Ermüdungsverhalten kranbautypischer Details aus ultrahochfesten Stählen unter Berücksichtigung des höherfrequenten Hämmerns

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1 Ermüdungsverhalten kranbautypischer Details aus ultrahochfesten Stählen unter Berücksichtigung des höherfrequenten Hämmerns Jörn Berg M.Sc. Jugend Forscht und Schweisst SLV Duisburg, 01. Dezember 2011

2 Inhalt Problemstellung Stand der Technik Höherfrequentes Hämmern Existierende Untersuchungen an hochfesten Stählen Zielsetzung der geplanten Untersuchungen Ermüdungsversuche Universität Duisburg-Essen Versuchskörper Versuchsparameter Versuchsdurchführung Auswertung der Versuchsergebnisse Numerische Simulationen Universität Duisburg-Essen Zusammenfassung / Ausblick Jörn Berg M.Sc. 1/2

3 Problemstellung Einsatz ultrahochfester Stähle S960 und S1100 im Mobilkranbau zur Gewichtsoptimierung und Kostenreduktion Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit der stark ermüdungsbeanspruchten Bauteile durch Höherfrequentes Hämmern Jörn Berg M.Sc. 2/2

4 Höherfrequentes Hämmern Höherfrequentes Hämmern UltraSonic Impact Treatment High Frequency Impact Treatment Pneumatic Impact Treatment Plastische Eindrückungen an der Werkstoffoberfläche Verringerung der Kerbschärfe Induktion von Druckeigenspannungen Aufhärtung der Randschicht Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit Jörn Berg M.Sc. 3/2

5 Existierende Untersuchungen an hochfesten Stählen Quersteife Längssteife S690 t = 12 mm R = 0,1 S690 t = 16 mm R = 0,1 + 9 % 21 N/mm 2 (m =,0) 168 N/mm 2 (m =,2) + 93 % 21 N/mm 2 (m = 3,7) 111 N/mm 2 (m = 3,0) P 620 (2006) REFRESH (2010) Jörn Berg M.Sc. /2

6 Existierende Untersuchungen an hochfesten Stählen Stumpfstoß XABO 1100 t = 10 mm R = % 310 N/mm 2 16 N/mm 2 Gerster, P.(2008), Verlängerung der Lebensdauer von Schweißkonstruktionen durch die UIT-Technologie, Duisburger Schweißtage 2008 Jörn Berg M.Sc. /2

7 Existierende Untersuchungen an hochfesten Stählen Stumpfstoß DOMEX 960 t = 6 mm R = 0,1 +67 % 3 N/mm N/mm 2 Weidner, P., Ummenhofer, T. (2010), Increase of the fatigue life of LCFstressed super-high strength steels, , Peschiera del Garda Jörn Berg M.Sc. 6/2

8 Zielsetzung der geplanten Untersuchungen Uni Duisburg-Essen KmU-Kurzstudie P 938 Einfluss des Höherfrequenten Hämmerns auf die Ermüdungsfestigkeit ultrahochfester Stähle der Festigkeitsklassen S960, S1100 und S1300 am Beispiel geschweißter Kerbdetails Kranbautypische Kerbdetails des Mobilkranbaus Aufgeschweißte Längssteife, Aufgeschweißte Quersteife, Aufgeschweißte Lamelle, Stumpfstoß mit/ohne Blechdickensprung 120 Versuchskörper Low Cycle Fatigue Bereich ca Lastwechsel Wöhlerkurven, statistische Auswertung Jörn Berg M.Sc. 7/2

9 zusätzlich bei S1100: Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchskörper Längssteife Quersteife 60 t [mm] Stumpfstoß mit/ohne Blechdickensprung 700 Lamelle t t t t 100 t 80 0 S960 t = 7, mm AW / PIT S1100 t = 6 mm AW / PIT S1300 t = mm AW / PIT S960 t = 7, mm AW / PIT S1100 t = 6 mm 10 AW / 10 PIT S1300 t = mm AW / PIT [mm] S960 t = 7, mm AW / PIT S1100 t = 6/8 mm 6 AW / PIT [mm] S960 t = 7, mm AW / PIT S1100 t = 6 mm AW / PIT S1300 t = mm AW / PIT [mm] Jörn Berg M.Sc. 8/2

10 Nummer / 10 / 10 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchsparameter Kerbdetail Längssteife Quersteife Lamelle Stumpfstoß mit / ohne Blechdickensprung Stahlgüte S960 S1100 S1300 S960 S1100 S1300 S960 S1100 S1300 S960 S1100 Blechdicke [mm] 7, 7, 6 6 7, 7, 6 6 7, 7, 6 6 7, 7, 7, 7, Nachbehandlung AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern AW H. Hämmern R [-] 0,1 Frequenz [Hz] -8 Δσ [N/mm²] Alle Prüfkörper in Vorbereitung laufend gefertigt In Fertigung laufend abgeschlossen Jörn Berg M.Sc. 9/2

