Fatigue of Welded Connections at Hot Finished Higher Strength or High Strength Hollow Sections

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1 Fachaufsatz Ermüdung Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen wissenschaftlich begutachteten und freigegebenen (peer reviewed) Fachaufsatz. B. Kranz, J. Herrmann, R. Baum, B. Straetmans Ermüdung von Schweißverbindungen höher- und hochfester warmgefertigter nahtloser Stahlbauhohlprofile MSH Fatigue of Welded Connections at Hot Finished Higher Strength or High Strength Hollow Sections Inhalt: Dauerfestigkeit geschweißter Hohlprofilkonstruktionen ist für viele Anwendungen im Maschinenbau relevant. Für Schweißverbindungen höher- und hochfester Hohlprofilwerkstoffe gibt es aber nur eine begrenzte Anzahl verfügbarer Angaben. Ziel der vorliegenden Untersuchung an drei höher- und hochfesten Werkstoffen ist die Ermittlung von Wöhlerlinien bei unterschiedlichen Verarbeitungsrandbedingungen. Konkret wurden dazu konventionelle MSG Schweißverbindungen an bauteilähnlichen Proben ohne und mit sowie mit und Vorwärmen hergestellt und Ermüdungsversuchen unterzogen. Konstrukteuren und Verarbeitern dienen diese als weitere Referenz zur optimalen Nutzung der vorgestellten Verbindungen und Werkstoffe. Abtract: Fatigue strength of welded hollow section designs is relevant for many applications in machine construction. For welded connections of higher strength or high strength hollow sections only a limited amount of data is available. Objective of the present research on three higher strength or high strength steel grades is the determination of Wöhler curves for different boundary conditions for processing. In practice components of conventionally GMAW welded-connections had been manufactured, without weld preparation, with weld preparation and with weld preparation and preheating subsequently a fatigue test was done. Results serve designers and manufacturers as additional reference for optimized use of the presented joints and steel grades. 1 Einleitung Autoren Dr.-Ing. Bernd Kranz Dipl.-Ing. Jörg Herrmann Dipl.-Ing. Ronny Baum alle: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt GmbH Köthener Straße 33a, Halle (Saale) Dipl.-Ing. Boris Straetmans Vallourec Deutschland GmbH Theodorstr. 109, Düsseldorf Seit Jahrzehnten haben sich höherund hochfeste warmgefertigte nahtlose Hohlprofile (vgl. Bild 1) in verschiedenen Bereichen des Maschinen- und Stahlbaus bewährt. Dabei handelt es sich um warmgewalzte oder oberhalb von etwa 500 N/mm2 zusätzlich gehärtete und angelassene Werkstoffe [1], die verfahrensbedingt über den gesamten Querschnitt homogene Eigenschaften aufweisen. Die pren 10210:2016 [2] reflektiert, mit einem erheblich erweiterten Werkstoffspektrum, die zunehmende Nachfrage nach solchen Werkstoffen. Die Herstellart garantiert Konstrukteuren dabei eine sichere Berechnungsgrundlage und bietet für Verarbeitungsbetriebe kalkulierbar gleichbleibende Randbedingungen, z. B. hinsichtlich der geringen Eigenspannungen und damit geringem Verzug. Mit Bezug auf die Anzahl von Lastspielen teilt man die Ermüdungsfestigkeit grob in drei Teilbereiche ein. Festigkeiten, die