Auswirkungen mechanischer Nachbehandlung auf die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen

Transkript

1 Auswirkungen mechanischer Nachbehandlung auf die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen Dr.-Ing. Imke Weich, MScE Ingenieursozietät Peil, Ummenhofer und Partner

2 Bedeutung der Schwingfestigkeit im Bauwesen Steigende Anforderungen an Stahlkonstruktionen Verlängerte Nutzungsdauern neuer und bestehender Konstruktionen Wachsende bzw. neue Beanspruchungen Reduzierung des Konstruktionsgewichts zur Kostensenkung: Einsatz höherfester Stähle Neue Herausforderungen an die Ermüdungsfestigkeit von Stahlkonstruktionen Eigenspannungsseminar Folie 2

3 Bauteilauslegung unter wechselnder Beanspruchung Konstruktions- und werkstoffbedingte Kerben bestimmen die Lebensdauer Schweißnahtübergängen Kerben mit hoher Kerbwirkung Spannungsspitzen: Schweißnahtkerben bestimmen die Lebensdauer Reduzierung der Kerbspannungen und Anhebung der lokalen Ermüdungsfestigkeit kann Lebensdauerverlängerung der gesamten Konstruktion ermöglichen Eigenspannungsseminar Folie 3

4 Einfluss von Kerben auf die Ermüdungsfestigkeit Mit zunehmender Kerbwirkung stark verringerte Ermüdungsfestigkeit gegenüber dem Grundmaterial höhere Kerbempfindlichkeit bei höherfesten Stählen Ermüdungsfestigkeit bei stark gekerbten Bauteilen unabhängig von der Werkstofffestigkeit Gurney, 1979 Eigenspannungsseminar Folie 4

5 Merkmale von Schweißnähten Kerbwirkung Strukturkerben: Konstruktionsdetails Makrokerben: Kerbradius, Nahtüberhöhung, unregelmäßige Nahtschuppung Mikrokerben: Einbrandkerben, Einschlüsse, Mikrorisse Eigenspannungsseminar Folie 5

6 Merkmale von Schweißnähten Eigenspannungen inhomogene Eigenspannungsverteilung durch den Schweißprozess Festigkeits- und Härteunterschiede in Grobkornzone: erhöhte Härte und geringere Zähigkeit geringere Festigkeit Ziel: Reduzierung der Kerbspannungen Anhebung der lokalen Ermüdungsfestigkeit Eigenspannungsseminar Folie 6

7 Schweißnahtnachbehandlungsmethoden Ausschleifen WIG- Nachbehandlung Hämmern Nadeln Höherfrequente Hämmerverfahren Kugelstrahlen Umformung des Nahtübergangs Reduzierung der Kerbwirkung Mechanische Randschichtverbesserung Verfestigung der Randschicht Erzeugung von Druckeigenspannungen Eigenspannungsseminar Folie 7

8 Reduzierung der Kerbwirkung Ausgangszustand: Erhöhte Kerbspannung am Natübergang Eigenspannungsseminar Folie 8

9 Reduzierung der Kerbwirkung Vergrößerung des Kerbradius Reduzierung des Nahtanstiegswinkels Reduktion der Beanspruchung Eigenspannungsseminar Folie 9

10 Plastische Verformung des Nahtübergangs Entfernen von Fehlstellen Bindefehler Eigenspannungsseminar Folie 10

11 Verfestigung und Druckeigenspannungen erhöhte Randschichthärte erhöhter Werkstoffwiderstand gegen Rissbildung Druckeigenspannungen Überlagerung mit Lastspannungen Verzögerung der Rissausbreitung Eigenspannungsseminar Folie 11

12 Verfestigung Verfestigung der Randschicht durch erhöhte Versetzungsdichte Generell: Messbar: mit zunehmender Werkstofffestigkeit erhöhter Widerstand gegen Rissbildung Erhöhte Versetzungsdichte führt zu erhöhtem Widerstand gegen Versetzungsbewegungen Abgleitprozesse werden verhindert erhöhte Randstreck- bzw. Randstauchgrenze erhöhte zyklische Streckgrenze Eigenspannungsseminar Folie 12

13 Überlagerung der Druckeigenspannungen mit Lastspannungen Zugbeanspruchung: Verzögerung der Rissbildung Verzögerung der Rissausbreitung Druckbeanspruchung Bauschingereffekt kann auftreten Verfestigung: Randschicht durch plastische Verformung gestreckt Druckeigenspannungen entgegen gerichtete Druckspannung führt zu Plastizieren bei niedrigerer Beanspruchung Eigenspannungsabbau erhöhte Randstauchgrenze kann Bauschingereffekt überdecken Eigenspannungsseminar Folie 13

14 Verfestigung und Druckeigenspannungen Kaltverfestigung oberflächennahe Druckeigenspannungen erhöhte Beanspruchbarkeit Eigenspannungsseminar Folie 14