11 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchskörperherstellung Schablonen Längssteife Schablonen Quersteife 6 mm 6 mm 7, mm 7, mm Schablone Lamelle Jörn Berg M.Sc. 10/2

12 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchskörperherstellung Anlieferung Wasserstrahlschnitt Stumpfstoß mit Blechdickensprung 700 Versuchskörper Jörn Berg M.Sc. 11/2

13 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchskörper / Stumpfstoß Schweißparameter Stumpfstoß: Schweißnahtvorbereitung V-förmig mit 0 Nahtöffnungswinkel (2 2 ), Wurzel ausgeräumt und Gegenlage geschweißt, Schweißzusatz: Union X90; 1,0 mm, Schutzgas: M21; ca. 12 ltr./min, Vorwärmtemperatur: ca. 80 C, Zwischenlagentemperatur: < 120 C, Schweißstrom: ca. 200 A, Spannung: ca. 27 V, Schweißgeschwindigkeit: 0 cm/min, Schweißnaht röntgen- und oberflächenrissgeprüft. 8 mm Stumpfstoß mit Blechdickensprung Decklage 6 mm Decklage s w = 6,3 ϕ ϕ = ϕ+ ϕ 1 2 ϕ 2 ϕ 1 = 17,03 ϕ 1 h Gegenlage 8.0 α 6.0 α = 0 [mm] Jörn Berg M.Sc. 12/2

14 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchskörper / Winkelverzug Winkelmessung α t 1 t 2 Versuchsserie Stahlsorte Winkelverzug α vor Nachbehandlung[ ] Winkelverzug α nach Nachbehandlung[ ] Stumpfstoß 1 S1100 2,8,2 2,0 3,0 Stumpfstoß 2 S1100 0,3 1, - Stumpfstoß 3 S1100 0,7 1,8 - Stumpfstoß 1 α =,0 Stumpfstoß 2 α = 0,3 Jörn Berg M.Sc. 13/2

15 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchskörper / Nachbehandlung PIT-Behandlung Plastische Eindrückungen am Nahtübergang Jörn Berg M.Sc. 1/2

16 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchsdurchführung [mm] ΔF Einspannbacken Prüfkörper 1,6 MN servohydraulische Druck-/Zug-Prüfmaschine (Schenck) Jörn Berg M.Sc. 1/2

17 Dauerschwingversuche Uni DuE Versuchsergebnisse 2 Spannungsschwingbreite Δσ [N/mm ] Wöhlerdiagramm EC 3 - Kerbfallklasse 1 (0,72) 71 As Welded (m = 3,0) As Welded *) PIT (m =,78) 1 1 3,0 m = 3,78 ΔN Δσ = 1-fach m = 3 ΔN A m =,78 t 2 t 1 XABO 1100 t = 6 mm t = 8 mm R = 0,1 98-fach Δσ C = 160 N/mm 2 Δσ C = 1 N/mm 2 Δσ C = 7 N/mm ,-fach α ΔN P = 0 % Ü α = 2,0-3,0 P = 9 % Ü α = 3,7 -,2 P = 0 % Ü P = 9 % Ü *) Nicht in der Wöhlerlinienauswertung berücksichtigt Schwingspielzahl N [-] 2 10 Jörn Berg M.Sc. 16/2

18 Ermüdungsversuche Uni DuE Versuchsergebnisse Spannungsschwingbreite Δσ [N/mm ] 100 Wöhlerdiagramm Berücksichtigung des Winkelverzugs α gemäß IIW 1) EC 3 - Kerbfallklasse 1 (0,72 71) As Welded - IIW (m = 3,0) As Welded *) PIT - IIW (m = 7,3) *) Nicht in der Wöhlerlinienauswertung berücksichtigt Schwingspielzahl N [-] ) IIW Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components 1 1 3,0 7,3 m = 3 m = 3 ΔN Δσ = ΔN A m = 7,3 Δσ C = 2 N/mm 2 Δσ C = 10 N/mm 2 Δσ C = 1 N/mm 2 t 2 t 1 α = 2,0-3,0 1,8-fach XABO 1100 t = 6 mm t = 8 mm R = 0,1 1 2 α ΔN Jörn Berg M.Sc. 17/2 P = 0 % Ü P = 9 % Ü P Ü = 0 % P Ü = 9 % α = 3,7 -,2