sich bei geringeren Lastspielzahlen einstellen, werden der Kurzzeitfestigkeit zugeordnet. Bei Lastspielzahlen ab ca spricht man von Zeitfestigkeit. Die Dauerfestigkeit hingegen charakterisiert die Festigkeit, bei der theoretisch eine unendliche Anzahl von Lastspielen aufgebracht werden kann, ohne dass eine Schädigung entsteht. Die Schweißnahtausführung hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Festigkeit in diesen drei Bereichen. Im Bereich der Kurzzeitfestigkeit sind die Auswirkungen der Schweißnahtausführung durch diverse Forschungsvorhaben, wie z. B. [3], [4], [5] belegt und auch in Normen wie [6] abgebildet. Hier profitieren Bauteile aus hochfesten Stählen in besonders hohem Maße von der nominal höheren Mindeststreckgrenze, da die Bauteile dadurch auch auf einem höheren Spannungsniveau (Mittelspannung) belastet werden können. Entsprechende Forschungsergebnisse flossen in den vergange- 76 Konstruktion Januar/Februar 01/

2 Ermüdung Fachaufsatz Bild 1 Herstellung Hohlprofile Bild 2 Beispielknoten nen Jahren in die Überarbeitung der EN [6] ein. Daneben sind oft auch Zeit- und Dauerfestigkeitseigenschaften von Interesse, wenn praktisch keine quasistatische Belastung mehr vorliegt. Die EN [7] regelt dafür die Ermüdungsbemessung im bauaufsichtlichen Umfeld für Schweißverbindungen an normalfesten Stählen und Standardschweißdetails. Daneben werden oft die FKM-Richtlinie [8] sowie IIW-Empfehlungen wie z. B. [9] als Referenzen herangezogen. Um den Geltungsbereich der EN langfristig bzgl. höher- und hochfester Werkstoffe und Abmessungen zu erweitern, wurden bereits verschiedene Forschungsvorhaben durchgeführt z. B. [4, 10, 11]. Für hochfeste Hohlprofile gibt es derzeit hingegen nur eine begrenzte Anzahl verfügbarer Daten, weshalb hier entsprechende Versuchsreihen angelegt wurden. Bei dieser Untersuchung wurden für einen X-Knoten abmessungsgleicher Hohlprofile (vgl. Bild 2), unter Variation von und Verarbeitungsbedingungen, Wöhlerlinien für drei Werkstoffe ermittelt. Anhand der durchgeführten Versuche an bauteilähnlichen Proben wird eindrucksvoll gezeigt, welche Bedeutung der gewissenhaften Planung und Ausführung von Schweißverbindungen mit Blick auf die Ermüdungsfestigkeit zukommt. Zudem werden Hinweise gegeben, mit welchen Nahtausführungen höhere Ermüdungsfestigkeitskennwerte erzielt werden und wie groß diese sein können. 2 Proben und Werkstoffe Als Abmessung für die bauteilähnlichen Proben wurde einheitlich der Querschnitt 100 x 100 x 8 mm gewählt, da diese Abmessung in Rahmenkonstruktionen verbreitet Anwendung findet. Mit Bezug auf reale Konstruktionen, wurde als allgemeines Detail ein T-Stoß gleicher Querschnitte ausgewählt. Zudem wurde die Lasteinleitung bewusst ungünstig nah an der Schweißnaht gewählt. Eine solche Ausführung ist aufgrund geometrischer Restriktionen verbreitet und wurde entsprechend als relevant eingeordnet. Werkstoff Lieferzustand Gefüge (Maßstab bei Forterior 620 ebenfalls 50 µm) R eh / R p0,2 [N/mm²] Zugversuch R m [N/mm²] A [ % ] Kerbschlageigenschaften Prüftemp. KV [ C] [J] Forterior 500 warmgewalzt Forterior 620 gehärtet & angelassen (+QT) FineXcell 690 gehärtet & angelassen (+QT) Tabelle 1 Werkstoffeigenschaften Konstruktion Januar/Februar 01/