15 Wirksamkeit von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren WIG, kugelgestrahlt Grundwerkstoff S690 WIG, kugelgestrahlt WIG Grundwerkstoff S52-3 WIG LBH [Heeschen,1986] Eigenspannungsseminar Folie 15

16 Wahl des Nachbehandlungsverfahrens Anwendungsfeld Fertigungsart Anwendbarkeit der Verfahren / Wirtschaftlichkeit Kerbdetail Beanspruchungsart Blechdicke Werkstoffgüte Mögliche Reduzierung der Kerbwirkung Erforderliche Tiefenwirkung Mit zunehmender Festigkeit zeigen mechanische Nachbehandlungsverfahren höhere Wirksamkeit Hier: Schwerpunkt auf mechanische Nachbehandlungsverfahren: Kugelstrahlen und höherfrequente Hämmerverfahren Eigenspannungsseminar Folie 16

17 Verfestigung: Kugelstrahlen Oberflächenverfestigung um bis zu 180 HV0,3 auf bis zu 400 HV0,3 Eigenspannungsseminar Folie 17

18 Eigenspannungen: Kugelstrahlen Oberflächeneigenspannungen S690 QL Tiefenverlauf Eigenspannungen [MPa] Quereigenspannungen Längseigenspannungen Abstand von der Nahtmitte [mm] Eigenspannungen [N/mm² S690QL quer längs 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Tiefe [mm] Gleichmäßige Oberflächeneigenspannungen Tiefenwirkung der Druckeigenspannungen bis 0,2 0,4 mm Tiefe Eigenspannungsseminar Folie 18

19 Abstand von Referenzpunkt [mm] Verfestigung bei einem normalfesten Stahl S355J2 Vickershärte HV0,3 S355J Abstand von Referenzpunkt [mm] Deutliche Randschichtverfestigung um bis zu 180 HV0,3 auf bis zu 400 HV0,3 Tiefenwirkung 0,3-0,4 mm Eigenspannungsseminar Folie 19

20 Verfestigung bei einem höherfesten Stahl S690QL Vickershärte HV0,3 S690QL Härtesteigerung durch hohe Grundhärte beschränkt Randschichtverfestigung um bis zu 100 HV0,3 auf bis zu 400 HV0,3 Tiefenwirkung 0,3-0,4 mm Eigenspannungsseminar Folie 20

21 Eigenspannungen: Höherfrequentes Hämmerverfahren Oberflächeneigenspannungen S690 QL Quereigenspannungen [N/mm²] HiFIT UIT unbehandelt Abstand von der Nahtmitte [mm] Längseigenspannungen [N/mm²] HiFIT UIT unbehandelt Abstand von der Nahtmitte [mm] Druckeigenspannungen im Bereich des Nahtübergangs Eigenspannungsseminar Folie 21

22 Eigenspannungen: Höherfrequentes Hämmerverfahren Tiefenverlauf der Eigenspannungen S690QL Quereigenspannungen [N/mm²] xx UIT quer UIT längs XRDd3_p ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Tiefe [mm] Tiefenwirkung der Druckeigenspannungen bis 1,5 mm Tiefe Eigenspannungsseminar Folie 22

23 Analyse des Rissverhaltens mit Infrarot-Thermographie mm 20 Lineare Temperaturamplitude Lineare Temperaturamplitude mm 20 Nichtlineare Temperaturamplitude Nichtlineare Temperaturamplitude mm mm Spannungsumlagerungen Spannungsspitzen Rissöffnen- und Rissschließen Plastizieren der Rissspitzen Eigenspannungsseminar Folie 23

24 Temperaturantwort eines unbehandelten Querstumpfstoßes (S690QL) Lineare Temperaturamplitude lin nlin ϑ [ K] Nichtlineare Temperaturamplitude [ ] A ϑ A K Geringe nichtlineare Temperaturamplituden an den Rissspitzen Plastizieren der Rissspitzen Änderungen des linearen Temperaturverhaltens Spannungsumlagerung bei Rissentstehung Eigenspannungsseminar Folie 24

25 Temperaturantwort eines UIT-behandelten Querstumpfstoßes (S690QL) Lineare Temperaturamplitude lin nlin ϑ A [ K] Nichtlineare Temperaturamplitudeϑ A [ K] Deutliche nichtlineare Temperaturamplituden an Rissspitzen und Rissflanken Druckeigenspannungen führen zu verstärkten Rissschließeffekten Geringe, sehr späte Änderungen des linearen Temperaturverhaltens durch Spannungsumlagerung bei Rissentstehung Lange Phase der kleinen Risstiefe mit wenig ausgeprägter Spannungsumlagerung Verlängerte Rissinitiierungsphase Reduzierte Rissfortschrittsgeschwindigkeit in der Randschicht Eigenspannungsseminar Folie 25

