfür ist die aus beiden Eigenspannungskomponenten gebildete v’Mises-Spannung. 6. Ein fortgesetzter zyklischer Eigenspannungsabbau ist nur vereinzelt und nicht systematisch zu beobachten. Er tritt vor allem bei höheren Beanspruchungsamplituden im LCF-Bereich merklich auf. Die Untersuchungsergebnisse lassen vermuten, dass eine nachhaltige Verringerung vorhandener Ausgangseigenspannungen unter praktischen Bedingungen durch eine einmalige anfängliche Überbeanspruchung mindestens genauso wirkungsvoll zu erzielen ist, als durch eine ungleich aufwendigere Glühbehandlung, deren Erfolg aufgrund der in der Regel unbekannten Ausgangseigenspannungen 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. Es wäre wünschenswert, diese Kenntnisse unter betriebsnahen Beanspruchungen unter Einbeziehung unterschiedlicher Schweißnahtgeometrien und mehrachsiger Beanspruchungsverhältnisse zu erweitern und zu konsolidieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Residual Stress Relaxation in Welded Joints under Static and Cyclic Loading, Proc. of the 8th International Conference on Residual Stresses, Denver, USA, 6-8 August 2008
M. Farajian, Th. Nitschke-Pagel, K. Dilger
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Mechanisms of Residual Stress Relaxation and Redistribution in Welded High Strength Steel Specimens under Mechanical Loading, Journal of Welding in the World, Vol. 54, No 11/12, 2010, pp. 366-374
M. Farajian, Th. Nitschke-Pagel, K. Dilger
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Residual Stress Relaxation in Welded Large Scale Components, IIW-Document, XIII-2342-10, 2010
Farajian M., Nitschke-Pagel Th., Dilger K.
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Residual Stress Relaxation of Quasi-statically and Cyclically Loaded Welding High Strength Steels, Journal of Welding in the World, International Institute of Welding , Vol. 54, No 1/2, 2010, pp. 49- 60
Farajian M., Nitschke-Pagel Th., Dilger K.
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Stability and Relaxation of Welding Residual Stresses, 8th European Conference on Residual Stresses, Trento, Italy, 2010
Farajian M., Nitschke-Pagel Th., Dilger K.