3 Fachaufsatz Ermüdung Werkstoff Ohne Mit Verarbeitung Mit und optimiertem Nahtverlauf Mit und Vorwärmen (Maßstab 2mm) (Maßstab 5mm) (Maßstab 5mm) (Maßstab 5mm) Forterior Proben 6 Proben - 6 Proben Forterior Proben - 6 Proben - FineXcell Proben Tabelle 2 Versuchsmatrix Das hier vorgestellte Versuchsprogramm umfasste die Werkstoffe Forterior 500, Forterior 620 und FineXcell 690. Die beiden erstgenannten standen dabei im besonderen Fokus, da für sie noch keine Ermüdungsfestigkeitskennwerte verfügbar waren. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die verwendeten Werkstoffe und ihre mechanisch-technologischen Eigenschaften. Die Gefügebilder (Tabelle 1) zeigen für den Forterior 500 eine ferritisch-perlitische Struktur, wie Sie für warmgewalzte Stähle dieser Art üblich ist. Im Gegensatz dazu führt das Härten und Anlassen, in Verbindung mit geeigneten Legierungsbestandteilen, beim Forterior 620 & FineXcell 690 zu einer Kornfeinung mit positiver Auswirkung auf Zähigkeit und Streckgrenze. 3 Schweißen Die später für die Ermüdungsversuche verwendeten bauteilähnlichen Proben bestanden aus 500 mm langen Profilstücken, in die quer ein 150 mm langes Profilstück gleichen Querschnitts eingesetzt und mittels Schweißen verbunden wurde. Die Werkstoffe Forterior 500 und FineXcell 690 wurden dabei in den Profilecken geheftet. Der Werkstoff Forterior 620 dagegen wurde mit veränderten Heftpunkten und einem angepassten Schweißnahtverlauf hergestellt. Das Ablängen der Profile für eine Verarbeitung ohne Schweißnahtvorbereitung erfolgte mittels Sägeschnitt. Bei den Versuchsreihen mit Schweißnahtvorbereitung für Stumpfnaht und Kehlnaht waren verschiedene en erforderlich. Die Profile für die mehrlagigen Schweißungen wurden mechanisch bearbeitet, um einen Öffnungswinkel von 45 mit einer Steghöhe von 1 mm für die Kehlnaht bzw. einen Flankenwinkel von 25 für die Stumpfnaht im Schweißbereich realisieren zu können. Zum sicheren Schweißen der Nahtwurzel der Kehlnaht wurde ein Spalt von 2 3 mm eingestellt. Bei den ein- bzw. zweilagigen Schweißungen, die ohne ausgeführt wurden, lagen die Spaltmaße zwischen 0,5 und 1,0 mm. Alle Proben wurden mittels konventionellem MSG-Schweißen unter Verwendung der Schweißstromquelle Alpha Q 551 (EWM) als teilmechanische Schweißung hergestellt. Für zwei Versuchsreihen erfolgte das dabei vorgesehene Vorwärmen autogen mit der Acetylen-Sauerstoff-Flamme zwischen C. Die Profile sowohl mit als auch ohne wurden unter Verwendung eines Schutzgases (EN ISO M21 ArCO 2 18) mit folgenden Schweißzusätzen gefügt: Massivdraht Ø 1,2 mm/ EN ISO A - G62 5 M21 Mn3Ni1Mo (Forterior 500 /Forterior 620) Massivdraht Ø 1,2 mm/ EN ISO A - G69 4 M21 Mn3NiCrMo (FineXcell 690) Tabelle 2 stellt die Versuchsmatrix mit den jeweiligen Maßnahmen hinsichtlich und Wärmeführung sowie jeweils eines Makroschliffs einer ausgeführten Naht dar. Durch die wurde ein Vollanschluss der Kehlnahtverbindung erreicht (Bild 3). Die Schweißverbindung kann damit als HV-Naht mit aufgesetzter Kehlnaht charakterisiert werden. Die Stumpfnähte an der Eckrundung