26 Lebensdauersteigerung bei normal- und hochfesten Stählen Höherfrequentes Hämmern 5-fach 10-fach Anhebung der Ermüdungsfestigkeit z. B. durch höherfrequente Hämmerverfahren Bei normalfesten Stählen geringere Wirksamkeit bei hohen im Vergleich zu geringeren Schwingbreiten (flacherer Wöhlerlinienverlauf) Eigenspannungsseminar Folie 26

27 Einfluss der Druckeigenspannungen Höhere Druckeigenspannungen bei höherfestem Stahl führen zu deutlich geringeren effektiven Zugspannungen Bei normalfestem Stahl Eigenspannungsabbau unter zyklischer Beanspruchung Eigenspannungsseminar Folie 27

28 Experimentelle Analyse zum Eigenspannungsabbau unter zyklischer Nennbeanspruchung nahe der Kurzzeitfestigkeit S355J2; R e =419 N/mm² σ R =288 N/mm², R=0,1 S690QL ; R e =819 N/mm² σ R =405 N/mm², R=0,1 Quereigenspannungen [N/mm²] LW 1 LW 10 LW 100 LW LW LW Quereigenspannungen [N/mm²] LW 1 LW LW Abstand von der Nahtmitte [mm] Abstand von der Nahtmitte [mm] Eigenspannungsabbau bei hoher Beanspruchung Kein Eigenspannungsabbau Eigenspannungsseminar Folie 28

29 Einfluss der Verfestigung der Randschicht S690QL HiFIT-/ UIT-behandelte, zusätzlich reinigungsgestrahlte Querstumpfstöße Zusätzliche Verfestigung Höhere Ermüdungsfestigkeit bei größerer Streuung Lebensdauerverlängerung durch Verfestigung Eigenspannungsseminar Folie 29

30 Kugelstrahlen S690QL Kugelgestrahlte Querstumpfstöße Druckeigenspannungen und Verfestigung Höhere Ermüdungsfestigkeit, große Streuung Eigenspannungsseminar Folie 30

31 Einfluss der Nahtgeometrieveränderung durch Höherfrequente Hämmerverfahren S690QL HiFIT-/ UIT-behandelte und anschließend spannungsarmgeglühte (SAG) Querstumpfstöße Bruchlastspielzahlen im Streuband unbehandelter Proben Kein Einfluss der Kerbgeometrieveränderung Eigenspannungsseminar Folie 31

32 Einschränkung der Wirkung von Verfestigung und Druckeigenspannungen Verfestigung und Druckeigenspannungen müssen am Rissausgangsort wirken Bindefehler Wurzelkerbe Längsrippen: Schweißnähte weisen Bindefehler auf Eigenspannungsseminar Folie 32

33 Einfluss der Nahtgeometrieveränderung S690QL HiFIT-/ UIT-behandelte Längsrippen Geschliffene, Deutliche Kugelgestrahlte Steigerung der Ermüdungsfestigkeit bzw. HiFIT-/ UIT-behandelte durch HiFIT/UIT Längsrippen Bindefehler Kugelstrahlen werden erzeugt durchs keine Hämmern Nahtgeometrieveränderung entfernt Druckeigenspannungen am können Kerbgrund nicht den Kerbgrund erreichen Eigenspannungsseminar Folie 33

34 Zusammenfassung Schweißnähte stark gekerbte Bauteile Erhöhte Kerbwirkung und reduzierte Ermüdungsfestigkeit Erforderlich: ermüdungsgerechtes Konstruieren Spannungsspitzen: Schweißnahtkerben bestimmen die Lebensdauer Einsatz von Schweißnahtnachbehandlungsmethoden Reduzierung der Kerbwirkung und Anhebung der lokalen Ermüdungsfestigkeit Eigenspannungsseminar Folie 34

35 Zusammenfassung Mechanische Nachbehandlungsmethoden: Erzeugen Randschichtverfestigung und Druckeigenspannungen Deutliche Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen Mit zunehmender Werkstofffestigkeit größerer Einfluss der Druckeigenspannungen zunehmende Ermüdungsfestigkeit nachbehandelter Schweißverbindungen mit zunehmender Werkstofffestigkeit Wirtschaftlicher Einsatz höherfester Stähle bei ermüdungsbeanspruchten Bauteilen möglich Voraussetzung: Nachbehandlung muss Rissausgangsort erreichen Zusätzliche geometrische Verbesserung der Schweißnähte kann eine weitere Anhebung der Ermüdungsfestigkeit ermöglichen Bis zu 100 % höhere Ermüdungsfestigkeit bzw. 5- bis 15-fache Lebensdauer erzielbar Eigenspannungsseminar Folie 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Promotionsvortrag von Dipl.-Ing. Imke Weich, MScE