19 Numerische Simulationen Uni DuE Lastschritt LS 1 LS 2 LS 3 LS s Beschreibung Zentrische Zugkraft auf perfekte Struktur (100 kn) Einspannen der imperfekten Struktur in die Prüfmaschine Einspannen der imperfekten Struktur in die Prüfmaschine und zentrische Zugkraft (100 kn) Versatz der neutralen Achse um 1 mm durch zentrisches Einspannen der perfekten Struktur in die Prüfmaschine w = 6,3 ϕ ϕ = ϕ 1 + ϕ 2 ϕ 2 ϕ 1 = 17,03 ϕ 1 h KHS[ ] 2,9 2,7 2, 2,3 2,1 1,9 1,7 Parameterstudie: - Nahtübergangswinkel ϕ, - Nahtöffnungswinkel α, - Blechdickenverhältnis t 1 /t 2, - Winkelverzug β. 20 Elemente 30 Elemente Konvergenzstudie 10 Elemente 6 Elemente Elemente 2 Elemente 1, 0,00 0,0 0,10 0,1 0,20 0,2 0,30 Elementgröße [mm] t 1=8 mm t 2 =6 mm α=2 ϕ = 28 t 1 α t 2 α = 0 β [mm] Jörn Berg M.Sc. 18/2

20 Numerische Simulationen Uni DuE Lastschritte Zentrische Zugkraft auf perfekte Struktur (100 kn) 100 kn 100 kn σ 1 = 06, N/mm² σ 1 = 06, N/mm² σ 1 = 218,2 N/mm² σ 1,HS K HS = σ = 2,3 N t1 = 8 mm t2 = 6 mm ϕ = 28 α = 0 β = Jörn Berg M.Sc. 19/2

21 Numerische Simulationen Uni DuE Lastschritte Einspannen der imperfekten Struktur in die Prüfmaschine ( Winkelverzug) σ x = 329,0 N/mm² σ 1 = 33,7 N/mm² σ x = - 238, N/mm² t1 = 8 mm t2 = 6 mm ϕ = 28 α = 0 β = Jörn Berg M.Sc. 20/2

22 Numerische Simulationen Uni DuE Lastschritte Einspannen der imperfekten Struktur in die Prüfmaschine ( Winkelverzug) und zentrische Zugkraft (100 kn) 100 kn 100 kn σ x = 919,2 N/mm² σ 1 = 9,6 N/mm² σ x = - 131,0 N/mm² σ 1,HS K HS = σ =,9 N t1 = 8 mm t2 = 6 mm ϕ = 28 α = 0 β = Jörn Berg M.Sc. 21/2

23 Numerische Simulationen Uni DuE Lastschritte Versatz der neutralen Achse um 1 mm durch zentrisches Einspannen der perfekten Struktur in die Prüfmaschine σ x = - 18,6 N/mm² 1 mm σ 1 = 0 N/mm² σ x = 1,1 N/mm² t1 = 8 mm t2 = 6 mm ϕ = 28 α = 0 β = 0 Jörn Berg M.Sc. 22/2

24 Numerische Simulationen Uni DuE - Ergebnisse Beispiel Versuchskörper 11-S- t1 = 8 mm t2 = 6 mm ϕ = 28 α = 0 β = F = 100 kn Anteil der Lastschritte am Kerbspannungszustand LF 1 06, N/mm 2 (3,0 %) LF 2 33,7 N/mm 2 (3,1 %) α t 1 t 2 Th. II. Ordnung-Effekt 113, N/mm 2 (11,9 %) S 1 = 9,6 N/mm² ϕ ~ 28 Jörn Berg M.Sc. 23/2

25 Numerische Simulationen Uni DuE Parameterstudie Nahtübergangswinkel ϕ Nahtöffnungswinkel α K HS [-] K HS [-] 2,90 2,70 2,0 2,30 2,10 1,90 t 1 =8 mm IML t 2 =6 mm 1,70 α=2 P778 1, ) FOSTA Projekt P778 Winkel ϕ [ ] s Blechdickenverhältnis t 1 /t 2,0,00,0,00 3,0 3,00 2,0 2,00 1,0 1,00 α = 0 ϕ = 0 t 1 1,00 1,20 1,0 1,60 1,80 2,00 2,20 t 1 /t 2 [ ], t 2 = konstant; t 1 = variabel 1 ) t2=6; t1=6 12mm t2=8; t1=8 12mm t2=12; t1=12 2mm K HS = σ HS σ N ϕ 2 ϕ = ϕ 1 + ϕ ϕ 1 ϕ 1 α β h t 2 K HS [-] 0,0 2,90 2,70 2,0 2,30 2,10 [mm],0 K HS [-] 1,90 t 1 =8 mm j=0 ϕ = 28 1,70 t 2 =6 mm j=28 ϕ = 0 1, ,0 3,0 2,0 1,0 0,0 t 1 =8 mm t 2 =6 mm ϕ = 28 α = 0 Winkel α [ ] Winkelverzug β LF2 LF Winkel β [ ] Jörn Berg M.Sc. 2/2

26 Zusammenfassung / Ausblick Steigerung der Ermüdungsfestigkeit am Beispiel der Stumpfnaht mit Blechdickensprung aus S1100 durch Höherfrequentes Hämmern Einfluss des Winkelverzuges auf den Spannungszustand sowohl experimentell als auch numerisch erkennbar Weitere Details Quersteife Stumpfstoß Lamelle Längssteife Jörn Berg M.Sc. 2/2