können den Sondernahtformen zugeordnet werden. So kann die Stumpfnaht ohne als aufgeweitete HY-Naht definiert werden und bei einer 2-lagigen Schweißnaht mit Wurzelspalt ist ein Vollanschluss möglich (Bild 3, links). Mit einer kann die Schweißverbindung als aufgeweitete Y-Naht bezeichnet werden. Durch den größeren Nahtöffnungswinkel ist dabei einerseits mehr Schweißgut einzubringen, andererseits lassen sich gleichmäßigere und damit günstigere Nahtübergänge realisieren (Bild 3, rechts). 4 Ermüdungsversuche Nachdem sechs Versuchsreihen mit je sechs Proben unter kontrollierten Randbedingungen vorbereitet und geschweißt waren, wurden Sie nachfolgend mittels 4-Punkt-Biegung, s. Bild 4, zyklisch belastet und die Wöhlerlinien bei einem konstanten Spannungsverhältnis (Unter- zu Oberspannung) von R = 0,1 mit dem Perlschnurverfahren erstellt. Die Proben einer Versuchsreihe wurden mit unterschiedlichen Oberlasten geprüft und die Anzahl der ertragenen Schwingspiele N bis zum technischen Anriss (Risstiefe ca. 1 mm) registriert (Bild 5). Das Ab- 78 Konstruktion Januar/Februar 01/

4 Ermüdung Fachaufsatz Bild 3 Makroschliff Stumpfstoß an der Eckrundung. Linkes Bild: ohne, rechtes Bild: mit Bild 4 Versuchsaufbau Bild 5 Versagenszustand (Anriss) Konstruktion Januar/Februar 01/ schaltkriterium für einen Probenbruch wurde als Wegänderung des servohydraulischen Zylinders festgelegt und resultierte aus Vorversuchen, welche die Erzeugung des oben genannten technischen Anrisses als Ziel hatten. Alle Spannungen wurden nach dem Nennspannungskonzept über A korr (Probenquerschnittsfläche) ermittelt. Um A korr zu erhalten, wurde über die Abstände im Versuchsaufbau (Bild 4), das Widerstandsmoment des Profils (Profiltabellen) und die Last-Spannungs-Beziehung auf eine Vergleichsfläche (in diesem Fall A korr ) zurückgerechnet. Dann wurden die Spannungen, welche in den Wöhlerlinien zu finden sind, mit der Last jeder einzelnen Probe im Versuch ermittelt. Durch die sich ergebende Punktwolke bei der Darstellung der Oberspannung S o,r in Abhängigkeit von der Schwingspielzahl N wird eine Ausgleichsgerade im doppelt logarithmischen System gelegt, bei der der Abstand der Einzelversuche zur Ausgleichsgeraden ein Minimum darstellt. Die Grenzschwingspielzahl betrug Schwingspiele. Bei allen ermittelten Wöhlerlinien konnte kein Abknickpunkt festgestellt werden. Die Darstellung der Oberspannung S o im Zeitfestigkeitsbereich in Abhängigkeit von der Schwingspielzahl N erfolgt in der Form: S o,r = C. N 1/m mit: S o,r... Oberspannung N Schwingspielzahl m Neigung der Wöhlerlinie im Zeitfestigkeitsbereich C Lage der Wöhlerlinie in Bezug auf die Spannung. Bild 6 zeigt beispielhaft eine Wöhlerlinie ermittelt aus sechs Proben (5 x Bruch, 1 x Durchläufer), welche eine sehr geringe Streuung aufweist (hier Streuspanne T s,90%:10% = 1 : 1,13). Zudem wurde diese künstlich auf T s,90%:10% = 1 : 1,50 angehoben (nach [12] für Schweißverbindungen an Stahlwerkstoffen) um die vergleichsweise geringe Probenanzahl statistisch abzusichern. Die IIW-Empfehlungen [9], die die Grundlage der aktuellen, oben genannten, Normen zur Ermüdungsfestigkeit bilden, geben die Ermüdungsfestigkeit als FAT-Wert an. Dahinter verbirgt sich die ertragbare Schwingbreite DS R,2 in Bezug auf N = Schwingspiele bei einem Spannungsverhältnis von R = 0,5 (Unterstellung hoher Zugeigenspannungen) und einer Überlebenswahrscheinlichkeit von 79

5 Fachaufsatz Ermüdung Bild 6 Beispiel Wöhlerlinie für Forterior 620-Kehlnaht mehrlagig ohne Vorwärmen P ü = 97,5 %. Die durchgeführten Versuche erfolgten bei einem Spannungsverhältnis von R = 0,1 und wurden entsprechend umgerechnet. Die Umrechnung erfolgte dabei mit Hilfe des Smith-Diagramms. Hier wurden die Streckgrenze R e, die Zugfestigkeit R m sowie die ertragene Ober-, Unter- und Mittelspannung bei Schwingspielen eingetragen. In den einzelnen Bereichen des Smith-Diagramms ergeben sich lineare Gleichungen für Oberund Unterspannung in Abhängigkeit der Mittelspannung. Stellt man diese, unter Zuhilfenahme der bekannten Formeln im Wöhlerversuch, um und setzt sie gleich, ergibt sich die Formel für die Mittelspannung s m in Abhängigkeit vom Spannungsverhältnis R (siehe Gl. 1). Die Mittelspannung lässt sich dann in die Schwingbreite DS umrechnen (siehe Gl. 2), welche zum Vergleich mit den IIW-Empfehlungen [9] benötigt wird. n σ o R nu m = mu mo R ( 1 R) Δσ = 2σm ( 1 + R) Gl. 1 Gl. 2 Tabelle 3 und Bild 7 veranschaulichen die Ergebnisse tabellarisch sowie in grafischer Form. Wie auch für andere Werkstoffe in der Literatur belegt, zeigt sich ein deutlicher Unterschied in Abhängigkeit der. Auffällig ist zudem eine geringere Neigung der Wöhler- linie mit dem optimierten Schweißnahtverlauf mit entsprechend positiver Auswirkung bzgl. der Dauerfestigkeit. Dies wird auch in der nachfolgenden grafischen Übersicht (Bild 7) verdeutlicht. 5 Fazit Seit vielen Jahren finden höher- und hochfeste Hohlprofile im Maschinenbau Anwendung. Die schweißtechnische Verarbeitung ist dabei mit gängigen Schweißprozessen in vielen Fertigungsbetrieben anzutreffen und wird hier bestätigt. Insbesondere ein, aus Fertigungsperspektive oft unerwünschtes, Vorwärmen vor dem Schweißen ist aber im Sinne der Ermüdungsfestigkeit sinnvoll. Für die ausge- Werkstoff Ohne Neigung m [-] / S R,2 [N/mm²] & optimierter Nahtverlauf & Vorwärmen FW sl FW ml FW ml FW ml ph Forterior 500 3,9 / 62,2 3,5 / 76,0-4,3 / 82,4 Forterior 620 4,0 / 62,9-4,9 / 83,7 - FineXcell ,9 / 82,3 FW Kehlnaht ml mehrlagig sl einlagig ph vorgewärmt Tabelle 3 Ergebnis der Ermüdungsversuche 80 Konstruktion Januar/Februar 01/

6 Ermüdung Fachaufsatz Bild 7 Ergebnis der Ermüdungsversuche wählte Verbindung konnte der positive Einfluss von, Mehrlagentechnik und/oder Vorwärmen belegt werden. Bei den Versuchsreihen wird zudem deutlich, dass auch ein optimierter Schweißnahtverlauf die Wöhlerlinie positiv beeinflusst (vgl. Tabelle 3, Bild 7). Für die untersuchten warmgefertigten Hohlprofile mit ihren homogenen Querschnittseigenschaften empfiehlt es sich, entsprechend zuvor definierte Parameterfenster einzuhalten und den Schweißzusatz geeignet zu wählen. Die Verarbeitungsbedingungen beeinflussen maßgeblich die Ermüdungseigenschaften und sollten werkstoffunabhängig kontrolliert und überwacht werden. Neben der durch die Schweißnaht erzeugten metallurgischen Kerbe, bestimmt die Form der Naht (geometrische Kerbe) die Ermüdungseigenschaften der Schweißverbindung in deutlich höherem Maße. Entsprechend sollte neben der Überwachung der Verarbeitungsbedingungen grundlegend auf eine werkstoff- und ermüdungsgerechte Konstruktionsweise geachtet werden. Damit kann eine optimale Nutzung der Werkstoffeigenschaften z. B. im Hinblick auf ein höheres Mittelspannungsniveau realisiert werden. Zusammenfassend sei festgehalten, dass bei sorgfältiger Konstruktion in Verbindung mit nachfolgender Vorbereitung und Umsetzung der Fügestellen, die Verwendung höher- und hochfester warmgefertigter Hohlprofile planbare Festigkeitseigenschaften sicherstellt. Literatur [1] Müller, T.; Straetmans, B.: Hochfeste nahtlose Rohre und Stahlbauhohlprofile für Krane und den Maschinenbau, Stahlbau, pp , [2] pren Warmgefertigte Hohlprofile für den Stahlbau aus unlegierten Baustählen und aus Feinkornbaustählen Teil 1: Allgemeines, Teil 2: Technische Lieferbedingungen, Teil 3: Grenzabmaße, Maße und statische Werte, CEN, [3] Bruns, C.; Müller, T.; Lietke, M.; Scheller, W.: Schweißen hochfester Nahtlos-Rohre für den Kranbau, DVS Berichte Band 267, pp. S , [4] Ummenhofer, T.; Herion, S.; Hrabowski, J.; Feldmann, M.; Eichler, B.; Bucak, Ö.; Lorenz, J.; Boos, B.; Eiwan, C.; Stötzel, J.: Forschungsbericht P778, Bemessung von ermüdungsbeanspruchten Bauteilen aus hoch- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen im Kran- und Anlagenbau, Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v., Verlag und Vertriebsgesellschaft mbh, Düsseldorf, [5] Mang, F.; Herion, S.; Sedlacek, G.; Müller, C.; Kästner, M.: Forschungsbericht P293, Bemessungsregeln zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens von Krankonstruktionen Klassifizierung von kranbau- spezifischen Kerbdetails, Düsseldorf: Studiengesellschaft Stahlanwendung e.v., [6] DIN EN : Krane Konstruktion allgemein Teil 3 1: Grenzzustände und Sicherheitsnachweis von Stahltragwerken, CEN, [7] DIN EN : Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten Teil 1 9: Ermüdung. Deutsche Fassung EN : AC:2009, [8] FKM- Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, VDMA-Verlag, [9] Hobbacher, A.: Recommendations for Fatigue Desgin of Welded Joints and Components, Switzerland: Springer International Publishing AG, [10] Ummenhofer, T.; Veselcic, M.; Dietrich, R.; Nussbaumer, A.; Zamiri, F.: Optimaler Einsatz von Hohlprofilen und Gussknoten im Brückenbau aus Stahl S355 bis S690, Verlag und Vertriebsgesellschaft mbh, Düsseldorf, [11] Puthli, R.; Herion, S.; Bergers, J.; Sedlacek, G.; Müller, C.; Stötzel, J.; Höhler, S.; Bucak, Ö.; Lorenz, J.: Forschungsbericht P 512, Beurteilung des Ermüdungsverhaltens von Krankonstruktionen bei Einsatz hoch- und ultrahochfester Stähle, Düsseldorf: Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.v., Verlag und Vertriebsgesellschaft mbh, [12] Haibach, E.; Atzori, B.: Betriebsfestigkeit, Verfahren und Daten zur Bauteilberechnung, Berlin, Heidelberg, New York, Hongkong, London, Mailand, Paris, Tokio: Springer Verlag, VDI Fachmedien GmbH & Co. KG, Düsseldorf 2018 Konstruktion Januar/Februar 01/